Капли принца Руперта (также известные как голландские слезы или батавские слезы ) [1] [ 2] представляют собой закаленные стеклянные шарики, созданные путем капания расплавленного стекла в холодную воду, что приводит к его затвердеванию в форме головастика с длинным тонким хвостом. Эти капли характеризуются внутренним очень высоким остаточным напряжением , которое приводит к появлению противоречащих интуиции свойств, таких как способность выдерживать удар молотка или пули по выпуклому концу без разрушения, при этом демонстрируя взрывной распад, если хвостовой конец даже слегка поврежден. В природе подобные структуры образуются при определенных условиях в вулканической лаве и известны как слезы Пеле .
Капли названы в честь принца Руперта Рейнского , который привез их в Англию в 1660 году, хотя, как сообщается, они производились в Нидерландах ранее в 17 веке и, вероятно, были известны стеклодувам гораздо раньше. Они изучались как научные диковинки Королевским обществом , и разгадка принципов их необычных свойств, вероятно, привела к разработке процесса производства закаленного стекла, запатентованного в 1874 году. Исследования, проведенные в 20 и 21 веках, пролили дополнительный свет на причины противоречивых свойств капель.
Капли принца Руперта получаются путем сбрасывания расплавленных стеклянных капель в холодную воду. Стекло быстро охлаждается и затвердевает в воде снаружи внутрь. Это термическое охлаждение можно описать с помощью упрощенной модели быстро охлаждаемой сферы. [3] Капли принца Руперта остаются научной диковинкой на протяжении почти 400 лет из-за двух необычных механических свойств: [4] когда хвостик обрезается, капля взрывается и превращается в порошок, тогда как выпуклая головка может выдерживать сжимающие силы до 664 300 ньютонов (67 740 кгс ) .
Взрывной распад возникает из-за множественных событий бифуркации трещин при разрезании хвоста – одна трещина ускоряется в поле остаточного напряжения растяжения в центре хвоста и раздваивается после того, как достигает критической скорости 1450–1900 метров в секунду (3200–4300 миль в час). [5] [6] Учитывая эти высокие скорости, процесс распада из-за бифуркации трещин можно вывести, только заглянув в хвост и используя высокоскоростные методы визуализации. Возможно, поэтому это любопытное свойство капель оставалось необъясненным на протяжении столетий. [7]
Второе необычное свойство капель, а именно прочность головок, является прямым следствием больших остаточных напряжений сжатия — 700 мегапаскалей (100 000 фунтов на квадратный дюйм) — существуют вблизи внешней поверхности головки. [2] Это распределение напряжений измеряется с использованием естественного свойства стекла — двупреломления, вызванного напряжением , и с использованием методов трехмерной фотоупругости . Высокая вязкость разрушения из-за остаточных напряжений сжатия делает капли принца Руперта одним из самых ранних примеров закаленного стекла.
Было высказано предположение, что методы изготовления капель были известны стеклодувам еще со времен Римской империи . [8]
Иногда приписываемые голландскому изобретателю Корнелису Дреббелю , капли часто упоминались в современных источниках как lacrymae Borussicae (прусские слезы) или lacrymae Batavicae (голландские слезы). [9]
Подтвержденные сведения о каплях из Мекленбурга в Северной Германии появляются уже в 1625 году. [10] Секрет их изготовления некоторое время сохранялся в районе Мекленбурга, хотя оттуда капли распространялись по всей Европе, продаваясь в качестве игрушек или диковинок.
Голландский ученый Константин Гюйгенс попросил Маргарет Кавендиш, герцогиню Ньюкасл , исследовать свойства капель; после проведения экспериментов она пришла к выводу, что внутри было захвачено небольшое количество летучей жидкости. [11]
Хотя принц Руперт не открыл капли, он сыграл роль в их истории, привезя их в Британию в 1660 году. Он передал их королю Карлу II , который, в свою очередь, передал их в 1661 году Королевскому обществу (которое было создано годом ранее) для научного изучения. Несколько ранних публикаций Королевского общества содержат отчеты о каплях и описывают проведенные эксперименты. [12] Среди этих публикаций была «Микрография» 1665 года Роберта Гука , который позже откроет закон Гука . [4] Его публикация правильно изложила большую часть того, что можно сказать о каплях принца Руперта без более полного понимания, чем существовало в то время, эластичности (в которую позже внес свой вклад сам Гук) и разрушения хрупких материалов из-за распространения трещин. Более полное понимание распространения трещин пришлось ждать до работы А. А. Гриффита в 1920 году. [13]
В 1994 году Шринивасан Чандрасекар, профессор инженерии в Университете Пердью , и Мунавар Чаудхри, руководитель группы материалов в Кембриджском университете , использовали высокоскоростную покадровую фотосъемку для наблюдения за процессом разрушения капли и пришли к выводу, что в то время как поверхность капли испытывает высокие сжимающие напряжения, внутренняя часть испытывает высокие силы растяжения, создавая состояние неравного равновесия, которое можно легко нарушить, сломав хвост. Однако это оставило вопрос о том, как напряжения распределяются по всей капле принца Руперта.
В дальнейшем исследовании, опубликованном в 2017 году, команда сотрудничала с Хилларом Абеном, профессором Таллиннского технического университета в Эстонии, используя трансмиссионный полярископ для измерения оптического замедления света от красного светодиода при его прохождении через стеклянную каплю, и использовала данные для построения распределения напряжений по всей капле. Это показало, что головки капель имеют гораздо более высокое поверхностное сжимающее напряжение, чем считалось ранее, до 700 мегапаскалей (100 000 фунтов на квадратный дюйм), но что этот поверхностный сжимающий слой также тонкий, всего около 10% от диаметра головки капли. Это придает поверхности высокую прочность на излом, что означает, что необходимо создать трещину, которая входит во внутреннюю зону растяжения, чтобы разорвать каплю. Поскольку трещины на поверхности имеют тенденцию расти параллельно поверхности, они не могут войти в зону растяжения, но нарушение в хвосте позволяет трещинам войти в зону растяжения. [14]
Научный отчет о ранней истории капель принца Руперта приведен в « Записях и записях» Лондонского королевского общества, где была проведена большая часть ранних научных исследований капель. [8]
Процесс производства закаленного стекла путем закалки, вероятно, был вдохновлен изучением капель, поскольку он был запатентован в Англии парижанином Франсуа Бартелеми Альфредом Руайе де ла Басти в 1874 году, всего через год после того, как В. Де Люин опубликовал отчеты о своих экспериментах с ними. [8]
Известно, что образования, похожие на капли принца Руперта, образуются при определенных условиях в вулканической лаве . [15] Совсем недавно исследователи из Университета Бристоля и Университета Исландии изучили частицы стекла, полученные в результате взрывной фрагментации капель принца Руперта в лабораторных условиях, чтобы лучше понять фрагментацию магмы и образование пепла , вызванные накопленными термическими напряжениями в активных вулканах. [16]
Из-за их использования в качестве праздничного элемента, капли принца Руперта стали широко известны в конце 17 века — гораздо больше, чем сегодня. Можно увидеть, что образованные люди (или те, кто был в «обществе») должны были быть знакомы с ними, судя по их использованию в литературе того времени. Сэмюэл Батлер использовал их в качестве метафоры в своей поэме Hudibras в 1663 году, [17] [18] и Пипс упоминает их в своем дневнике. [19]
Капли были увековечены в стихе анонимной «Баллады колледжа Грешем» (1663):
И то, что заставляет их славу звучать громче,
С большим беспокойством они показали королю,
Чтобы превратить стеклянные пуговицы в порошок,
Если с их хлыстов вы только свернете их.
Как это было сделано такой малой силой,
Стоило колледжу месяца рассуждений. [20]
Дневник Джорджа Темплтона Стронга (том 4, стр. 122) описывал опасный внезапный обрыв льда, по которому могли передвигаться пешеходы, на Ист-Ривер в Нью-Йорке зимой 1867 года: «Лед мгновенно раскололся на куски, словно капля принца Руперта».
В романе Альфреда Жарри 1902 года « Сверхсамец» капли упоминаются в качестве аналогии с каплями расплавленного стекла, падающими из вышедшего из строя устройства, предназначенного для пропускания одиннадцати тысяч вольт электричества через тело сверхсамца.
Зигмунд Фрейд , обсуждая роспуск военных групп в работе «Психология масс и анализ человеческого Я» (1921), отмечает панику, возникающую в результате потери лидера: «Группа исчезает в пыли, как капля принца Руперта, у которой отламывают хвост».
В романе Э. Р. Эддисона 1935 года «Любовница любовниц» в последней главе упоминаются капли Руперта, поскольку Фиоринда запускает целый ряд таких капель.
В детективном романе 1940 года « И пришел туман, и снег» Майкла Иннеса ( Джим Стюарт ) один из персонажей ошибочно называет их «каплями Вероны»; ошибка исправлена ближе к концу романа детективом сэром Джоном Эпплби .
В своей новелле 1943 года «Заклинание жены » Фриц Лейбер использует капли принца Руперта как метафору для описания неустойчивости личностей нескольких персонажей. Эти преподаватели колледжа из маленького городка кажутся спокойными и непроницаемыми, но «взрываются» от одного «щелчка нити».
Питер Кэри посвящает каплям главу в своем романе 1988 года «Оскар и Люсинда» .
Сюита, давшая название третьему студийному альбому Lizard прогрессивной рок- группы King Crimson , вышедшему в 1970 году , включает в себя обе части, отсылающие к вымышленной версии принца Руперта, а также расширенный раздел под названием «Битва стеклянных слез».
