Познавательные факты
Капля принца Руперта
Replyon.net
Представьте небольшую стеклянную каплю размером в несколько сантиметров. У неё толстая округлая головка и длинный тонкий хвост.
Если ударить молотком по толстой части, стекло может выдержать удар. Но достаточно повредить кончик хвоста и вся капля практически мгновенно рассыпается на множество мельчайших осколков.Это капля принца Руперта, также известная как слеза принца Руперта. Её необычные свойства кажутся парадоксальными: один и тот же кусок стекла одновременно демонстрирует огромную устойчивость к повреждению с одной стороны и чрезвычайную хрупкость с другой.
Внутри капли после резкого охлаждения возникает необычная система остаточных напряжений, наружный слой оказывается сильно сжат, а сердцевина растянута.
Именно эти невидимые напряжения одновременно делают головку капли удивительно прочной, а хвост своеобразной кнопкой самоуничтожения.
Как выглядит капля принца Руперта
Форма напоминает головастика или стеклянную слезу. С одного конца находится массивная округлая головка, которая постепенно переходит в длинный тонкий хвост.Такая форма получается естественным образом при изготовлении капли, когда расплавленное стекло капают в холодную воду. Пока капля падает, под действием поверхностного натяжения её основная масса стремится принять округлую форму, а за ней вытягивается хвост.
Но гораздо важнее формы то, как стекло остывает, именно здесь появляется необычное сочетание прочности и хрупкости.
Как делают каплю принца Руперта
Главное условие, расплавленное стекло должно попасть непосредственно в холодную воду. В таком случае, поверхность капли практически сразу охлаждается и начинает затвердевать, но внутри стекло всё ещё остаётся горячим.Через некоторое время начинает охлаждается сердцевина. При охлаждении стекло стремится уменьшиться в объёме, однако наружная оболочка уже успела стать твёрдой.
Поэтому внутренняя часть начинает стягивать внешнюю, в результате после полного охлаждения капля оказывается буквально наполнена остаточными механическими напряжениями.
Снаружи стекло находится в состоянии сильного сжатия, а внутри растяжения.
И после того, как капля остыла, эти напряжения никуда не исчезают. Они оказываются как бы заперты внутри стекла.
Почему головка выдерживает удар молотка
Обычное стекло кажется очень твёрдым, но оно плохо сопротивляется распространению трещин. На поверхности практически всегда имеются микроскопические дефекты и царапины.
Если приложить нагрузку, возле такого дефекта возникает концентрация напряжения. Трещина начинает увеличиваться и может быстро пройти через материал.
Капля принца Руперта устроена иначе. Её наружный слой уже находится под очень сильным сжимающим напряжением. Чтобы поверхностная трещина начала раскрываться и проникать внутрь, внешнее воздействие сначала должно преодолеть это сжатие.
Поэтому головка капли способна выдерживать удары, которые обычный кусок стекла аналогичного размера разрушили бы значительно раньше. Исследования показывают, что величина остаточного сжатия у поверхности может достигать сотен мегапаскалей. В одном из современных исследований для головной части получили около 525 МПа, а в районе хвоста до 700 МПа. При этом внутри обнаружены растягивающие напряжения порядка 300–400 МПа.
Получается своеобразная стеклянная броня, но под этой бронёй находится очень напряжённая сердцевина.
Почему тогда хвост настолько хрупкий
Здесь и заключается главный парадокс. Сжимающий наружный слой защищает каплю до тех пор, пока остаётся целым. В толстой головке этот защитный слой достаточно хорошо изолирует внутреннюю область от повреждений поверхности, но хвост очень тонкий.
Если его сломать или достаточно сильно повредить, трещина получает доступ к внутренней зоне растягивающих напряжений, после этого начинается цепная реакция.
Запасённая внутри стекла упругая энергия высвобождается, трещина стремительно распространяется вдоль капли и многократно разветвляется, через долю миллисекунды цельного объекта уже нет.Поэтому правильнее говорить не о том, что хвост каким-то мистическим образом «управляет» каплей. Просто его геометрия позволяет сравнительно легко нарушить систему напряжений, которая до этого находилась в равновесии.
Капля действительно взрывается?
В бытовом смысле это выглядит именно как маленький взрыв, но никакой взрывчатки и химической реакции внутри нет.
Энергия уже накоплена в самой структуре напряжённого стекла. После повреждения хвоста начинается чрезвычайно быстрое распространение трещин. Высокоскоростные исследования показали, что после достижения критической скорости трещина начинает многократно разветвляться.
Исследования приводят скорости порядка 1450–1900 метров в секунду, это примерно 5 200–6 800 км/ч.
Человеческий глаз не способен увидеть процесс разрушения поэтапно. Мы видим целую каплю, повреждаем хвост и практически сразу вместо неё остаётся кучка стеклянных фрагментов.
Только высокоскоростная камера позволяет увидеть, как фронт разрушения проходит от хвоста к головке.
Кто придумал каплю принца Руперта
Несмотря на название, принц Руперт её не изобретал. Более того, имя конкретного изобретателя вообще неизвестно. Подобные стеклянные капли были известны европейским стеклодувам ещё до того, как с ними связали имя Руперта.
Архивы Лондонского королевского общества сообщают, что к 1650-м годам явление уже было хорошо известно в континентальной Европе. Такие изделия называли, среди прочего, голландскими слезами.
Возможное место их происхождения связывают с Мекленбургом на территории современной Германии, хотя однозначно установленного изобретателя или места появления нет. Почему же тогда они называются каплями принца Руперта?
Кем был принц Руперт
Руперт Пфальцский, более известный в Англии как Принц Руперт Рейнский, родился в 1619 году. Он был племянником английского короля Карла I и двоюродным братом будущего Карла II.Руперт был военным командиром, но одновременно активно интересовался наукой, техникой, металлургией и различными механическими устройствами. Позднее он стал членом Королевского общества.
В сентябре 1660 года Руперт привёз необычные стеклянные капли ко двору английского короля Карла II. Именно после этого они привлекли внимание английских учёных и со временем прочно связались с именем принца.
Получается любопытная ситуация: Руперт не придумал каплю, не открыл её физический эффект и, скорее всего, даже не был первым англичанином, который видел подобное стекло, но именно он помог сделать необычный предмет знаменитым в Англии.
Король передал загадочные капли учёным
Карл II тоже заинтересовался необычным стеклом. В марте 1661 года он передал несколько таких стеклянных объектов недавно созданному Лондонскому королевскому обществу для изучения.
Учёные начали экспериментировать. Как они изготовлены? Почему головка выдерживает сильные удары? Почему повреждение хвоста уничтожает весь объект?
14 августа 1661 года шотландский учёный и один из основателей Королевского общества сэр Роберт Морей представил обществу результаты исследования их свойств и способа изготовления.
Для XVII века это был замечательный научный объект: его легко изготовить, его свойства хорошо воспроизводятся, а поведение совершенно не соответствует интуитивному представлению о хрупком стекле.Капли изучал Роберт Гук
К загадке подключился и знаменитый английский учёный Роберт Гук. В 1665 году он опубликовал книгу Micrographia — одну из важнейших научных книг XVII века.
Гук исследовал разрушение стекла и достаточно близко подошёл к правильному объяснению поведения необычных капель. Он связывал эффект с тем, что наружная часть стекла затвердевает раньше внутренней.Это впечатляющее наблюдение, учитывая, что современная механика разрушения тогда ещё не существовала.
Учёные понимали, что причина связана с быстрым охлаждением и внутренним состоянием стекла, но увидеть, как именно распространяется трещина, они физически не могли. Процесс происходил слишком быстро.
Загадка пережила несколько столетий
Капля принца Руперта стала классическим научным экспериментом. Физика постепенно развивалась, появилась теория упругости.
В XX веке работы Алана Гриффитса заложили основы современной механики хрупкого разрушения, но экспериментально рассмотреть процесс взрывного разрушения капли стало возможно только с появлением высокоскоростной съёмки и современных методов анализа напряжений.
В 1994 году исследователи Сринивасан Чандрасекар из Университета Пердью и Мунавар Чаудри из Кембриджского университета использовали высокоскоростную фотографию, чтобы наблюдать процесс разрушения капли.
Они подтвердили ключевую картину, поверхность находится в состоянии сильного сжатия, тогда как внутренность в растяжении. Позднее учёные смогли ещё точнее измерить распределение этих напряжений.
Как учёные увидели невидимое напряжение внутри стекла
Напряжение нельзя увидеть обычным взглядом, но прозрачное стекло обладает полезным свойством — фотоупругостью. Механические напряжения изменяют его оптические свойства.
Если посмотреть на каплю между специальными поляризационными фильтрами, внутри появляются характерные цветные полосы и узоры. По ним можно восстановить распределение напряжений.Именно современные методы трёхмерной фотоупругости позволили определить, насколько огромны напряжения в капле. Оказалось, что защитная сжатая область у поверхности имеет толщину порядка всего 0,5–0,85 мм в исследованных образцах, а под ней находится сильно растянутая сердцевина.
То есть секрет прочности заключён в сравнительно тонком наружном слое.
Почему это похоже на закалённое стекло
Принцип капли принца Руперта вовсе не является бесполезным физическим курьёзом.
Очень похожая идея используется при производстве закалённого стекла, когда обычный стеклянный лист нагревают, а затем быстро охлаждают. Наружные слои стекла остывают и затвердевают раньше внутренних.
После полного охлаждения возникает распределение остаточных напряжений: поверхность оказывается сжата, а внутренняя область растянута. Благодаря этому закалённое стекло значительно лучше сопротивляется механическим воздействиям.
А когда критическое повреждение всё-таки происходит, накопленные напряжения заставляют его разрушаться сразу на множество относительно небольших фрагментов. Физический принцип очень похож на тот, который наблюдается в капле принца Руперта.Можно ли сломать головку капли
Популярные ролики иногда создают впечатление, будто головка практически неразрушима, но это преувеличение.
Сжимающие напряжения делают её чрезвычайно устойчивой к возникновению и распространению поверхностных трещин, но бесконечной прочности не существует.Достаточно мощное воздействие способно пробить защитный слой и добраться до внутренней растянутой области и после этого капля разрушится.
Можно ли отрезать хвост и сохранить каплю
Интересно, что потенциально да, если удалять материал чрезвычайно осторожно и не позволить трещине добраться до растянутой внутренней зоны.
Эксперименты с обработкой капель показывают, что ключевым является не сам факт отсутствия хвостика, а проникновение трещины через сжатый поверхностный слой.
Это ещё раз подтверждает, что хвост не является каким-то отдельным механизмом. Он просто представляет собой наиболее уязвимое место сложной напряжённой конструкции.
Ссылки по теме:
