), или «датской слезы». Головка капли невероятно прочная, ее очень сложно механически повредить путем сжатия: даже сильные удары молота или гидравлический пресс не наносят ей никакого вреда. Но стоит слегка надломить хрупкий хвост, и вся капля в мгновение ока разлетится на мелкие осколки.
Это любопытное свойство стеклянной капли впервые обнаружили в XVII веке то ли в Дании, то ли в Голландии (отсюда еще одно их название - батавские слёзки), то ли в Германии (источники противоречивы), и необычная вещица быстро распространилась по Европе в качестве потешной игрушки. Свое название капля получила в честь главнокомандующего английской королевской кавалерией Руперта Пфальцского , известного в народе как принц Руперт. В 1660 году Руперт Пфальцский вернулся в Англию после долгого изгнания и привез с собой необычные стеклянные капли, которые преподнес Карлу II , а тот передал их для исследований в Лондонское королевское общество .
Технологию изготовления капли долго держали в секрете, но в итоге оказалось, что она очень проста: достаточно капнуть расплавленного стекла в ведро с холодной водой. В этой нехитрой технологии и кроется секрет силы и слабости капли. 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 - 1,5 км/с, что в пять раз быстрее скорости звука в атмосфере Земли.
Этот же принцип лежит в основе изготовления закаленного стекла , которое используют, например, в автотранспорте. Помимо повышенной прочности такое стекло имеет серьезное преимущество в безопасности: при повреждении оно разбивается на множество мелких кусочков с тупыми краями. Обычное же «сырое» стекло разлетается на крупные острые осколки, которыми можно серьезно пораниться. Закаленное стекло в автомобильной промышленности используют для боковых и задних окон. Лобовое же стекло для автомобилей делают многослойным (триплекс): два или более слоя склеивают полимерной пленкой, которая при ударе удерживает осколки и не дает им разлетаться.
Вероника Самоцкая
Слеза принца Руперта, батавские или голландские капли, слеза дьявола - все это имена одного и того же физического явления. Круглая часть такой слезы - сверхпрочное стекло, а ее хвост - ее Ахиллесова пята, которая, обламываясь, превращает всю конструкцию в пыль.
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.
Как открыли каплю Принца Руперта
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. Открытие впечатлило исследователя, и он дал своему открытию имя - Батавские слезки в честь Батавии - былого названия своей родины. Как оказалось, этим открытие ученого не ограничилось, потому что позже он обнаружил их любопытнейшее свойство.Считается, что стекло - достаточно хрупкий материал. Но свойство этих стеклянных капель таково, что даже при многочисленных ударах молотком по округлой части, они не разбиваются. При этом, если во время эксперимента подложить данную каплю под пресс на металлическую пластину, то на ней останется каплевидный отпечаток. Но стоит лишь надломить кончик ее тонкого хвоста, и она мгновенно взрывается на миллион мельчайших осколков.
Так или иначе, широкую известность Батавские слёзки получили после того, как британский герцог Руперт Пфальский преподнес их в качестве диковинного подарка королю Великобритании Карлу II. После король поручил Королевскому научному сообществу исследовать их таинственную и забавную природу. В честь принца Пфальского Батавские слезки начали именовать не иначе как стеклянные капли принца Руперта. Способ их создания содержался в строжайшей секретности долгое время, но зато их мог купить каждый желающий как потешный сувенир.
Почему взрывается капля принца Руперта
На сегодняшний день уже научно доказаны причины необычного поведения стеклянных капель. Дело в том, что попадая в холодную воду, стеклянные капли быстро застывают. Внутри каждой из них образуется высокое механическое напряжение. 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.
Когда внутренняя температура капли снижается, то ядро также начинает сжиматься, но теперь возникает сопротивление за счет внешнего застывшего слоя. Тесные межмолекулярные связи позволяют ему сдавливать ядро, занимающее уже больший объем.
Между оболочкой и ядром возникает очень сильное напряжение, соответственно - сжатия на внешнем слое и растяжения - на внутреннем. 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. Это внутреннее напряжение настолько велико, что взрыв происходит буквально за один миг. Поэтому, проводя эксперимент, обязательно запаситесь защитными очками.
Недавно группа ученых из разных уголков мира задалась целью “докопаться” до истины и выяснить, почему и как именно происходит взрыв при обламывании хвоста капли принца Руперта.
Дело в том, что при повреждении внешней оболочки, появляется трещина, проникающая прямо в “сердце” капли, где концентрируется та самая сила напряжения.
Имея в виду научно доказанный факт, что внешний слой сжат, а внутренний - растянут, ученые рассматривали, как именно распределяется давление внутри слезы. Выяснилось, что сила сжатия у внешней оболочки превышает атмосферное давление в 7000 раз и доходит до 700 мегапаскалей. Это невероятно, учитывая, что поверхность стеклянной слезы необычайно тонкая и ее площадь составляет всего лишь 10% от всего тела капли.
Также исследователи установили, что для того, чтобы капля принца Руперта взорвалась, требуется, чтобы трещины достигли ее центра. При ударах молотком или при любом другом воздействии на головку капли, трещины рассеиваются по ее поверхности, не проникая в зону внутреннего растяжения. Именно этим объясняется прочность шарика. При разрушении “хвостика” трещинам удается проникнуть во внутреннюю часть стеклянной слезы, что влечет за собой взрыв.
Современное применение эффекта капли принца Руперта
Принцип поведения капли принца Руперта уже успешно применяется в промышленности. Такое стекло знакомо всем, как “закаленное”.Ранее производились “закаленные стаканы”. Их можно было без зазрения совести ронять на пол - оно никогда не разбивалось при ударе. Но случайно появившаяся на краю щербинка могла спровоцировать его взрыв в любое время. Поэтому с такой посудой стоило обращаться еще более бережно, чем с обыкновенным стеклом.
По аналогичному принципу сегодня изготавливают автомобильные стекла. Помимо того, что оно обладает более высокой прочностью, у него есть еще одно важное преимущество для безопасности пассажиров - в случае повреждения, оно рассыпается на мелкие кусочки с закругленными краями. Сырые стекла разбиваясь, образуют острые и большие осколки, которые могут серьезно поранить.
Из закаленного стекла производятся боковые и задние окна, лобовые же делают путем склеивания нескольких слоев такого стекла при помощи специальной полимерной пленки, что в случае аварии не даст им разлететься вообще.
Видео о эффекте капли принца Руперта
Условно выделим в капле наружный слой и внутреннее ядро. Капля охлаждается с поверхности, и ее наружный слой сжимается и уменьшается в объеме, пока ядро остается жидким и горячим.
После того как внутри шарика понизится температура, начнет сжиматься и ядро. Но процессу будет сопротивляться уже твердый наружный слой. С помощью межмолекулярных сил притяжения он цепко держит ядро, которое, остыв, вынуждено занимать больший объем, чем, если бы оно охладилось свободно.
В результате на границе между наружным слоем и ядром возникнут силы, тянущие наружный слой внутрь, создавая в нем напряжения сжатия, а внутреннее ядро - наружу, создавая в нем напряжения растяжения.
Эти напряжения при слишком быстром охлаждении очень велики. Так что внутренняя часть шарика может оторваться от внешней части, и тогда в капельке образуется пузырек.
Очень высокое остаточное напряжение приводит к появлению необычных качеств, например таких, как способность выдерживать удар молотком по головной части капли принца Руперта, не нарушая ее целостность.
А вот если слегка повредить хвостик, то капля разрушается с огромной скоростью. Разрушение происходит со скоростью 1658 метров в секунду, что составляет примерно 5968,8 километров в час.
Батавские слезки или болонские склянки, а также капли принца Руперта - это застывшие капли закаленного стекла, обладающие чрезвычайно прочными свойствами. В Англию их привез принц Руперт Пфальцский в середине XVII века. Тогда же они привлекли пристальное внимание учёных.
17095 1 4 18
Скорее всего, подобные стеклянные капли были известны стеклодувам с незапамятных времён, однако внимание учёных они привлекли довольно поздно: где-то в середине XVII века. Появились они в Европе (по разным источникам, в Голландии, Дании или Германии). Технология изготовления «слёзок» держалась в секрете, но на поверку оказалась очень простой.
Если капнуть расплавленным стеклом в холодную воду, получается капля в форме головастика, с длинным изогнутым хвостом. При этом капля обладает исключительной прочностью: по её «голове» можно бить молотком, и она не разобьется. Но если надломить хвостик, капля мгновенно разлетается на мелкие осколки.
На кадрах, зарегистрированных с помощью высокоскоростной съёмки, видно, что фронт «взрыва» движется по капле с большой скоростью: 1,2 км/с, что почти в 4 раза выше скорости звука.
В результате резкого охлаждения, стеклянная капля испытывает сильные внутренние напряжения, что и вызывает такие странные свойства. Внешний слой капли охлаждается так быстро, что структура стекла не успевает перестроиться. Сердцевина оказывается растянута, а внешний слой - сжат. Аналогичным образом получают закалённое стекло - однако у него нет того хвостика, за который можно так легко сломать оболочку.
4.5 (90%) 2 votes
Сегодня нашел для вас кое-что новое и интересное, хотя возможно это новое лишь для меня, но уж интересным точно окажется для всех — капли принца Руперта. Давайте разберемся, что же это за капли и чем они интересны…
Что такое капли принца Руперта
Капли принца Руперта это стеклянные капли с тонким хвостиком, которые получились в результате помещения в воду расплавленного стекла. А интересное в них то что их практически невозможно раздавить, растоптать, разбить или уничтожить любым другим доступным людям способом, однако это касается только самой капли, но у нее есть и тонкий хвостик, в котором и прячется уязвимость казалось бы неразрушимой вещи, причем если его сломать, то происходит самый настоящий стеклянный взрыв. Смотрите сами как каплю принца Руперта безуспешно пытаются раздавить гидравлическим прессом:
и как она легко взрывается при повреждении тонкого кончика:
Ну что, интересный эффект?
Давайте разберемся, как же получается такой интересный результат? Для этого надо понять как получаются капли принца Руперта.
Капли принца Руперта как сделать
Для того чтобы сделать капли принца Руперта необходимо расплавленное стекло поместить в воду. При попадании расплавленного стекла в холодную воду, происходит процесс его очень быстрого застывания с одновременным накоплением огромного внутреннего напряжения. Причем остывание происходит хоть быстро, но не мгновенно поэтому когда поверхностный слой уже остыл, затвердел и уменьшился в объеме, внутренняя часть капли, назовем ее условно ядро, все еще находится в жидком и расплавленном состоянии.
Далее начинает остывать и сжиматься ядро, но сжиматься ему мешают межмолекулярные связи с внешним уже твердым слоем, в результате чего после остывания ядро занимает объем больший, чем если бы оно охлаждалось в свободном виде.
Из-за этого на границе внешнего слоя и ядра действуют силы с противоположным направлением, которые тянут внешний слов вовнутрь, а ядро наружу и создающие соответственно напряжение сжатия для внешнего слоя и напряжение растяжения для внутреннего ядра. В итоге мы имеем огромное внутренне напряжение, которое делает каплю очень прочной, но в тоже время любое повреждение внешнего слоя приводит к нарушению структуры и стеклянному взрыву, ну а так как самое тонкое место это хвостик, именно через него и можно разрушить наружный слой для того чтобы получился такой красивый взрыв как на видео выше или на фото ниже:
А это видео для тех кому легче воспринимать видеоинформацию, чем читать много букв:
Когда и где были обнаружены капли принца Руперта
Капли принца Руперта были впервые открыты в Германии в 1625 году, однако как часто бывает бытовало мнение, что их открыли голландцы, а может так красивей звучало, ведь все заграничное вызывает больше любопытства, в этом времена не меняются, отсюда пошло второе название для этих капель — голландские слезы.
Причем же здесь принц Руперт спросит читатель? Дело в том,что принц Руперт, британский герцог был тем человеком, который привез эти капли в Англию и преподнес их английскому монарху КарлуII. Королю очень понравились интересные стеклянные капли и он отдал их на изучение Британскому Королевскому Научному Обществу. В честь этих событий любопытные капли и стали называть капли принца Руперта, причем название это прекрасно сохранилось до наших дней. Вот он яркий пример того, как можно войти в историю просто подарив интересную вещь нужному человеку.
Интересно, что способ изготовления голландских слез долгое время держали в секрете, в то же врем продавая их как интересные игрушки на ярмарках и рынках.
Почитал что пишут о принце Руперте.Биография его достаточно интересна, он был замешан в большом количестве исторических событий, но это скорее тема для отдельного поста.
Когда заканчивал пост нашел интересное и подходящее по теме видео, в котором весь процесс показан от начала и док конца — от создания капли принца Руперта, до стеклянного взрыва:
Вот теперь тема капли принца Руперта полностью раскрыта и можно спокойно в компании блеснуть этим знанием или вообще сделать подобные капли (только осторожно). На этом на сегодня все, до новых встреч!
