Парадокс капли принца Руперта

Капля принца Руперта — стеклянный артефакт, обладающий двумя противоположными друг другу свойствами: он чрезвычайно прочный и чрезвычайно хрупкий одновременно.

Капля похожа на головастика с луковицеобразной головкой и длинным, тонким хвостом. Головка настолько прочная, что способна выдержать удар молотка, а пули, выпущенные в неё в упор, разрушаются при ударе — да, именно пули, а не стекло. Тем не менее, если вы щёлкните пальцем по хвосту капли, это превратит всю каплю, включая прочную стеклянную головку, в порошок.

Капли принца Руперта (также известные как «батавские слёзки» и «болонские склянки») образуются путём попадания жидкого стекла в холодную воду, в результате чего внешняя поверхность капли затвердевает немедленно, а стекло внутри неё по-прежнему остаётся расплавленным. Охлаждённый внешний слой пытается сократиться, в то время как расплавленный внутренний слой пытается расшириться. В процессе кристаллизации противоположные силы, действующие на головку капли, делают её необычайно прочной и хрупкой одновременно. Она похожа на каменную арку — конструкция находится под чрезвычайным напряжением, которое является именно тем, что не позволяет ей развалиться на части. Но если вы уберёте краеугольный камень, арка рухнет.

Капли принца Руперта впервые были обнаружены в Германии в 1640-х годах. Первоначально они были созданы стеклоделами из Мекленбурга (Северная Германия) и продавались в качестве игрушек и диковинок по всей Европе, где их называли по-разному: например, «прусскими слёзками» или «голландскими слёзками». Стеклоделы тщательно охраняли свой секрет, что привело к возникновению целого ряда теорий относительно того, как производились капли.

Учёный-любитель из Англии, герцогиня Маргарет Кавендиш, после нескольких недель экспериментов с десятками образцов в своей лаборатории, пришла к выводу, что в головку капли вводили небольшое количество летучего материала, который бурно реагировал на контакт с воздухом.

В 1660 году принц Руперт Пфальцский, герцог Камберлендский и один из основателей Королевского общества, привёз с собой несколько стеклянных капель, чтобы продемонстрировать их учёным и королю Карлу II. Как вы, наверное, уже догадались, они были названы в его честь.

Роберт Гук, который отвечал за проведение экспериментов перед членами общества, сделал важный прорыв, предположив, что именно охлаждение стекла после погружения в воду вызывало странное свойство капель, хотя более полное понимание механики стало доступным лишь спустя три столетия.

Лишь в 1994 году учёные из Университета Пердью и Кембриджского университета, используя высокоскоростную кадрирующую съёмку, чтобы пронаблюдать процесс разрушения капли, пришли к выводу, что поверхность каждой капли испытывает высокую компрессионную нагрузку, в то время как внутренняя часть находится под влиянием сил высокого напряжения — в состоянии неравномерного равновесия, которое можно легко нарушить, сломав хвост. Эксперименты показывают, что луковичная головка способна выдержать силу сжатия до 7000 килограмм на сантиметр квадратный. Также было подсчитано, что разрушительные трещины распространяются по хвосту и головке с поразительной скоростью — 6500 километров в час.

В дальнейшем, сотрудничая с Таллинским технологическим университетом в Эстонии, исследователи обнаружили, что для того чтобы разбить каплю, нужно создать трещину, способную проникнуть в зону её внутреннего напряжения. Наружный компрессионный слой очень тонкий: он составляет всего около 10 процентов диаметра головки капли, однако обладает невероятно высокой прочностью. Поскольку трещины на поверхности, как правило, разрастаются параллельно поверхности, они не могут попасть в зону напряжения. Но если хвост треснет, трещины попадут в зону напряжения и высвободят всю накопленную энергию, заставив каплю разрушиться.

Закалённое стекло, которое, как правило, используют при производстве автомобилей и мобильных телефонов, делают по такому же принципу. Его быстро охлаждают в расплавленном виде при помощи холодного воздуха, создавая внутреннее напряжение, которое позволяет поверхности оставаться сжатой всё время. Сжатие предотвращает разрастание трещин, но когда стекло окончательно разбивается, оно рассыпается на тысячи мелких кусочков. Вот почему лобовые стёкла автомобилей при ударе разбиваются на мелкие кусочки, однако они покрыты специальным слоем клея, который предотвращает попадание частиц в салон автомобиля и нанесение травм пассажирам.

«Растягивающее напряжение — это то, что обычно приводит к разрушению материалов способом, аналогичным разрыву листа бумаги пополам, — говорит Коушик Вишванатан из Университета Пердью. — Но если вы измените растягивающее напряжение на сжимающее, тогда вы затрудните разрастание трещин, и это именно то, что происходит в головке капли принца Руперта».

Специально для читателей моего блога Muz4in.Net