Швидка навігація
Краплі принца Руперта (також голландські краплі, батавські сльози, болонські склянки) — це застиглі краплі загартованого скла, які демонструють дві протилежні властивості — вони надзвичайно міцні і надзвичайно крихкі водночас. Якщо капнути розплавлене скло у холодну воду і воно після цього не лопне, виходить крапля у формі пуголовка, з довгим вигнутим “хвостом”. При цьому крапля має виняткову міцність: по її “голові” можна бити молотком, і вона не розіб’ється. Але якщо надломити хвостик, крапля миттєво розлітається на дрібні осколки. Дослід необхідно проводити в захисних окулярах, оскільки скло, що “вибухає”, дуже небезпечне.
Найімовірніше, подібні скляні краплі були відомі склодувам з незапам’ятних часів, проте увагу вчених вони привернули досить пізно: десь у середині XVII століття. З’явилися вони в Європі (за різними джерелами, в Голландії, Данії або Німеччині). В Англію їх привіз принц Руперт Пфальцський. Технологія виготовлення “сліз” трималася в таємниці, але насправді виявилася дуже простою.
Фізичне пояснення
Розплавлене скло при зниженні температури не кристалізується, а переходить у склоподібний стан, тобто атоми скла, що твердне, не встигають зайняти свої “правильні”, такі ж, як у кристалі, місця, а формують структуру, подібну до структури рідини. Важливо відзначити, що характеристики скла в цьому стані – зокрема, об’єм – істотно залежать від швидкості охолодження.
Коли крапля скла, розплавленого за температури 400-600 °C, потрапляє у воду, її зовнішній шар охолоджується так швидко, що структура скла не встигає перебудуватися, і відповідна зміна (зменшення) об’єму є малою. З іншого боку, серцевина краплі остигає повільно, і тому структура скла серцевини змінюється набагато більше, ніж у скла в зовнішньому шарі. Однак об’єм серцевини не може змінитися відповідно до зміни структури, оскільки такій зміні об’єму перешкоджає зовнішній шар. У результаті серцевина виявляється розтягнутою, а зовнішній шар – стисненим. Інакше кажучи, у внутрішній частині краплі, що охолола, діють механічні напруження розтягування, а в зовнішній частині – напруження стиснення. Стиснута оболонка дуже міцна (так само влаштовані, наприклад, нижні частини аерозольних балонів або бетонні тунелі метро), але якщо оболонку зруйнувати, всі напруги вивільняються, і крапля вибухає.
На кадрах, зареєстрованих за допомогою високошвидкісної зйомки, видно, що фронт “вибуху” рухається по краплі з великою швидкістю: 1,2 км/с (для порівняння: швидкість звуку в повітрі 0,34 км/с, швидкість детонації вибухівки – 2-9 км/с). Якщо дослід проводять у темряві, помітна також триболюмінесценція.
У поляризованому світлі видно, що краплина зазнає сильних внутрішніх напружень, що й пояснює такі дивні властивості.
Аналогічним чином отримують загартоване скло – однак у нього немає того хвостика, за який можна зламати оболонку (точніше, такими “хвостиками” є кути з найбільшою кривизною). Якщо оболонку все-таки вдасться зламати (наприклад, вставивши склянку з такого скла в іншу склянку і нагрівши, або вдаривши по торцю листа з такого скла), можливий такий самий “вибух”.
Принаймні з 19-го сторіччя відомо, що об’єкти, схожі на голландські краплі, при певних умовах утворюються у вулканічній лаві. У більш недавні часи дослідники Бристольського університету та Університету Ісландії лабораторно вивчали часточки скла, що утворюються при вибуховому руйнуванні крапель принца Руперта, щоб краще зрозуміти фрагментування магми та утворення вулканічного попелу, спричинених термальним напруженням у діючих вулканах.
Болонська пляшка
Варіацією крапель руперта є болонська пляшка, також відома як болонська склянка або філософський флакон – це скляна пляшка, яка має велику зовнішню міцність, часто використовується в демонстраціях фізики та магічних трюках. Зовнішня поверхня, як правило, досить міцна, щоб можна було забити цвях у дерев’яний брусок, використовуючи пляшку як молоток. Однак, навіть невелика подряпина на внутрішній стороні призведе до того, що вона розсиплеться.
Болонська пляшка створюється шляхом нагрівання скляної пляшки, а потім швидкого охолодження ззовні та повільного охолодження всередині. Це викликає зовнішнє стиснення та внутрішнє напруження, так що навіть подряпини на внутрішній стороні достатньо, щоб розбити пляшку на шматки.