Маленькие стеклянные капли с тонкими хвостиками, похожие на головастиков и обладающие невероятными прочностными характеристиками были привезены в Англию принцем Рупертом Пфальцским в середине XVII века. Головка стеклянной капли была настолько прочна, что её было практически невозможно разбить, в то же время хрупкий хвост являлся её «Ахиллесовой пятой» – стоило лишь слегка его надломить, как капля тут же взрывалась на миллион кусочков.
Скорее всего, эти необычные стеклянные капли были известны стеклодувам очень давно, однако внимание учёных они привлекли из-за своих необычных свойств именно после демонстрации принцем Рупертом.
Как были открыты эти удивительные капли?
В некоторых источниках указывается, что капли были открыты в Германии в 1625 году, другие указывают на голландского учёного, который плавил стеклянную палочку на горелке и капал расплавленным стеклом в стакан с водой, капли тут же начинали охлаждаться и затвердевать, принимая свою необычную форму головастика с длинным тонким змеевидным хвостом. Получившиеся капли поразили учёного и он назвал их в честь своей родины Батавии – Батавские слёзки.
Однако свою широкую известность слёзки получили именно после того, как принц Руперт Пфальцский продемонстрировал их королю Великобритании Карлу II. Короля на столько увлекли капли, что он поручил Королевскому научному сообществу исследовать их удивительные свойства. С тех пор Батавские слезки начали называть стеклянные капли принца Руперта. Очень долго способ их изготовления содержался в строжайшей секретности, при том, что их мог купить любой желающий в качестве забавного сувенира.
Почему капля взрывается и откуда у неё образуется невероятная прочность?
На сегодняшний день благодаря современным технологиям и высокоскоростной съёмке уже научно доказаны необычные свойства капель принца Руперта. Всё дело в том, что попадая в холодную воду, капля расплавленного стекла начинает быстро охлаждаться. Охлаждаясь, стекло переходит в твёрдое состояние и начинает сжиматься. С одной стороны, остывшие внешние слои сжимают каплю, с другой стороны раскалённое, ещё не успевшее остыть ядро её наоборот расширяют, занимая больший объём. В этот момент образуются очень тесные межмолекулярные связи и увеличивается плотность сжатых слоёв. Когда внутренняя температура капли снижается и ядро начинает остывать, оно тоже начинает сжиматься и застывать, но теперь ему оказывает сопротивление внешний уже застывший слой. В итоге между слоями образуется огромное механическое напряжение.
Именно возникшие огромные напряжения между оболочкой и ядром сопротивляются любой силе удара. Но стоит лишь надломить хрупкий хвостик капли, она мгновенно взорвётся на миллионы кусочков. Всё дело в том, что застывая стеклянный хвост охлаждается как верхний слой, но не имеющий раскалённого ядра. Поэтому, надламывая хвостик, мы разрушаем целостность верхнего слоя и его напряжение, что позволяет внутреннему давлению расширения мгновенно высвободиться, образовав микровзрыв. Это давление настолько велико, что взрыв происходит в 4 раза быстрее скорости звука.
Какими характеристиками обладает стекло капли принца Руперта?
Проводя исследования, учёным удалось выяснить, что сила сжатия внешней оболочки превышает атмосферное давление в 7000 раз, при том, что верхний слой очень тонкий и составляет всего 10% от всего тела капли.
Так же удалось установить причину взрыва капли – необходимо, чтобы микротрещины, вызывающие структурное разрушение верхнего слоя капли, достигли ядра с его напряжением расширения. Именно поэтому при ударах молотком и других механических воздействиях на головку капли, микротрещины рассеиваются по верхнему слою, не достигая внутренней зоны напряжения расширения. Разрушая хвостик, микротрещинам удаётся достигнуть ядра, поэтому происходит высвобождение напряжения, что влечёт за собой взрыв.
Современное применение эффекта капли принца Руперта.
Сегодня эффект капли принца Руперта успешно применяется в промышленности в самых различных областях. Именно таким способом получают закалённое стекло – путём его нагревания в печах до температур 650-680 ̊С и охлаждением верхних слоёв. В результате стекло получается очень прочным и способным выдерживать большие нагрузки.
Так, например, закалённые стёкла используются при изготовлении автомобильных стекол. Кроме того, что такие стёкла выдерживают большие нагрузки, они так же являются безопасными для человека. В случае разрушения они рассыпаются на мелкие осколки со скруглёнными краями и не способны причинить серьёзных травм. В то время как обычное стекло разбиваясь, образует большие осколки с острыми краями, которые способны нанести серьёзные порезы.
