Капля руперт что это
Если вы разобьете обычный стакан или стеклянную вазу, пол комнаты будет усеян кусками острого стекла, при сборе которого легко пораниться. Но если по каким-либо причинам лопнуло или разбилось одно из стекол вашей машины, оно разлетится на тысячи мелких скругленных осколков, которые не причинят вам такого вреда, как обычное стекло. Современный человек понимает, что все дело здесь в особой технологии изготовления автомобильных стекол. Современная наука ежедневно делает столько открытий, что мы особо ничему уже не удивляемся. Но дело в том, что открытие, на котором основана уникальность машинных стекол, сделана в первой трети XVII (!) века.
«Батавские слезки»
В 1625 году кузен короля Карла II, принц Руперт, очень образованный для своего времени человек – привез монарху каплю стекла, изготовленную голландскими умельцами. Выглядела она как обычная стеклянная капля, но с хвостиком. Ее уникальность заключалась в особой прочности: чем бы ни пытались разбить каплю, это было бесполезно. Новая уникальная вещица быстро получила название «капли Руперта», хотя в самой Голландии ее называли «батавские слезки» – от Батавия (латинское название Нидерландов). На протяжении длительного времени секрет изготовления этих капель содержался в большом секрете. Их продавали в основном в качестве забавных игрушек. Но и те, кто изобрел такой способ изготовления капель, вряд ли сами могли объяснить, по какой причине они имеют такую прочность. Правда, один из членов Королевского научного общества, существовавшего при Карле II, Роберт Гук, который отвечал за проведение эксперимента, уже тогда высказал очень правильное предположение. По его мнению, необычные свойства расплавленная стеклянная капля приобретала в момент погружения в холодную воду.
В чем секрет
Научное обоснование этому чуду было дано лишь три столетия спустя. Ученые Общественного университета исследования естественных наук в США, известного как Университет Пердью и Кембриджского университета в 1944 году провели наблюдения. С помощью высокоскоростной кодирующей съемки они пронаблюдали процесс разрушения капли. Как выяснилось, ее поверхность испытывает очень высокую компрессионную нагрузку, а внутренняя часть стеклянного изделия находится под влиянием сил высокого напряжения. Если проследить процесс образования капли по секундам, то все будет выглядеть следующим образом: стекло, разогретое до 600 градусов по шкале Цельсия, опускают в ледяную воду, где оно начинает мгновенно охлаждаться. Понятно, что вначале воздействию холодной температуры подвергается внешний слой стекла, который, остывая, сжимается. Тем самым он образует своего рода оболочку. В то же время внутренняя часть капли все еще продолжает оставаться жидкой, так как она не подвержена столь резкому перепаду температур и у нее не происходит сжатия. В этот момент между внутренней частью капли и ее оболочкой возникает огромное напряжение, которое является естественной силой сопротивления внешнему давлению, не позволяющей разрушать каплю.
К дальнейшим исследованиям присоединились сотрудники Таллинского технологического университета. Они установили, что разбить каплю можно только в том случае, если создать трещину, способную проникнуть в зону ее внутреннего напряжения. Но сделать это силовым давлением на каплю оказалось очень непростой задачей. Помните сказку про репку? Дед бил, не разбил, баба била, не разбила, мышка бежала, хвостиком задела, яичко упало и разбилось. И здесь ученые установили, что весь секрет прочности капли – в ее хвостике. Достаточно щелкнуть по стеклянному хвостику обычным щелчком, и вся капля распадется на мельчайшие частицы. Все дело в том, что при ударе напрямую по капле, трещины на поверхности разрастаются параллельно поверхности и не могут попасть в зону напряжения. Но если будет нарушен хвостик, трещины моментально попадут в эту зону, высвободят накопленную энергию что и приведет к разрушению всей капли. Ученые даже подсчитали, что при нарушении хвостика батавских слезок разрушительные трещины распространяются со скоростью 6500 километров в час.
Эти свойства капель Руперта сегодня широко используются не только в автомобильной, но и в оптической промышленности, а также при изготовлении экранов смартфонов и во многих других областях.
Взрывающаяся капля принца Руперта
На фото запечатлен момент взрыва стеклянной капли принца Руперта (Prince Rupert’s Drop), 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.
Если посмотреть на капли принца Руперта через скрещенные поляризаторы, то можно наблюдать явление фотоупругости: под действием внутренних механических напряжений в каплях возникает оптическая анизотропия, которая для изотропных тел вроде стекла не характерна. Подробнее про оптическую анизотропию у кристаллов см.: Двойное лучепреломление, «Элементы», 11.05.2016. Рисунок с сайта oberlin.edu
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.
Капля принца Руперта, застывающая в воде. Видно, что наружная оболочка капли застывает гораздо быстрее. Фото с сайта popsci.com
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.
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
Это одно из интересных свойств стекла, которое в народе принято называть « каплями принца Руперта » (также известнее как шары Руперта или голландские слезы)
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 стекло наконец охлаждается, оно сжимается в оболочке уже твердой внешней оболочки. Благодаря такому сжиманию, создается очень сильное сжимающее напряжение на внешней части, тогда как внутренняя часть находится в состоянии растягивающего стресса. В итоге мы имеем что-то в виде закаленного стекла, хотя и не совсем.
Но что же удивительного в капле Принца Руперта? В отличие от обычного стекла, данную каплю нельзя разбить даже очень сильно ударив молотком – по крайне мере если бить по основной части «капли». 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 на ролике выше.
Скорость движения разлома составляет примерно 4 тысячи 200 км в час.
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.
Его отец, Фридрих фон Пфальц, был королем Чехии ровно одну зиму, а всю последующую жизни провел в Голландии. 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.
В 1637 году Руперт участвовал в осаде Бреды, после вместе с братом и отрядом шотландских наемников отправился воевать в Вестфалию, где осенью 1638 года попал в плен. До 1641 года он протомился в заключении, и в это время лорд Арундел, английский посол в Вене, подарил принцу собачку, которая позже обрела громкую славу.
Принц проявил недюжинную энергичность, совмещая административную работу с ведением военных действий на протяжении 1643-44 годов: взял Бристоль, управлял Уэльсом, снял осаду с Йорка. После поражения при Марстон Муре Руперт встал во главе армии роялистов, номинально предводительствуемой принцем Уэльским. Внутренние разногласия и ряд объективных причин привели к поражению при Нейсби, после чего Руперт усомнился в успешном для короля исходе войны и посоветовал Карлу идти на соглашение с парламентом. Это было расценено как злой умысел, в котором король окончательно убедился после того, как принц сдал Бристоль парламентским войскам. Король отправил Руперта в отставку, тот явился в Ньюарк и потребовал судебного разбирательства, в результате которого ему было возвращено честное имя, но не командование. В 1646 году принцы Руперт и Мориц были высланы из Англии уже по приказу парламента.
Руперт был тепло встречен при дворе короля-изгнанника Карла II в Париже, однако любезности таяли пропорционально тому, как выяснялась точная сумма добычи, привезенной им из Вест-Индии. Разочарованный принц провел следующие шесть лет в безвестности, успев рассориться из-за наследства со старшим братом.
После реставрации Карла II в 1660 году Руперт вернулся в Англию и был хорошо принят королем, несмотря на прежние разногласия. Он получил ежегодную пенсию и назначен в Тайный совет в 1662 году, предметом его особой обеспокоенности было состояние военно-морского флота. Руперт также проявил интерес к зарубежным коммерческим предприятиям, став первым губернатором Компании Гудзонова залива в 1670 году. Территория, предоставленная Компании, была названа «Земля Принца Руперта» в его честь. Был он и активным акционером Африканской компании. Вклад Руперта в развитие торговли был отмечен именным камнем, положенным в основание новой Королевской биржи. Принц как адмирал принимал активное участие во Второй и Третьей англо-голландских войнах, сыграв значительную роль в битве при Лоустофте и в победе в день святого Иакова (25 июля 1666). С 1673 года Руперт посвятил себя административной работе в адмиралтействе. Он умер в возрасте 62 лет в 1682 году и с почестями похоронен в Вестминстере.
Капли принца Руперта, или, как их еще называют, батавские слёзки — это не что иное, как обычное стекло, застывшее определенным образом, и поэтому оно имеет уникальные свойства. История появления этих капель уходит в глубину веков, и даже не до конца понятно, кто первым изобрел это чудо: ученые в лаборатории или профессиональные стеклодувы. Капли стекла подобной формы получаются, если стекло остывало не на воздухе, а в холодной воде.
Считается, что они впервые были получены в Батавии (латинское название Нидерландов), поэтому и приобрели название «батавские слёзки».
Способ получения стеклянных капель принца Руперта долгое время был неизвестен широкой публике. Их странные свойства впечатляли людей, многие считали их чем-то мистическим. И даже после того, как секрет их получения был раскрыт, причина их необычной прочности оставалась загадкой. И лишь спустя столетия ученые смогли объяснить, что же происходит внутри этого загадочного кусочка стекла.
Попадая в ледяную воду, разогретое до 600ºС стекло начинает стремительно охлаждаться. Сначала остывает и сжимается внешний слой стекла, образуя своеобразную оболочку. При этом внутренняя жидкая часть капли остывает медленнее, и такого сильного сжатия не происходит, а между ней и оболочкой возникает сильное напряжение. Именно это напряжение и сопротивляется внешнему давлению, не давая удивительной капле треснуть под воздействием пресса или удара. Но стоит отломить длинный «хвост» капли, как волшебство заканчивается: вся капля разлетается вдребезги из-за нарушения целостности оболочки.
Но батавские слёзки — это не просто чудесная демонстрация физических процессов, но и весьма интересное явление, которое нашло применение в промышленности. Закаленное стекло, обладающее повышенной прочностью к ударам, а также значительной термостойкостью, получают аналогичным образом. Обычное стекло в форме листа, разогретое до высоких температур, мгновенно охлаждается воздухом с низкой температурой. Именно такой способ получения и придает ему невероятную прочность.
Капля руперт что это
Все мы знаем, что стекло хрупкое, но в тоже время при специальной обработке может быть и прочнее металла. Но оно никогда не сочетает в себе прочность и хрупкость одновременно. Кроме феномена стеклянной капли Руперта которая может выдержать давление в десятки тонн и попадание пистолетной пули – но одновременно с этим она очень хрупкая.
Видеоверсия, для тех кто предпочитает смотреть\слушать:
Когда они появились?
Вероятнее всего, подобные стеклянные капли были известны стеклодувам с незапамятных времён, однако внимание учёных они привлекли довольно поздно: где-то в середине 17 века, когда Принц Руперт вернулся после долгого изгнания в Англию и привез с собой необычные стеклянные капли, которые преподнес Карлу II. Король передал их для исследований в Лондонское королевское общество, чтобы разгадать их тайну, но ученые так и не нашли ответа. Что же так будоражило всех, кто видел этот стеклянный феномен, и продолжает удивлять до сих пор?
Принц Руперт и Карл II (слева на право):
В 17-м веке, прежде чем появилось название «капли принца Руперта», они были известны как «Батавские слёзки» (Батавия — старое название Нидерландов), потому что впервые они начали массово изготовляться именно там.
Технология изготовления капли принца Руперта чрезвычайно проста: нужно лишь взять ведро холодной воды и капнуть туда расплавленным стеклом. После того, как стекло остынет, получится изделие в виде капельки. Казалось бы, вся эта процедура крайне проста. Тем не менее, «Батавские слёзки» обладают очень интересным свойством.
Пример производства капли Руперта:
Они сочетают в себе парадоксальные, на первый взгляд, качества. Капля Руперта является одновременно невероятно прочной и невероятно хрупкой. «Головка» получившегося головастика на удивление крепкая: ее практически невозможно разбить молотком или другим подручным инструментом, а под гидравлическим прессом она может выдержать десятки тонн, в зависимости от размера. Но если хоть чуть-чуть поцарапать хвостик или надломить его, вся капля взорвется на крохотные осколки.
Капля Руперта vs..38 Smith & Wesson Special:
Чтобы объяснить это явление, исследователи изучили распределение напряжения внутри капли.
Когда капля расплавленного стекла попадает в воду, то её внешний слой охлаждается так быстро, что структура стекла не успевает перестроиться, и соответствующее изменение объёма мало́. Во время остывания внутреннее стекло сильно сжимается, приводя в конечном итоге к огромному накоплению механического напряжения внутри капли.
В результате сердцевина оказывается растянута, а внешний слой — сжат. Иначе говоря, во внутренней части остывшей капли действуют механические напряжения растяжения, а во внешней части — напряжения сжатия.
Посмотрев на каплю через поляризатор, можно «увидеть» все это накопленное напряжение:
Пример с расчётами скорости взрыва капли Руперта:
Спасибо, что уделили время.
P.S. Если, кто-то делал сам капли принца Руперта, будьте добры, расскажите об этом в комментарии или постом
Взрыв батавской слезы
Фронт взрыва движется со скоростью 1,2 км/сек, осколки стекла летят во все стороны как микро-снаряды. Аналогичный процесс происходит и в других закалённых стёклах при их разрушении, даже в автомобильных. Водителей и пассажиров спасает, что из-за другой технологии охлаждения осколки получаются безопасными. Ну, и хвостика, который легко обломить, у автостёкол нет.
Слеза принца Руперта или самое прочное в мире стекло
