Крапля принца Руперт. Що таке і як це зробити Чому крапля принца руперта така міцна

Крапля принца Руперта - скляний артефакт, що має дві протилежні один одному властивості: він надзвичайно міцний і надзвичайно крихкий одночасно.

Крапля схожа на пуголовок з цибулинною головкою і довгим, тонким хвостом. Головка настільки міцна, що здатна витримати удар молотка, а кулі, випущені в неї в упор, руйнуються при ударі – так, саме кулі, а не скло. Тим не менш, якщо ви клацніть пальцем по хвості краплі, це перетворить всю краплю, включаючи міцну скляну головку, на порошок.

Краплі принца Руперта (також відомі як «батавські сльози» та «болонські склянки») утворюються шляхом попадання рідкого скла в холодну воду, внаслідок чого зовнішня поверхня краплі твердне негайно, а скло всередині неї, як і раніше, залишається розплавленим. Охолоджений зовнішній шар намагається скоротитися, тоді як розплавлений внутрішній шар намагається розширитися. У процесі кристалізації протилежні сили, що діють на голівку краплі, роблять її надзвичайно міцною та тендітною одночасно. Вона схожа на кам'яну арку - конструкція знаходиться під надзвичайною напругою, яка є тим, що не дозволяє їй розвалитися на частини. Але якщо ви приберете наріжний камінь, арка впаде.

Краплі принца Руперта вперше були виявлені у Німеччині у 1640-х роках. Спочатку вони були створені склоробами з Мекленбурга (Північна Німеччина) і продавалися як іграшки та дива по всій Європі, де їх називали по-різному: наприклад, «прусськими сльозами» або «голландськими сльозами». Склороби старанно охороняли свій секрет, що призвело до виникнення цілого ряду теорій щодо того, як вироблялися краплі.

Вчений-аматор з Англії, герцогиня Маргарет Кавендіш, після кількох тижнів експериментів із десятками зразків у своїй лабораторії, дійшла висновку, що в голівку краплі вводили невелику кількість летючого матеріалу, який бурхливо реагував на контакт із повітрям.

У 1660 році принц Руперт Пфальцський, герцог Камберлендський і один із засновників Королівського товариства, привіз із собою кілька скляних крапель, щоб продемонструвати їх вченим та королю Карлу II. Як ви, мабуть, уже здогадалися, їх назвали на його честь.

Роберт Гук, який відповідав за проведення експериментів перед членами суспільства, зробив важливий прорив, припустивши, що саме охолодження скла після занурення у воду викликало дивну властивість крапель, хоча повніше розуміння механіки стало доступним лише через три століття.

Лише в 1994 році вчені з Університету Пердью і Кембриджського університету, використовуючи високошвидкісну кадруючу зйомку, щоб поспостерігати процес руйнування краплі, дійшли висновку, що поверхня кожної краплі зазнає високого компресійного навантаження, в той час як внутрішня частина знаходиться під впливом сил високо. стані нерівномірної рівноваги, яку можна легко порушити, зламавши хвіст. Експерименти показують, що цибулинна головка здатна витримати силу стиску до 7000 кілограмів на сантиметр квадратний. Також було підраховано, що руйнівні тріщини поширюються хвостом і голівкою з разючою швидкістю - 6500 кілометрів на годину.

Надалі, співпрацюючи з Таллінським технологічним університетом в Естонії, дослідники виявили, що для того, щоб розбити краплю, потрібно створити тріщину, здатну проникнути в зону її внутрішньої напруги. Зовнішній компресійний шар дуже тонкий: він становить всього близько 10 відсотків діаметра головки краплі, проте має неймовірно високу міцність. Оскільки тріщини на поверхні, як правило, розростаються паралельно поверхні, вони не можуть потрапити до зони напруги. Але якщо хвіст трісне, тріщини потраплять у зону напруги та вивільнять усю накопичену енергію, змусивши краплю зруйнуватися.

Загартоване скло, яке, як правило, використовують при виробництві автомобілів та мобільних телефонів, роблять за таким же принципом. Його швидко охолоджують у розплавленому вигляді за допомогою холодного повітря, створюючи внутрішню напругу, яка дозволяє поверхні залишатися стиснутою весь час. Стиснення запобігає розростанню тріщин, але коли скло остаточно розбивається, воно розсипається на тисячі дрібних шматочків. Ось чому лобове скло автомобілів при ударі розбивається на дрібні шматочки, проте воно покрито спеціальним шаром клею, який запобігає попаданню частинок в салон автомобіля та нанесенню травм пасажирам.

«Розтягуюча напруга - це те, що зазвичай призводить до руйнування матеріалів способом, аналогічним до розриву аркуша паперу навпіл, - говорить Коушик Вішванатан з Університету Пердью. - Але якщо ви зміните напругу, що розтягує, на стискаючу, тоді ви ускладните розростання тріщин, і це саме те, що відбувається в голівці краплі принца Руперта».

Сльоза принца Руперта, батавські чи голландські краплі, сльоза диявола - це імена однієї й тієї ж фізичного явища. Кругла частина такої сльози – надміцне скло, а її хвіст – її Ахіллесова п'ята, яка, обламуючись, перетворює всю конструкцію на пил.

Думки щодо походження крапель принца Руперта дуже різноманітні. У деяких джерелах зазначено, що винайшли їх у 1625 році у Німеччині. Але їх також називають Батавськими сльозами і ось чому.

Як відкрили краплю Принца Руперта

Колись у Голландії незнайомий нам учений провів якийсь цікавий експеримент. Він плавив паличку зі скла на потужному пальнику, а рідкі розплавлені крапельки струшував у ємність із звичайною водою. Скляні краплі, застигаючи в холодній воді, набували химерної форми, що нагадує пуголовків з округлою головкою і тоненьким змієподібним хвостом. Відкриття вразило дослідника, і він дав своєму відкриттю ім'я – Батавські сльози на честь Батавії – колишньої назви своєї батьківщини. Як виявилося, цим відкриття вченого не обмежилося, тому що пізніше він виявив їхню цікаву властивість.

Вважається, що скло – досить крихкий матеріал. Але властивість цих скляних крапель така, що навіть при численних ударах молотком по округлій частині вони не розбиваються. При цьому якщо під час експерименту підкласти цю краплю під прес на металеву пластину, то на ній залишиться краплеподібний відбиток. Але варто лише надламати кінчик її тонкого хвоста, і вона миттєво вибухає на мільйон дрібних уламків.

Так чи інакше, широку популярність Батавські сльози здобули після того, як британський герцог Руперт Пфальський підніс їх як дивовижний подарунок королю Великобританії Карлу II. Після цього король доручив Королівському науковому співтовариству досліджувати їхню таємничу і кумедну природу. На честь принца Пфальського Батавські сльози почали називати інакше як скляні краплі принца Руперта. Спосіб їх створення містився в найсуворішій секретності довгий час, зате їх міг купити кожен бажаючий як потішний сувенір.

Чому вибухає крапля принца Руперта

На сьогодні вже науково доведено причини незвичайної поведінки скляних крапель. Справа в тому, що, потрапляючи в холодну воду, скляні краплі швидко застигають. Усередині кожної з них утворюється висока механічна напруга. Якщо уявити, що крапля складається з оболонки і ядра, можна зрозуміти, що вона починає спочатку застигати біля поверхні, тобто її оболонка зменшується і стискається в той час, як ядро ​​продовжує бути гарячим і рідким.

Коли внутрішня температура краплі знижується, то ядро ​​починає стискатися, але тепер виникає опір за рахунок зовнішнього застиглого шару. Тісні міжмолекулярні зв'язки дозволяють йому стискати ядро, що займає вже більший обсяг.

Між оболонкою та ядром виникає дуже сильна напруга, відповідно – стискування на зовнішньому шарі та розтягнення – на внутрішньому. Якщо опустити розплавлене скло в занадто холодну воду, то рівень напруги досягне максимуму і дозволить внутрішній частині краплі відокремитися від зовнішньої, утворивши пляшечку.

Саме внутрішні сили напруги стиснення та розтягнення опираються будь-якій силі удару. Відламивши "хвостик" краплі, ми зруйнуємо верхній шар, що дозволить внутрішньому тиску розтягнення заробити на повну силу, і скляну краплю рознесе на пил. Ця внутрішня напруга настільки велика, що вибух відбувається буквально за одну мить. Тому, проводячи експеримент, обов'язково запасіться захисними окулярами.

Нещодавно група вчених з різних куточків світу поставила за мету "докопатися" до істини і з'ясувати, чому і як саме відбувається вибух при обламуванні хвоста краплі принца Руперта.

Справа в тому, що при пошкодженні зовнішньої оболонки, утворюється тріщина, що проникає прямо в "серце" краплі, де концентрується та сама сила напруги.

Маючи на увазі науково доведений факт, що зовнішній шар стиснутий, а внутрішній – розтягнутий, вчені розглядали, як саме розподіляється тиск усередині сльози. З'ясувалося, що сила стиснення зовнішньої оболонки перевищує атмосферний тиск у 7000 разів і сягає 700 мегапаскалей. Це неймовірно, враховуючи, що поверхня скляної сльози надзвичайно тонка і її площа становить лише 10% від тіла краплі.

Також дослідники встановили, що для того, щоб крапля принца Руперта вибухнула, потрібно, щоб тріщини досягли її центру. При ударах молотком або будь-якому іншому впливі на головку краплі, тріщини розсіюються по її поверхні, не проникаючи в зону внутрішнього розтягування. Саме цим пояснюється міцність кульки. При руйнуванні "хвостика" тріщинам вдається проникнути у внутрішню частину скляної сльози, що тягне у себе вибух.

Сучасне застосування ефекту краплі принца Руперта

Принцип поведінки краплі принца Руперта вже успішно застосовується у промисловості. Таке скло знайоме всім, як "загартоване".
Раніше виготовлялися “загартовані склянки”. Їх можна було без зазріння сумління кидати на підлогу - воно ніколи не розбивалося при ударі. Але щербинка, що випадково з'явилася на краю, могла спровокувати його вибух у будь-який час. Тому з таким посудом варто було звертатися ще дбайливіше, ніж зі звичайним склом.

За аналогічним принципом сьогодні виготовляють автомобільне скло. Крім того, що воно має вищу міцність, у нього є ще одна важлива перевага для безпеки пасажирів - у разі пошкодження, вона розсипається на дрібні шматочки із закругленими краями. Сирі скла розбиваючись, утворюють гострі та великі уламки, які можуть серйозно поранити.
Із загартованого скла виробляються бічні та задні вікна, лобові ж роблять шляхом склеювання кількох шарів такого скла за допомогою спеціальної полімерної плівки, що у разі аварії не дасть їм розлетітися взагалі.

Відео про ефект краплі принца Руперта

Умовно виділимо в краплі зовнішній шар та внутрішнє ядро. Крапля охолоджується з поверхні, і її зовнішній шар стискається і зменшується обсягом, поки ядро ​​залишається рідким і гарячим.

Після того, як всередині кульки знизиться температура, почне стискатися ядро. Але процесу опиратиметься вже жорсткий зовнішній шар. За допомогою міжмолекулярних сил тяжіння він чіпко тримає ядро, яке, охолонувши, змушене займати більший обсяг, ніж, якби воно охолоне вільно.

У результаті межі між зовнішнім шаром і ядром виникнуть сили, тягнуті зовнішній шар всередину, створюючи у ньому напруги стиснення, а внутрішнє ядро ​​- назовні, створюючи у ньому напруги розтягування.

Ця напруга при дуже швидкому охолодженні дуже велика. Так що внутрішня частина кульки може відірватися від зовнішньої частини, і тоді в крапельці утворюється бульбашка.

Дуже висока залишкова напруга призводить до появи незвичайних якостей, наприклад, таких, як здатність витримувати удар молотком по головній частині краплі принца Руперта, не порушуючи її цілісність.

А ось якщо трохи пошкодити хвостик, то крапля руйнується з величезною швидкістю. Руйнування відбувається зі швидкістю 1658 метрів за секунду, що становить приблизно 5968,8 кілометрів на годину.

4.5 (90%) 2 votes

Сьогодні знайшов для вас дещо нове та цікаве, хоча можливо це нове лише для мене, але вже цікавим виявиться для всіх — краплі принца Руперта. Давайте розберемося, що це за краплі і чим вони цікаві.

Що таке краплі принца Руперта

Краплі принца Руперта – це скляні краплі з тонким хвостиком, які вийшли в результаті приміщення у воду розплавленого скла. А цікаве в них те, що їх практично неможливо роздавити, розтоптати, розбити або знищити будь-яким іншим доступним людям способом, однак це стосується тільки самої краплі, але в неї є і тонкий хвостик, в якому і ховається вразливість здавалося б неруйнівною речі, причому якщо її зламати, то відбувається справжнісінький скляний вибух. Дивіться самі як краплю принца Руперта безуспішно намагаються роздавити гідравлічним пресом:

і як вона легко вибухає при пошкодженні тонкого кінчика:

Що цікавий ефект?

Давайте розберемося, як виходить такий цікавий результат? Для цього треба зрозуміти, як виходять краплі принца Руперта.

Краплі принца Руперта

Для того, щоб зробити краплі принца Руперта, необхідно розплавлене скло помістити у воду. При попаданні розплавленого скла в холодну воду відбувається процес його дуже швидкого застигання з одночасним накопиченням величезної внутрішньої напруги. Причому остигання відбувається хоч швидко, але не миттєво тому, коли поверхневий шар вже охолонув, затвердів і зменшився в обсязі, внутрішня частина краплі, назвемо її умовно ядро, все ще знаходиться в рідкому та розплавленому стані.

Далі починає остигати і стискатися ядро, але стискатися йому заважають міжмолекулярні зв'язки із зовнішнім вже твердим шаром, у результаті після остигання ядро ​​займає обсяг більший, ніж якби воно охолоджувалося у вільному вигляді.

Через це на межі зовнішнього шару та ядра діють сили з протилежним напрямком, які тягнуть зовнішній слів усередину, а ядро ​​назовні і створюють відповідно напругу стиснення для зовнішнього шару та напругу розтягування для внутрішнього ядра. У результаті ми маємо величезну внутрішню напругу, яка робить краплю дуже міцною, але в той же час будь-яке пошкодження зовнішнього шару призводить до порушення структури і скляного вибуху, ну а найтонше місце це хвостик, саме через нього і можна зруйнувати зовнішній шар для того щоб вийшов такий гарний вибух як на відео вище або на фото нижче:

А це відео для тих, кому легше сприймати відеоінформацію, ніж читати багато літер:

Коли і де знайшли краплі принца Руперта

Краплі принца Руперта були вперше відкриті в Німеччині в 1625 році, проте як часто буває думка, що їх відкрили голландці, а може так красивіше звучало, адже все закордонне викликає більше цікавості, в цей час не змінюються, звідси пішла друга назва для цих крапель. - Голландські сльози.

До чого ж тут принц Руперт запитає читач? Справа в тому, що принц Руперт, британський герцог був тією людиною, яка привезла ці краплі в Англію і піднесла їх англійському монарху Карлу II. Королеві дуже сподобалися цікаві скляні краплі, і він віддав їх на вивчення Британському Королівському Науковому Суспільству. На честь цих подій цікаві краплі і стали називати краплі принца Руперта, причому назва ця чудово збереглася до наших днів. Ось він яскравий приклад того, як можна увійти в історію, просто подарувавши цікаву річ потрібній людині.

Цікаво, що спосіб виготовлення голландських сліз довгий час тримали в секреті, водночас продаючи їх як цікаві іграшки на ярмарках та ринках.

Вважав, що пишуть про принца Руперта. Біографія його досить цікава, він був замішаний у великій кількості історичних подій, але це скоріше тема для окремого посту.

Коли закінчував піст знайшов цікаве і відповідне на тему відео, в якому весь процес показаний від початку і док кінця - від створення краплі принца Руперта, до скляного вибуху:

Ось тепер тема краплі принца Руперта повністю розкрита і можна спокійно в компанії блиснути цим знанням або зробити подібні краплі (тільки обережно). На цьому сьогодні все, до нових зустрічей!

Батавські сльози або болонські склянки, а також краплі принца Руперта - це застиглі краплі загартованого скла, що мають надзвичайно міцні властивості. В Англію їх привіз принц Руперт Пфальцскій у середині XVII століття. Тоді ж вони привернули пильну увагу вчених.

17095 1 4 18

Швидше за все, подібні скляні краплі були відомі склодувам з незапам'ятних часів, проте увагу вчених вони привернули досить пізно: десь у середині XVII століття. З'явилися вони в Європі (за різними джерелами, у Голландії, Данії чи Німеччині). Технологія виготовлення «слізок» трималася в секреті, але насправді виявилася дуже простою.

Якщо капнути розплавленим склом у холодну воду, виходить крапля у формі пуголовка, з довгим вигнутим хвостом. При цьому крапля має виняткову міцність: по її «голові» можна бити молотком, і вона не розіб'ється. Але якщо надломити хвостик, крапля миттєво розлітається на дрібні уламки.

На кадрах, зареєстрованих за допомогою високошвидкісної зйомки, видно, що фронт «вибуху» рухається по краплині з великою швидкістю: 1,2 км/с, що майже в 4 рази вище за швидкість звуку.

В результаті різкого охолодження, скляна крапля зазнає сильної внутрішньої напруги, що і викликає такі дивні властивості. Зовнішній шар краплі охолоджується так швидко, що структура скла не встигає перебудуватись. Серцевина виявляється розтягнута, а зовнішній шар – стиснутий. Аналогічним чином одержують загартоване скло - однак у нього немає того хвостика, за який можна так легко зламати оболонку.