Капля Руперта - удивительное стекло, которое невозможно разбить молотком
Батавские слёзки (в честь Батавии — старого названия Голландии), также болонские склянки, капли принца Руперта — застывшие капли закалённого стекла, обладающие чрезвычайно высокими внутренними механическими напряжениями
История В мире существует множество интересных объектов, и один из них — это стеклянная капля принца Руперта. Она стала известна во всём мире благодаря своим уникальнейшим и необычным физическим свойствам. Капля из стекла имеет интересную форму и невероятную крепость, которые получаются благодаря специальному процессу плавления стекла, а также охлаждения. Внешне она похожа на каплю воды, которая вот-вот упадёт и растечётся, однако, при этом обладает внушительными характеристиками, а также интересной историей своего открытия.
Опыт Если капнуть расплавленным стеклом в холодную воду и стекло после этого не лопнет, а начнёт застывать, получается капля в форме головастика, с длинным изогнутым «хвостом». При этом «голова» капли обладает исключительной прочностью, по ней можно бить металлическим молотком в полную силу, и в зависимости от объёма она выдерживает усилие гидравлического пресса до 30 тонн, оставляя вмятину на стали.
Но стоит надломить или просто задеть «хвост» капли, она мгновенно разлетается на мелкие осколки по направлению от «хвоста» к «голове». По этой причине надламывание желательно проводить под слоем жидкости и инструментом типа щипцов, так как при этом опыте помимо опасности от самого стекла происходит гидроудар из-за очень резкого расширения поля осколков. На кадрах, зарегистрированных с помощью высокоскоростной съёмки, видно, что фронт «взрыва» движется по капле с большой скоростью: 1,2 км/с (для сравнения: скорость звука в воздухе 0,34 км/с, скорость детонации взрывчатки — 2—9 км/с).
Если опыт проводится в темноте, заметна также триболюминесценция. В поляризованном свете видно, что капля не изотропна, а испытывает сильные внутренние напряжения, что и вызывает такие свойства.
Руперт Пфальский
Капли принца Руперта, также иногда называемые Батавскими слёзками, получили такое интересное и интригующее название из-за своей формы, которая и напоминает слезу. Она имеет массивное и округлое основание, которое плавно переходит в тонкий и длинный хвостик. Кто же изобрёл этот интересный объект, открыл его, точно не известно. По некоторым источникам, она была создана стеклодувами из Нидерландов или Дании в первой половине семнадцатого века. По другой версии, она существовала давно и популярность приобрела из-за того, что герцог Руперт Пфальский преподнёс эти капли в качестве подарка королю Великобритании Карлу II.
Почему же эти капли стали интересны во всём мире? Дело в том, что из-за процессов производства они обладают необычайной прочностью. Самая толстая часть капли настолько устойчива, что её невозможно разбить даже молотком. И, конечно же, она устойчива к тому, чтобы кинуть её на пол. Она также может выдержать сжатие плоскогубцами и совсем не разрушиться, находясь между молотом и наковальней. Существует также огромное количество экспериментов, где эту каплю помещают под гидравлический пресс.
Но даже в этом эксперименте выяснилось, что некоторые из капель вполне способны выдержать и его. А давление пресса составляет до сорока тонн. Это и сделало капли столь уникальными, хотя всем известно, что это должно быть хрупкое стекло. Одной из основных причин, почему капля столь прочная, является сама её форма и распределение внутренних напряжений. У неё куполообразная форма верхней части, что позволяет распределить нагрузку при ударе по поверхности. Также благодаря этому снижается концентрация напряжений в других участках, это предотвращает мгновенное разрушение
И всё же, несмотря на столь интересные свойства, у капли есть слабые стороны, например, она не может выдержать выстрел из оружия. Когда в неё попадает пуля, то капля как и положено, разлетается на множество мелких частей. Довольно красивое зрелище. К тому же она, естественно, может разбиться, если сила этого удара превысит определенный предел. При слишком сильной нагрузке всё распределение напряжений полностью разрушается. К тому же стоит отметить, что сам хвостик капли, в отличие от основания, значительно более уязвим. И если повредится он, то это может привести к разрушению и самой капли. Поскольку это также приводит к изменению напряжения, ведь капля теряет структурную целостность. Все эти разрушения можно описать как — взрыв, она в любом случае разлетится на множество осколков, не важно каким из способов, будучи разрушенной.
Физическое объяснение Расплавленное стекло при понижении температуры не кристаллизуется, а переходит в стеклообразное состояние, то есть атомы твердеющего стекла не успевают занять свои «правильные», такие же, как в кристалле, места, а формируют структуру, подобную структуре жидкости. Характеристики стекла в этом состоянии — в частности, объём — существенно зависят от скорости охлаждения расплава.
Когда капля стекла, расплавленного при температуре 400—600 °C, попадает в воду, её внешний слой охлаждается так быстро, что структура стекла не успевает перестроиться, и соответствующее изменение (уменьшение) объёма мало́. С другой стороны, сердцевина капли остывает медленно, и потому структура стекла сердцевины изменяется в гораздо большей степени, чем у стекла в наружном слое. Однако объём сердцевины не может измениться соответственно изменению структуры, поскольку такому изменению объёма препятствует внешний слой. В результате сердцевина оказывается растянута, а внешний слой — сжат. Иначе говоря, во внутренней части остывшей капли действуют механические напряжения растяжения, а во внешней части — напряжения сжатия. Сжатая оболочка очень прочна (так же устроены, например, донышки аэрозольных баллонов или бетонные тоннели метро), но если оболочку разрушить, все напряжения высвобождаются, и капля взрывается.
Аналогичным образом получают закалённое стекло — однако у него нет того хвостика, за который можно сломать оболочку (точнее, такими «хвостиками» являются углы с наибольшей кривизной). Если оболочку всё-таки удастся сломать (например, вставив стакан из такого стекла в другой стакан и нагрев, или ударив по торцу листа из такого стекла), возможен такой же «взрыв».
Применение Несмотря на прочность самой капли, прикладное их применение не задокументировано. Их слабое место — хвост: его очень легко сломать. После надлома хвоста тело капли раскрошится само, поэтому капли почти не имеют прикладной ценности.
Калейдоскоп истории. Обо всём понемногу.
Капля Руперта - удивительное стекло, которое невозможно разбить молотком
История
В мире существует множество интересных объектов, и один из них — это стеклянная капля принца Руперта. Она стала известна во всём мире благодаря своим уникальнейшим и необычным физическим свойствам. Капля из стекла имеет интересную форму и невероятную крепость, которые получаются благодаря специальному процессу плавления стекла, а также охлаждения. Внешне она похожа на каплю воды, которая вот-вот упадёт и растечётся, однако, при этом обладает внушительными характеристиками, а также интересной историей своего открытия.
Если капнуть расплавленным стеклом в холодную воду и стекло после этого не лопнет, а начнёт застывать, получается капля в форме головастика, с длинным изогнутым «хвостом». При этом «голова» капли обладает исключительной прочностью, по ней можно бить металлическим молотком в полную силу, и в зависимости от объёма она выдерживает усилие гидравлического пресса до 30 тонн, оставляя вмятину на стали.
Но стоит надломить или просто задеть «хвост» капли, она мгновенно разлетается на мелкие осколки по направлению от «хвоста» к «голове». По этой причине надламывание желательно проводить под слоем жидкости и инструментом типа щипцов, так как при этом опыте помимо опасности от самого стекла происходит гидроудар из-за очень резкого расширения поля осколков. На кадрах, зарегистрированных с помощью высокоскоростной съёмки, видно, что фронт «взрыва» движется по капле с большой скоростью: 1,2 км/с (для сравнения: скорость звука в воздухе 0,34 км/с, скорость детонации взрывчатки — 2—9 км/с).
Если опыт проводится в темноте, заметна также триболюминесценция. В поляризованном свете видно, что капля не изотропна, а испытывает сильные внутренние напряжения, что и вызывает такие свойства.
Почему же эти капли стали интересны во всём мире? Дело в том, что из-за процессов производства они обладают необычайной прочностью. Самая толстая часть капли настолько устойчива, что её невозможно разбить даже молотком. И, конечно же, она устойчива к тому, чтобы кинуть её на пол. Она также может выдержать сжатие плоскогубцами и совсем не разрушиться, находясь между молотом и наковальней. Существует также огромное количество экспериментов, где эту каплю помещают под гидравлический пресс.
И всё же, несмотря на столь интересные свойства, у капли есть слабые стороны, например, она не может выдержать выстрел из оружия. Когда в неё попадает пуля, то капля как и положено, разлетается на множество мелких частей. Довольно красивое зрелище. К тому же она, естественно, может разбиться, если сила этого удара превысит определенный предел. При слишком сильной нагрузке всё распределение напряжений полностью разрушается. К тому же стоит отметить, что сам хвостик капли, в отличие от основания, значительно более уязвим. И если повредится он, то это может привести к разрушению и самой капли. Поскольку это также приводит к изменению напряжения, ведь капля теряет структурную целостность. Все эти разрушения можно описать как — взрыв, она в любом случае разлетится на множество осколков, не важно каким из способов, будучи разрушенной.
Физическое объяснение
Расплавленное стекло при понижении температуры не кристаллизуется, а переходит в стеклообразное состояние, то есть атомы твердеющего стекла не успевают занять свои «правильные», такие же, как в кристалле, места, а формируют структуру, подобную структуре жидкости. Характеристики стекла в этом состоянии — в частности, объём — существенно зависят от скорости охлаждения расплава.
Когда капля стекла, расплавленного при температуре 400—600 °C, попадает в воду, её внешний слой охлаждается так быстро, что структура стекла не успевает перестроиться, и соответствующее изменение (уменьшение) объёма мало́. С другой стороны, сердцевина капли остывает медленно, и потому структура стекла сердцевины изменяется в гораздо большей степени, чем у стекла в наружном слое. Однако объём сердцевины не может измениться соответственно изменению структуры, поскольку такому изменению объёма препятствует внешний слой. В результате сердцевина оказывается растянута, а внешний слой — сжат. Иначе говоря, во внутренней части остывшей капли действуют механические напряжения растяжения, а во внешней части — напряжения сжатия. Сжатая оболочка очень прочна (так же устроены, например, донышки аэрозольных баллонов или бетонные тоннели метро), но если оболочку разрушить, все напряжения высвобождаются, и капля взрывается.
Аналогичным образом получают закалённое стекло — однако у него нет того хвостика, за который можно сломать оболочку (точнее, такими «хвостиками» являются углы с наибольшей кривизной). Если оболочку всё-таки удастся сломать (например, вставив стакан из такого стекла в другой стакан и нагрев, или ударив по торцу листа из такого стекла), возможен такой же «взрыв».
Несмотря на прочность самой капли, прикладное их применение не задокументировано. Их слабое место — хвост: его очень легко сломать. После надлома хвоста тело капли раскрошится само, поэтому капли почти не имеют прикладной ценности.