Странные свойства слёз принца Руперта (1 фото + 1 видео + 5 гиф)
В середине 17 века принц Руперт Пфальцский привез в Англию из континентальной Европы странные стеклянные капли, которые преподнес в подарок королю Карлу 2. Эти капли имели хвостик и обладали необычайной прочностью. Назвали предметы в честь привезшего их дворянина слезами (каплями) принца Руперта.
Однако эти стекляшки были, видимо, известны задолго до их ввоза в Англию. Есть сведения, что впервые их изобрел неизвестный стеклодув из Батавии (латинское название Нидерландов) в 1625 году. По другим источникам они впервые появились в Германии или Дании. Благодаря столь различным вариантам создания и наименований у стеклянных капель имеется еще несколько — батавские слёзки, болонские склянки, прусские слезки.
Интерес ученых к этим искусственным образованиям проснулся в средине 17 века, после того как Карл II поручил своим академикам провести исследование подарка.
Выяснилось, что слёзы Руперта можно сжимать со страшной силой, бить по ним молотком, можно даже в них выстрелить, но разрушить все равно не удастся. Зато хвостик этой капли обламывался легко, после чего сам объект буквально взрывался. Женщина-ученый Маргарет Кавендиш даже предположила, что внутри капли находится некое специфическое вещество, которое взрывается при взаимодействии с воздухом.
Затем за дело исследования капель Руперта взялся самый известный противник Ньютона и один из основоположников теории упругости Роберт Гук. Команде ученого удалось установить главное, подобные странные свойства капель обусловлены неравномерным охлаждением стекла. Правда настоящее физическое обоснование свойств было приведено только в последнее десятилетие прошлого века.
Долгое время секрет получения слез Руперта держался в строгом секрете. Это было неудивительно, ведь их с удовольствием покупали на сувениры. На поверку все оказалось до боли просто — батавские слезки образовываются если расплавленным стеклом капнуть в холодную воду.
Физическое обоснование тоже не очень сложное. Первым делом, следует отметить, что стекло не является настоящим твердым телом, имеющим фиксированную температуру плавления. Больше чем на твердое тело структура стекла похожа на чрезвычайно вязкую жидкость, ибо жидкостью по сути и является. У твердых тел каждый атом вещества занимает строго установленное место в кристаллической решетке, и так происходит по всему объему тела, в физике подобное называется дальним порядком. А вот в аморфных веществах и жидкостях имеется только ближний порядок — некая кристаллическая решетка может прослеживаться только в микрокластерах, по мере удаления от такого кластера упорядоченность размещения атомов в узлах решетки исчезает. Для стекла характерен именно ближний порядок, а его объем весьма зависит от скорости охлаждения.
При падении капли расплавленного стекла в холодную воду, ее внешний слой начинает быстро отвердевать, при этом структура внешнего слоя не успевает сильно измениться. А вот внутренность капли охлаждается медленно и успевает значительно изменить свою структуру. Внешний слой стекла успевает при охлаждении уменьшиться, А вот внутренность уменьшиться вследствие относительно медленного охлаждения поначалу не успевает, а затем ему начинают препятствовать межмолекулярные связи с внешним слоем.
В результате внутренний слой вынужден занимать больший объем, нежели ему предписано нормальным природным охлаждением. В капле руперта возникают сильные напряжения, причем внутри это напряжение растяжения, а во внешнем слое напряжение сжатия. Люди подобный эффект применяют для аэрозольных баллончиков, поскольку поверхность испытывающая напряжение сжатия обладает чрезвычайной прочностью.
Однако, если оболочку находящуюся под напряжением сжатия разрушить (в нашем случае сломать хвостик слезы Руперта), то все напряжения практически мгновенно высвобождаются, а сама капля взрывается.