Капля принца Руперта: почему обычное стекло выдерживает удар молотком

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.