Батавские слезки что это
Раскрыта тайна сверхпрочных и при этом невероятно хрупких стеклышек
Ученые 400 лет ломали голову над странными изделиями, известными как батавские слезки, или болонские склянки, или капли принца Руперта.
Как ломается капля принца Руперта
Новое исследование показывает, что навершия этих маленьких стеклянных головастиков обладают такой неожиданной прочностью из-за сжимающих сил, действующих с внешней стороны капель.
Капли принца Руперта впервые получили широкую известность в 1660 году, когда принц Руперт Пфальцский принес несколько таких диковинок королю Англии Карлу II. (А вообще слезки, сделанные путем заливки расплавленного стекла в холодную воду, вероятно, были известны стеклодувам за столетия до этого.) Затем Карл передал их Королевскому обществу, опубликовавшему первое научное исследование их свойств в 1661 году.
На протяжении веков ученые бились над загадкой капель принца Руперта. В 1994 году Чандрасекар и его коллега использовали высокоскоростную камеру (1 млн кадров в секунду) для съемки взрыва изделий. Кадры показали, что крошечные трещины, которые формируются в хвосте, быстро распространяются на головку.
Когда эти трещины достигают достаточно высокой скорости (около 1,5 км/с), они раздваиваются, сказал Чандрасекар. Затем эти две трещины набирают скорость и раздваиваются вновь — и т. д. В конце концов вся структура оказывается полностью охваченной множеством крошечных трещин.
«Хвост просто отрывается, но головка взрывается в порошок, и это на самом деле довольно впечатляющий момент», — сказал Чандрасекар.
Но это объясняет лишь хрупкость стеклянных головастиков, но не прочность их головок.
Батавские слезки дают неисчерпаемый материал для видеоблогеров. Здесь стекляшки выдерживают попадание пули
В новом исследовании Чандрасекар полагался на другой метод, называемый интегральной фотоупругостью. Объект помещают в воду, а затем пропускают через него поляризованный свет. Внутреннее напряжение материала меняет поляризацию света. На поляризацию выходящих световых волн смотрят через специальные фильтры, что позволяет выявить внутренние напряжения внутри объекта, в данном случае головки и хвоста капли.
Оказалось, что головки капель принца Руперта выдерживали чрезвычайные уровни сжимающего напряжения — около 50 т на квадратный дюйм (один квадратный дюйм равен 6,5 кв.см).
Это напряжение формируется из-за того, что стекло, используемое в этих слезках, резко расширялось при нагревании и также резко уменьшалось при воздействии холодной воды. Во время процесса изготовления этих капель расплавленное стекло погружают в холодную воду. Когда стекло попадает в воду, снаружи оно остывает быстрее, чем внутри. Внешний слой стекла затем образует своего рода оболочку, которая сковывает внутреннюю часть. Поскольку внутренняя часть все еще охлаждается и потому, что силы, действующие на объект, должны быть равны нулю, головка формирует растягивающие напряжения на своей внутренней поверхности, сообщают исследователи.
(В общих чертах, растягивающее напряжение — это сила, которая тянет вещи друг от друга: представьте разрыв куска бумаги надвое. Напряжение и сжимающее напряжение действуют в противоположных направлениях и таким образом отменяют друг друга.)
Причина, по которой сжимающее напряжение снаружи капель предотвращает разрыв, несколько интуитивно понятно; атомы стекла прижимаются друг к другу, поэтому им некуда деться. В таких условиях материалы труднее сломать. Напротив, большинство материалов имеют тенденцию ломаться легче, когда их подвергают растягивающему напряжению.
Слезка ломает пресс. Пресс ломает слезку
Однако даже эти сверхпрочные стеклышки могут быть разрушены давлением. Например, если поместить их в тиски, они в конце концов превратятся в порошок, хоть это будет и не так эффектно, как если бы им отломили хвостик.
«Сломать можно все что угодно», — резюмирует Чандрасекар.
Батавские слёзки, легковые машины и Gorilla Glass: о некоторых видах укрепленного стекла
Привет, Хабр!
Все мы слышали такие слова, как «закаленное стекло», «Gorilla Glass», «химическая обработка стекла». Тем не менее, в большинстве случаев мы и не задумываемся о том, как все эти вещи устроены, а зря — эта тема содержит в себе множество удивительных фактов и интересной логики, а физика в ней в очередной раз проявляет свою прекрасную и яркую сторону. А физика наиболее прекрасна тогда, когда чрезвычайно простые ее законы сильно нас удивляют.
В этой статье не будет никаких заумных формул или длинных логических цепочек (но ссылки для любопытных, конечно же, обязательно будут). Если вы хотите расслабиться и полюбоваться красотой природы — эта статья для вас. Приглашаю всех под кат!
Батавские слёзы
Немного истории
Далекий 1660-ый год, Англия. Король послал своему Королевскому Обществу на рассмотрение пять «маленьких стеклянных пузырьков». Общество с большой быстротой отчиталось, что смогло произвести еще два крохотных похожих изделия, которые ведут себя точно так же, как и полученные. Находка была тут же занесена в мемуары, а инструкция по изготовлению начала переводиться на иностранные языки и стремительно распространяться по Европе.
Стеклянные капли, именованные впоследствии «каплями принца Руперта» в честь адмирала и ученого Принца Руперта Пфальцского, привезшего капли из Германии на рассмотрение королю Чарльзу Второму, вызвали бурные обсуждения у ученых людей того времени. К изобретению приложили свои усилия такие известные личности, как Роберт Гук, Вильям Томсон (Первый Барон Кельвин — да, тот самый) и другие, но четкое математическое описание всех происходящих в каплях процессов впервые появились в трудах Арнольда Алана Гриффита в 1920-м году.
Принц Руперт, конечно, был далеко не первым, сделавшим это открытие. По Петронию, что-то схожее было известно стеклодувам еще со времен Тиберия: создателя изделия, по словам Петрония, Тиберий приговорил к смертной казни, поскольку боялся, что изобретение может быть более ценно, чем все его сокровища.
В 17-м веке, прежде чем установилось именование «капля принца Руперта», было еще распространено название «Батавские слезы», или «Holland Tears» (Батавия — старое название Голландии), потому что впервые они начали массово изготовляться именно там.
Что же так будоражило всех, кто видел этот стеклянный феномен, и продолжает удивлять до сих пор?
Процесс изготовления капли принца Руперта чрезвычайно прост: нужно лишь взять ведро холодной воды и капнуть туда расплавленным стеклом. После того, как стекло остынет, получится изделие в виде капельки — оно и называется Батавской слезой. Казалось бы, вся эта процедура крайне проста. Тем не менее, Батавские слезы обладают очень интересным свойством.
Они сочетают в себе парадоксальные, на первый взгляд, качества. Батавская слеза является одновременно невероятно прочной и невероятно хрупкой. «Головка» получившегося головастика на удивление крепкая: ее невозможно разбить молотком или другим ручным средством, а под гидравлическим прессом она может выдержать аж до 20 тонн. Но если хоть чуть-чуть поцарапать хвостик или слишком сильно его потрясти, вся капля взорвется на крохотные кусочки.
Как это работает?
Как написано здесь, во время остывания в воде внешние слои сразу затвердевают и образуют некий «панцирь» для раскаленного стекла внутри. Во время остывания внутреннее стекло сильно сжимается, приводя в конечном итоге к огромному накоплению механического напряжения внутри капли.
Посмотрев на каплю через поляризатор, можно «увидеть» все это накопленное напряжение:
Легковые машины
Где же применяется это явление? На самом деле, вы каждый день видите стекла, изготовленные по этому принципу. Например, в легковых машинах это впервые началось применяться с 1930-х годов (да, на появление области применения ушло около 300 лет) в виде закаленного стекла. А еще изобретение стало использоваться в:
В легковушках важно правильно выбрать тип стекла для той или иной части из-за соображения безопасности.
Боковые и заднее стекла
Обычное стекло, как правило, разбивается на крупные, острые куски, которые могут нанести вред водителю в случае аварии. Поэтому здесь нужно такое стекло, которое будет не только крепким, но и рассыпаться на мелкие безопасные кусочки, если уж разбилось.
Для этого используется закаленное стекло. Оно получается вследствие быстрого охлаждения со сторон в процессе производства. Здесь все работает так же, как и Батавских слезах, причем если ударить окно по краю, оно разлетится вдребезги. А после этого еще некоторое время можно слышать тихий хруст: это высвобождается последнее напряжение из осколков.
Лобовое стекло
Это стекло имеет особую роль. Оно должно быть не только очень прочным, но оно должно как можно больше препятсвовать попаданию объектов в салон даже в случае поломки. Пуленепробиваемое стекло работает по похожим принципам.
Тут закаленное стекло уже не подходит. Вместо него используют так называемый триплекс, или, как его называют на Западе, «laminated glass». Обычно это три склеенных между собой слоя: внешние изготовлены из обычного (силикатного) стекла, а между ними присутствует полимерная пленка.
Триплекс обычно используется тогда, когда мы хотим сделать стекло чрезвычайно прочным. Он находит применение в:
В случае, если внешний слой разбивается, он не рассыпается на маленькие кусочки, как было бы, если б он был из закаленного стекла. Вместо этого, он и поддерживающие его слои продолжают защищать пассажиров от опасных и, возможно, довольно крупных твердых объектов. Теперь видно, почему рассказ детектива Хэла Вуковича о том, как человек в трансе пробил лобовое стекло автомобиля, — самая обычная байка.
Gorilla Glass
Ну и конечно же нельзя не упомянуть всеми нами любимые смартфоны!
Gorilla Glass — это бренд химически закаленного стекла. Это дороже и сложнее в производстве; тем не менее, этот метод укрепления распространен в мобильной индустрии. Почему?
Дело в том, что к стеклу мобильного устройства прибавляется еще спектр требований:
Химическая обработка со всем этим отлично справляется: она способна укрепить даже очень тонкое стекло, искривленное стекло, а измеримых изменений в преломлении цвета не возникает.
Конечно, тут есть и свои недостатки. Вот некоторые из них:
Помимо мобильных смартфонов и других гаджетов, химическая закалка, изобретенная в 1962-м году, нашла применение и в нескольких других предметах быта:
Давайте же разберемся, как это работает.
Принцип работы
Идея заключается в том, чтобы, подменив ионы щелочных металлов в стекле на более крупные, как показано на картинке, сделать стекло более плотным и, соответственно, более прочным.
Для этого стекло опускают на некоторый промежуток времени в специальное электрически нагретое вещество (например, KNO3). Как правило, чем быстрее происходит процесс обмена ионами, тем глубже в стекло проникают крупные ионы и тем дешевле нам это все обходится. Поэтому выбор температур и веществ довольно важен.
После того, как мы все эти стадии прошли, в стекле как бы «заделаны» маленькие трещины и увеличена плотность внешних слоев, что делает стекло более устойчивым к царапинам и ударам.
Заключение
Ура! Теперь вы кое-что знаете о некоторых видах укрепления стекла и о том, где каждый из них используется. Как упражнение, сможете сразу сказать, какое стекло ломают Гэв и Дэн в следующем видео? А как оно получается? А где оно используется? И какую ошибку совершает Гэв, когда подводит итоги в конце видео?
Уверен, вы с легкостью справились! Удачи всем и спасибо за просмотр статьи!
Буду рад любой обоснованной критике по содержанию и форме статьи.
Голландские слезы или капли Принца Руперта
«Голландские слезы» или «Батавские слезки» — это одно из интересных свойств стекла, которое в народе принято называть «каплями Принца Руперта».
Сделать каплю Принца Руперта очень просто. Достаточно просто взять раскаленное стекло и капнуть его в ведро воды. В результате того, что вода быстро охлаждает внешнюю поверхность стекла, внутри температура остается значительно высокой. Когда внутри стекло наконец охладится, оно сжимается внутри уже твердой внешней оболочки. Благодаря этому создается очень сильное напряжение.
Что интересно, капля обладает потрясающей прочностью! В отличие от обычного стекла, данную каплю нельзя разбить даже очень сильно ударив молотком – если бить по основной части «капли», ее нельзя раздавить прессом.
В то же время, если слегка повредить «хвост» слезы, то она взрывается словно граната – однако увидеть это можно лишь при помощи камеры способной снимать со скоростью 100,000 кадров в секунду. Именно это вы можете увидеть:
Скорость движения разлома составляет примерно 4 тысячи 200 км в час.
Немного истории:
У принца Руперта, кузена короля Карла II, титулов было примерно столько же, сколько и природных талантов: пфальцграф Рейнский, герцог Баварский, граф Холдернесс, герцог Камберлендский, по совместительству кавалерист, моряк, ученый, администратор и художник. Еще в детстве Руперт овладел основными европейскими языками, демонстрировал хорошие математические способности и талант рисовальщика. Военную карьеру Руперт начал в 14 лет, сопровождая принца Оранского при осаде Ринберга. Через два года, во время вторжения в Брабант, он поступил на службу в гвардию принца, а в следующем году вместе со старшим братом побывал с визитом у английских родственников, произведя на Карла Первого чрезвычайно благоприятное впечатление. Из этой поездки он возвратился с почетной степенью магистра искусств, присвоенной высокому гостю в Оксфорде.
* Это был белый пудель, якобы контрабандой вывезенный из Турции, где султан запретил иностранцам приобретать собак этой породы. «Было чрезвычайно любопытно наблюдать, как этот дерзкий и беспокойный человек забавлялся, обучая собаку дисциплине, которой никогда не знал сам». Пудель, получивший незатейливую кличку Бой, неизменно сопровождал Руперта до самой своей смерти в битве при Марстон Муре. Бой пользовался множеством привилегий — спал в хозяйской постели, пользовался услугами большего количества цирюльников, чем сам Руперт, и получал самые лакомые кусочки из рук короля Карла, который снисходительно позволял Бою сидеть в своем кресле. По слухам, пес был очень смышленый. Так, при слове «Карл» он начинал радостно прыгать и очень любил слушать литургию, поворачивая морду к алтарю. Это, очевидно, и вызвало слухи о том, что за Рупертом в виде Боя следует дух, мол, собачка умеет становиться невидимой. И убит бедняга Бой был, как говорят, серебряной пулей.
По материалам СМИ
Батавские слезки что это
Капли Руперта. Загадка, пронесенные через века
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
В этом году, на уроке физики мы рассматривали тему: изменения агрегатного состояния вещества. Вопрос о плавлении веществ меня заинтересовал.
В одной энциклопедии я прочитал, что существует так называемая «волшебная» капля принца Руперта. Прочитав доступную информацию, был очень удивлен ее необычными свойствами [3,6]. Я решил, что буду исследовать свойства стеклянной капли.
Мне стало интересно, можно ли сделать каплю Руперта в домашних условиях? Изучив технику безопасности по работе с источниками тепла, решил попробовать провести эксперимент.
Собрать информацию из разных источников.
Провести эксперимент: получить стеклянную каплю.
Исследовать свойства капли.
1. Сбор и анализ информации.
2. Обобщение собранной информации.
3. Планирование и проведение эксперимента.
4. Анализ результатов.
Рис.1 Стеклянная капля
Предмет исследования – прочность капли.
Гипотеза исследования – каплю Руперта можно получить в домашних условиях, свойства данного материала уникальны и имеют важное практическое значение.
Новизна исследования заключается в следующем: в ходе работы продемонстрирован механизм создания стеклянной капли, показаны её уникальные свойства, предоставлен образец для оценки реальных размеров частиц стекла после взрыва. В работе приведена оценка давления внутри стеклянной капли.
История создания капли Руперта
Мнения касательно происхождения капель принца Руперта весьма разнообразны. В некоторых источниках указано, что изобрели их в 1625 году в Германии. Но их также называют “Батавскими слезами” и вот почему.
Некогда в Голландии, незнакомый нам ученый провел некий интересный эксперимент. Он плавил палочку из стекла на мощной горелке, а жидкие расплавленные капельки стряхивал в емкость с обыкновенной водой. Стеклянные капли, застывая в холодной воде, приобретали причудливую форму, напоминающую головастиков с округлой головкой и тоненьким змеевидным хвостом.
Карл II поручил Королевскому научному сообществу исследовать таинственную и забавную природу стеклянных капель. В честь принца Пфальского Батавские слезки начали именовать не иначе как стеклянные капли принца Руперта [6].
Когда капля стекла, расплавленного при температуре 400—600 °C, попадает в воду, её внешний слой охлаждается так быстро, что структура стекла не успевает перестроиться, внутри каждой из них образуется высокое механическое напряжение, а 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. Важно отметить, что характеристики стекла в этом состоянии — в частности, объём — существенно зависят от скорости охлаждения расплава. 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. Если представить, что капля состоит из оболочки и ядра, можно понять, что застывать она начинает сначала у поверхности, то есть ее оболочка уменьшается и сжимается в то время как ядро продолжает быть горячим и жидким [4].
Рис. 2 «Батавские слёзки» в поляризованном свете.
2.1 Механическое напряжение
Механическое напряжение — это мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле под влиянием различных факторов. Механическое напряжение в точке тела определяется как отношение внутренней силы к единице площади в данной точке рассматриваемого сечения.
Напряжения являются результатом взаимодействия частиц тела при его нагружении. Внешние силы стремятся изменить взаимное расположение частиц, а возникающие при этом напряжения препятствуют смещению частиц.
Это напряжение формируется из-за того, что стекло, используемое в этих слезках, резко расширялось при нагревании и также резко уменьшалось при воздействии холодной воды. Во время процесса изготовления этих капель расплавленное стекло погружают в холодную воду. Когда стекло попадает в воду, снаружи оно остывает быстрее, чем внутри. Внешний слой стекла, затем образует своего рода оболочку, которая сковывает внутреннюю часть. Поскольку внутренняя часть все еще охлаждается и потому, что силы, действующие на объект, должны быть равны нулю, головка формирует растягивающие напряжения на своей внутренней поверхности. (В общих чертах, растягивающее напряжение — это сила, которая тянет вещи друг от друга: представьте разрыв куска бумаги надвое. Напряжение и сжимающее напряжение действуют в противоположных направлениях и таким образом отменяют друг друга).
Величина механического напряжения характеризуется внутренними силами молекул, которые направлены против давления и деформации тела, на единицу площади. Различают два вида напряжения [2,3]:
1. нормальное напряжение приложено на единицу площади сечения, параллельного главной оси тела.
2. касательное механическое напряжение приложено на единицу площади сечения любой другой плоскости сечения.
Для вычисления механического напряжения используется формула:
Величина механического напряжения в СИ измеряется в паскалях (Па). Зависит от внутренней силы сопротивления деформации, а также площади тела. Сейчас можно встретить и другие единицы измерения механического напряжения. Среди них атмосфера, торр, бар, физическая и техническая атмосфера, метр водяного столба, миллиметр (дюйм) ртутного столба, фунт-сила на квадратный дюйм и т.д.
При растяжении напряжение считается положительным, при сжатии – отрицательным.
Способность материала сопротивляться растяжению, сжатию при упругой деформации характеризуется Модулем Юнга.
Рис.3 Механизм растяжения
При упругой деформации возникает сила упругости
Модуль этой силы будет одинаков во всех сечениях. Это означает, что упругая сила зависит не от абсолютного, а от относительного удлинения.
2.2 Деформация тела
Явление, при котором происходит изменение формы тела под действием какой-либо внешней силы, называется деформацией [2,3].
Выделяют несколько видов изменения формы тела:
1.Деформация растяжения, когда внешняя сила воздействует вдоль всего тела. Имеет прикладное значение при изготовлении веревок, тросов и строительных материалов;
2. Деформация сжатия. В этом случае действие внешней силы совпадает с продольной осью тела, однако оно направлено в сторону центра этого тела. Применяется этот вид деформирования при изготовлении металла и строительных материалов для придания им прочности;
3. Деформация сдвига возникает под действием внешней силы, которая направлена перпендикулярно продольной оси и вызывает движение различных плоскостей тела относительно друг друга;
4.Деформация изгиба характеризуется искривлением главной оси тела, например, когда имеется две точки опоры. Сила, которую может выдержать тот или иной предмет, а также механическое напряжение играют большую роль при создании строительных материалов;
5. Деформация кручения возникает при повороте тела вокруг его продольной оси. Этот вид деформации можно наглядно продемонстрировать на пружинке, которая после прекращения воздействия внешней силы восстановит свою форму.
6. Упругая и пластическая деформация.
Механическое напряжение, которое зависит от природы вещества, влияет на способность тела восстанавливать свою первоначальную форму после возникновения дефекта в кристаллической решетке. По этому признаку выделяют упругую и пластическую деформацию. При пластической деформации тело после воздействия внешней силы не способно восстановить прежнюю форму. Например, пластилин при надавливании на него пальцем сохраняет образовавшуюся ямку. Упругая деформация характерна для тех веществ, которые способны восстанавливать свою первоначальную форму после воздействия на них внешней силы. Примером может служить та же пружина, которая при любом описанном выше виде деформации возвращается в первоначальное состояние.
Рис.4 Виды деформации
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.
2.3 Тепловое расширение
Тепловое расширение (также используется термин «термическое расширение») — изменение линейных размеров и формы тела при изменении его температуры. Для характеристики теплового расширения твёрдых тел вводят коэффициент линейного теплового расширения [2,3].
Механизм теплового расширения твердых тел можно представить следующим образом. Если к твердому телу подвести тепловую энергию, то благодаря колебанию атомов в решетке происходит процесс поглощения им теплоты. При этом колебания атомов становятся более интенсивными, т.е. увеличиваются их амплитуда и частота. С увеличением расстояния между атомами увеличивается и потенциальная энергия, которая характеризуется межатомным потенциалом.
Последний выражается суммой потенциалов сил отталкивания и притяжения. Силы отталкивания между атомами с изменением межатомного расстояния меняются быстрее, чем силы притяжения; в результате форма кривой минимума энергии оказывается несимметричной, и равновесное межатомное расстояние увеличивается. Это явление и соответствует тепловому расширению.
Основной закон теплового расширения твердых тел гласит, что тело с линейным размером L 0 при увеличении его температуры на ΔT расширяется на величину ΔL, равную:
Коэффициент линейного расширения зависит от природы вещества, а также от температуры. Однако, если рассматривать изменения температуры в не слишком широких пределах, зависимостью α от температуры можно пренебречь и считать температурный коэффициент линейного расширения величиной постоянной для данного вещества. В этом случае линейные размеры тела, как вытекает из формулы зависят от изменения температуры следующим образом:
На сегодняшний день уже научно доказаны причины необычного поведения стеклянных капель. Дело в том, что попадая в холодную воду, стеклянные капли быстро застывают. Наружный слой стекла быстро застывает, уменьшается в объеме и начинает давить на всё еще жидкое ядро». Когда внутренняя часть тоже остывает, ядро начинает сжиматься, однако теперь этому противодействует уже застывший внешний слой. С помощью межмолекулярных сил притяжения он удерживает остывшее ядро, которое теперь вынуждено занимать больший объем, чем если бы оно охладилось свободно. В итоге на границе между внешним и внутренним слоем возникают противоборствующие силы, которые тянут внешний слой внутрь, и в нем образуется напряжение сжатия, а внутреннее ядро — наружу, образуя напряжение растяжения. При этом внутренняя часть может даже оторваться от наружной, и тогда в капле образуется пузырек. Это противостояние делает каплю прочнее стали. Но если все-таки повредить ее поверхность, нарушив внешний слой, скрытая сила напряжения высвободится, и от места повреждения вдоль всей капли прокатится стремительная волна разрушения. Скорость этой волны детонации огромная, около 1,2 км/с — 1,5 км/с, что в пять раз быстрее скорости звука в атмосфере Земли.
Если опустить расплавленное стекло в слишком холодную воду, то уровень напряжения достигнет максимума и позволит внутренней части капли отделиться от наружной, образовав пузырек. Именно внутренние силы напряжения сжатия и растяжения сопротивляются любой силе удара.
Отломив “хвостик” капли, мы разрушим верхний слой, что позволит внутреннему давлению растяжения заработать в полную силу, и стеклянную каплю разнесет в пыль.
Причину, по которой сжимающее напряжение снаружи капель предотвращает разрыв, можно понять интуитивно: атомы стекла прижимаются друг к другу, поэтому им некуда деться. В таких условиях материалы труднее сломать, если растягивать тело, то оно легче разрушается [1].
2.5 Научные исследования капли Руперта
Хиллар Абен (Hillar Aben) из Таллинского технологического университета, Эстония, и его коллеги из Университета Пердью, США, и Кембриджского университета, Великобритания, изучили природу напряжений в основной части капли принца Руперта (она образуется, если каплю расплавленного стекла уронить в воду). Необычайная прочность этой части капли и ее связь с тоненьким хвостом капли, выяснили ученые, основана на сжимающем напряжении, а не напряжении растяжения, как предполагалось. Свои результаты исследователи изложили в статье, опубликованной в журнале Applied Physics Letters [6].
Теперь исследователи продолжили изучение свойств этого интересного объекта, используя так называемый метод интегральной фотоупругости. Они погружали каплю в жидкость и светили через нее поляризованным светом. Области, где есть напряжение, распространяют поляризованный свет по-разному, так что ученые, обработав свет с помощью методов, аналогичных тем, которые используются в медицине при компьютеризированном томографическом сканировании, исследователи смогли наметить различные слои напряжений внутри капли.
Рис.6 Капля в поляризованном свете
Группа измерила напряжение сжатия в головке капли, которое оказалось эквивалентно более чем 4000-кратному атмосферному давлению, что делает каплю такой же прочной, как некоторые марки стали. Напряжения растяжения, присутствующие в хвосте и внутри капли, имеют тенденцию к распространению трещин, но не могут преодолеть сопротивление вышележащих сжимающих напряжений в головке капли. Этот сжимающий внешний слой защищает головку от ударов молотка — но стоит отломить хвост позволяет трещинам продвигаться по капле, и, хотя сжимающий внешний слой замедляет распространение трещин, остановить его он уже не может [4].
Практическая работа «Исследование свойств капли Руперта»
Цель: изготовить каплю, исследовать свойства стеклянной капли.
Оборудование и материалы: портативная газовая горелка с газовым балоном с пропанбутановой смесью, лабораторная химическая стеклянная палочка, ведро с водой Т 0-3С°, ПК с программным обеспечением Eclipse для трехмерного планирования, весы портативные электронные 200гр точность 0,01гр, прозрачный скотч
Алгоритм выполнения эксперимента
Рис. 6 Схема пламени газовой горелки
А – область пламени, в которой горение не происходит (смесь газа с воздухом)
В – область восстановительного пламени (сгорание газа происходит не полностью – недостаток кислорода; содержатся раскалённые углеродистые продукты распада молекул газа)
О – область окислительного пламени (полное сгорание – избыток кислорода)
Для работы мы взяли газовый баллон (пропан-бутан) и горелку, мощностью 1 кВт.
Наивысшая температура пламени и распределение температур в различных частях пламени зависит от состава газа и воздуха, регулирования поступления газа и воздуха, конструкции горелки и т.п.
Примерное распределение температур в различных частях пламени: (см. рисунок)
Рис. 7 Стеклянные капли, полученные в домашних условиях.
Нагреем стеклянную палочку в пламени газовой горелки над емкостью с водой, до тех пор, пока палочка не начнет размягчаться и от нее не начну отрываться капли.
Теперь достанем застывшие капельки стекла, положим на твердую поверхность и ударим по ним молотком. Капельки останутся целыми. Возьмем капельку и надломим бокорезами хвостик (у основания). Капелька рассыплется или даже взорвется, при этом во все стороны полетят мелкие кусочки стекла.
Для проведения другого эксперимента «батавская слезка» погружается в кипяченую воду, налитую в пробирку. В кипяченой воде отсутствуют растворенные газы, что делает ее практически несжимаемой. Держа слезку бокорезами, обламывают ее острый конец. Слезка тотчас же лопается, но при этом разлетается и пробирка. При мгновенном разрыве слезки вода получает сильный толчок, передавая его стенкам пробирки, разрушающимся от удара. При быстром охлаждении внешние слои стекла быстро застывают и становятся достаточно твердыми. Когда внешние слои затвердевают, они оказывают сильное давление на внутренние слои. Капля напоминает сжатую пружинку, которая только и ждет, чтобы ее высвободили. Внутренние слои давят изнутри на поверхность капли, подобно сжатому газу в баллоне. Это внутреннее напряжение и противодействует силе удара. Отломанный хвостик разрушает поверхностную закаленную «корочку», и «слезку» разносит в пыль внутреннее давление.
Рис. 8 Демонстрация разрушения капли Руперта
Так как увидеть сам процесс «взрыва» трудно даже на видео из-за огромной скорости, мы изобрели простой, но наглядный способ доказательства нашего опыта.
1 Поместили стеклянную каплю в несколько слоев прозрачного скотча
2 надломили хвостик стеклянной капли
3 между слоями скотча осталась стеклянная пыль
Этап 2
Оценим давление внутри стеклянной капли на стенки.
Будем использовать уравнение Ламе.
Рис. 9 Схема внутреннего давления
Значение механического напряжения возьмём равным 4000*р0 (смотри параграф 2.5)
Рис. 10 3 D модель капель
Рис. 11 Вычисление объема капли
Внешний объем капель составил 0,36 см 3 и 0,32 см 3.
Измерение массы капель проводилось на весах.
Масса капель составила 0,56 г и 0,52 г, соответственно.
Будем принимать капли за сферу.
Рис. 12 Схематическое изображение капли.
Плотность стекла, из которого изготовлены капли 2,53