Батавские слёзки
Батавские слёзки[1][2] (в честь Батавии — старого названия Голландии), также болонские склянки, капли принца Руперта (англ. Prince Rupert's drops) — застывшие капли закалённого стекла, обладающие чрезвычайно высокими внутренними механическими напряжениями[3].
История
правитьСкорее всего, подобные стеклянные капли были известны стеклодувам с незапамятных времён, однако внимание учёных они привлекли в середине XVII века[4]. Появились они в Европе (по разным источникам, в Голландии, Дании или Германии). В Англию их привёз принц Руперт Пфальцский. Технология изготовления «слёзок» держалась в секрете, но на поверку оказалась очень простой.
Опыт
правитьЕсли капнуть расплавленным стеклом в холодную воду и стекло после этого не лопнет, а начнёт застывать[5], получается капля в форме головастика, с длинным изогнутым «хвостом». При этом «голова» капли обладает исключительной прочностью, по ней можно бить металлическим молотком в полную силу, и в зависимости от объёма она выдерживает усилие гидравлического пресса до 30 тонн, оставляя вмятину на стали.
Но стоит надломить или просто задеть «хвост» капли, и она мгновенно разлетается на мелкие осколки[2], по направлению от «хвоста» к «голове». По этой причине надламывание желательно проводить под слоем жидкости, и инструментом типа щипцов, так как при этом опыте помимо опасности от самого стекла происходит гидроудар из-за очень резкого расширения поля осколков. На кадрах, зарегистрированных с помощью высокоскоростной съёмки, видно, что фронт «взрыва» движется по капле с большой скоростью: 1,2 км/с (для сравнения: скорость звука в воздухе 0,34 км/с, скорость детонации взрывчатки — 2—9 км/с).
Если опыт проводится в темноте, заметна также триболюминесценция. В поляризованном свете видно, что капля не изотропна, а испытывает сильные внутренние напряжения, что и вызывает такие свойства.
Физическое объяснение
правитьРасплавленное стекло при понижении температуры не кристаллизуется, а переходит в стеклообразное состояние, то есть атомы твердеющего стекла не успевают занять свои «правильные», такие же, как в кристалле, места, а формируют структуру, подобную структуре жидкости. Характеристики стекла в этом состоянии — в частности, объём — существенно зависят от скорости охлаждения расплава[6].
Когда капля стекла, расплавленного при температуре 400—600 °C, попадает в воду, её внешний слой охлаждается так быстро, что структура стекла не успевает перестроиться, и соответствующее изменение (уменьшение) объёма мало́. С другой стороны, сердцевина капли остывает медленно, и потому структура стекла сердцевины изменяется в гораздо большей степени, чем у стекла в наружном слое. Однако объём сердцевины не может измениться соответственно изменению структуры, поскольку такому изменению объёма препятствует внешний слой. 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[7][8]. Сжатая оболочка очень прочна (так же устроены, например, донышки аэрозольных баллонов или бетонные тоннели метро), но если оболочку разрушить, все напряжения высвобождаются, и капля взрывается.
Аналогичным образом получают закалённое стекло — однако у него нет того хвостика, за который можно сломать оболочку (точнее, такими «хвостиками» являются углы с наибольшей кривизной). Если оболочку всё-таки удастся сломать (например, вставив стакан из такого стекла в другой стакан и нагрев, или ударив по торцу листа из такого стекла), возможен такой же «взрыв».
Применение
правитьНесмотря на прочность самой капли, прикладное их применение не задокументировано. Их слабое место — хвост: его очень легко сломать. После надлома хвоста тело капли раскрошится само, поэтому капли почти не имеют прикладной ценности[9].
См. также
правитьПримечания
править- ↑ s:ЭСБЕ/Батавские слезки
- ↑ 1 2 Транковский, 2006.
- ↑ Д. Гиббс. Термодинамические работы. — Рипол Классик, 2013. — С. 268. — 5458504372 с.
- ↑ Beckmann, 1846, с. 241—242.
- ↑ Гидравлический Пресс Против Капель Руперта Продолжение - Youtube. Дата обращения: 16 апреля 2021. Архивировано 16 апреля 2021 года.
- ↑ Шульц М. М., Мазурин О. В. Современное представление о строении стёкол и их свойствах. — Л.: Наука. 1988. — 200 с. — ISBN 5-02-024564-X.
- ↑ Самоцкая В. Взрывающаяся капля принца Руперта Архивная копия от 11 июля 2016 на Wayback Machine
- ↑ Mystery.
- ↑ Парадокс Капли Руперта. Дата обращения: 6 сентября 2023. Архивировано 6 сентября 2023 года.
Литература
править- Транковский .С. Батавские слёзки // Наука и жизнь. — 2006. — № 2.
- Леенсон И. А. Занимательная химия: для 8—11 классов. — Directmedia, 2014. — С. 202—204. — 320 с. — ISBN 5445846229.
- Johann Beckmann. A History of Inventions, Discoveries, and Origins. — H.G. Bohn, 1846. — Vol. 2. — P. 241—245.
Ссылки
править
- Раскрыта загадка стеклянных слез принца Руперта // lenta.ru, 10 мая 2017
- Mystery of Prince Rupert’s Drop at 130,000 fps (видео) (англ.). Дата обращения: 6 июля 2016.
- Prince Rupert's Drop (англ.). Corning Museum of Glass. Дата обращения: 6 июля 2016.
- Интересное свойство капли принца Руперта. Дата обращения: 6 июля 2016.
- Bullet vs Prince Rupert's Drop at 150,000 fps (видео) (англ.). Дата обращения: 29 декабря 2016.