Капля принца Руперта

Капли принца Руперта (также известные как голландские слезы или батавские слезы ) ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Это закаленные стеклянные бусины, созданные путем капания расплавленного стекла в холодную воду, в результате чего оно затвердевает в головастика в форме каплю с длинным тонким хвостом. Эти капли характеризуются внутри очень высокими остаточными напряжениями , которые приводят к нелогичным свойствам, таким как способность выдерживать удар молотка или пули по выпуклому концу, не разрушаясь, 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 дольше. Они изучались Королевским обществом как научные диковинки , и раскрытие принципов их необычных свойств, вероятно, привело к разработке процесса производства закаленного стекла, запатентованного в 1874 году. Исследования, проведенные в 20-м и 21-м веках, пролили дальнейшее развитие. пролить свет на причины противоречивых свойств капель.

Описание

Фигура, описывающая каплю принца Руперта, из *«Счета о стеклянных каплях* » (1661) сэра Роберта Морея .

Капли принца Руперта изготавливаются путем помещения капель расплавленного стекла в холодную воду. Стекло быстро остывает и затвердевает в воде снаружи внутрь. Это термическое тушение можно описать с помощью упрощенной модели быстроохлаждаемой сферы. ^{[ 3 ]} Капли принца Руперта вот уже почти 400 лет остаются научной диковинкой из-за двух необычных механических свойств: ^{[ 4 ]} когда хвост отрезан, капля взрывом распадается на порошок, тогда как выпуклая головка может выдерживать сжимающие усилия до 664 300 ньютонов (67 740 кгс ₎ .

Взрывной распад возникает из-за множественных событий бифуркации трещин при разрезании хвоста – одиночная трещина ускоряется в поле растягивающих остаточных напряжений в центре хвоста и раздваивается после достижения критической скорости 1450–1900 метров в секунду (3200 –4300 миль в час). ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Учитывая такие высокие скорости, процесс распада из-за раздвоения трещины можно предположить только путем изучения хвоста и использования методов высокоскоростной визуализации. Возможно, поэтому это любопытное свойство капель оставалось необъяснимым на протяжении веков. ^{[ 7 ]}

Второе необычное свойство капель, а именно прочность головок, является прямым следствием больших сжимающих остаточных напряжений ⁠ ‍ — ‍ до ‍ — ^{[ 2 ]} Это распределение напряжений измеряется с использованием естественного свойства стекла - двойного лучепреломления, вызванного напряжением , и с использованием методов трехмерной фотоупругости . Высокая вязкость разрушения из-за остаточных сжимающих напряжений делает капли принца Руперта одним из самых ранних примеров закаленного стекла.

История

Высказано предположение, что способы изготовления капель были известны стеклоделам еще со времен Римской империи . ^{[ 8 ]}

Иногда приписываемые голландскому изобретателю Корнелису Дреббелю , в современных отчетах капли часто называли lacrymae Borussicae (прусские слезы) или lacrymae Batavicae (голландские слезы). ^{[ 9 ]}

Поддающиеся проверке сведения о каплях из Мекленбурга в Северной Германии появляются еще в 1625 году. ^{[ 10 ]} Секрет их изготовления некоторое время оставался в районе Мекленбурга, хотя оттуда капли распространялись по всей Европе для продажи в качестве игрушек или диковин.

Голландский ученый Константин Гюйгенс попросил Маргарет Кавендиш, герцогиню Ньюкаслскую, исследовать свойства капель; по ее мнению после проведения экспериментов, внутри оказалось небольшое количество летучей жидкости. ^{[ 11 ]}

Хотя принц Руперт не обнаружил капель, он сыграл роль в их истории, привезя их в Британию в 1660 году. Он подарил их королю Карлу II , который, в свою очередь, передал их в 1661 году Королевскому обществу (которое было создано накануне). год) для научного изучения. В нескольких ранних публикациях Королевского общества рассказывается о каплях и описываются проведенные эксперименты. ^{[ 12 ]} Среди этих публикаций была «Микрография» 1665 года Роберта Гука , который позже открыл закон Гука . ^{[ 4 ]} В его публикации правильно изложено большинство того, что можно сказать о каплях принца Руперта, но 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 отложить до работы А. А. Гриффита в 1920 году. ^{[ 13 ]}

Шринивасан Чандрасекар объясняет физику капель принца Руперта

В 1994 году Шринивасан Чандрасекар, профессор инженерного дела в Университете Пердью , и Мунавар Чаудри, руководитель группы материалов в Кембриджском университете , использовали высокоскоростную кадрирующую фотографию, чтобы наблюдать процесс разбивания капель, и пришли к выводу, что, хотя поверхность капель испытывает сильные сжимающие напряжения, внутренняя часть испытывает высокие силы растяжения, создавая состояние неравновесия, которое легко нарушить, сломав хвост. Однако остается вопрос о том, как напряжения распределяются по падению принца Руперта.

В дальнейшем исследовании, опубликованном в 2017 году, команда в сотрудничестве с Хилларом Абеном, профессором Таллиннского технологического университета в Эстонии, использовала трансмиссионный полярископ для измерения оптического замедления света красного светодиода при его прохождении через стеклянную каплю. данные для построения распределения напряжений по всему падению. 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 этот поверхностный сжимающий слой также тонкий, всего около 10% диаметра головки капли. уронить. Это придает поверхности высокую прочность на излом, а это означает, что необходимо создать трещину, которая входит во внутреннюю зону растяжения, чтобы разбить каплю. Поскольку трещины на поверхности имеют тенденцию расти параллельно поверхности, они не могут войти в зону растяжения, но нарушение хвоста позволяет трещинам войти в зону растяжения. ^{[ 14 ]}

Научное описание ранней истории капель принца Руперта представлено в « Записках и записях Лондонского королевского общества» , где была проведена большая часть ранних научных исследований капель. ^{[ 8 ]}

Научное использование

Процесс производства закаленного стекла путем закалки, вероятно, был вдохновлен изучением капель, поскольку он был запатентован в Англии парижанином Франсуа Бартелеми Альфредом Ройером де ла Басти в 1874 году, всего через год после того, как В. Де Люин опубликовал отчеты. своих экспериментов с ними. ^{[ 8 ]}

По крайней мере, с 19 века было известно, что образования, подобные каплям принца Руперта, образуются при определенных условиях в вулканической лаве . ^{[ 15 ]} Совсем недавно исследователи из Бристольского университета и Университета Исландии изучили в лаборатории частицы стекла, образовавшиеся в результате взрывной фрагментации капель принца Руперта, чтобы лучше понять фрагментацию магмы и образование пепла , вызванные накопленными тепловыми напряжениями в действующих вулканах. ^{[ 16 ]}

Литературные ссылки

Благодаря использованию в качестве украшения для вечеринок капли принца Руперта стали широко известны в конце 17 века — гораздо больше, чем сегодня. Видно, что образованные люди (или представители «общества») должны были быть с ними знакомы, судя по их использованию в литературе того времени. Сэмюэл Батлер использовал их как метафору в своем стихотворении «Худибрас» в 1663 году. ^{[ 17 ]}^{[ 18 ]} и Пепис упоминает о них в своем дневнике. ^{[ 19 ]}

Капли были увековечены в стихах анонимной Баллады о Грешем-колледже (1663 г.):

И то, что заставляет их Славу звучать громче,
С большим трепетом они показали королю
Чтобы стеклянные пуговицы превратились в порошок,
Если от [м] их хвостов вам останется только выкрутиться.
Как это было сделано такой маленькой Силой
Это стоило Колледжу месячного выступления. ^{[ 20 ]}

Автор дневника Джордж Темплтон Стронг писал (том 4, стр. 122) об опасном внезапном разрушении льда, по которому ходили пешеходы, в Ист-Ривер в Нью-Йорке зимой 1867 года: «Лед разлетелся на фрагменты одновременно, как капля принца Руперта. ."

В романе Альфреда Джарри 1902 года «Супермужчина» капли используются по аналогии с каплями расплавленного стекла, падающими из вышедшего из строя устройства, предназначенного для передачи одиннадцати тысяч вольт электричества через тело супермужчины.

Зигмунд Фрейд , обсуждая роспуск военных групп в «Групповой психологии и анализе эго» (1921), отмечает панику, возникающую в результате потери лидера: «Группа исчезает в пыли, как капля принца Руперта, когда ее хвост падает». прервано».

В романе Э. Р. Эддисона 1935 года «Хозяйка любовниц» в последней главе упоминаются капли Руперта, поскольку Фиоринда запускает целый набор из них.

В детективном романе ) 1940 года «Пришел и туман, и снег Майкла Иннеса ( ДЖИМ Стюарт » персонаж неправильно называет их «каплями Вероны»; ошибка исправлена ближе к концу романа детективом сэром Джоном Эпплби .

В своей новелле 1943 года « Заклятие жены » Фриц Лейбер использует капли принца Руперта как метафору непостоянства личностей некоторых персонажей. Эти преподаватели колледжей из маленького городка кажутся спокойными и непроницаемыми, но «взрываются» от простого «щелчка нити».

Питер Кэри посвятил каплям главу в своем романе 1988 года «Оскар и Люсинда» .

Сюита, дающая название третьему студийному альбому прогрессив-рок- группы King Crimson 1970 года Lizard, включает в себя обе части, относящиеся к художественной версии принца Руперта, а также расширенный раздел под названием «The Battle of Glass Tears».

См. также

Ссылки

^ Гиймен, Амеде (1873). Силы природы: популярное введение в изучение физических явлений . Макмиллан и Ко. с. 435 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Абен, Х.; Антон, Дж.; Ыис, М.; Вишванатан, К.; Чандрасекар, С.; Чаудри, ММ (2016). «О необычайной силе капель принца Руперта». Прил. Физ. Летт. 109 (23): 231903. Бибкод : 2016ApPhL.109w1903A . дои : 10.1063/1.4971339 .
^ Нараянасвами, ОС; Гардон, Роберт (1998). «Закалка стеклянных сфер и смежные темы» . Стекольная наука и технология . 71 : 120–128. Архивировано из оригинала 28 июля 2017 г. Проверено 9 мая 2017 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Роберт Гук , Микрография или некоторые физиологические описания мельчайших тел, сделанных с помощью увеличительных очков с наблюдением и последующими исследованиями (Лондон, 1665 г.), «Наблюдение vii некоторых явлений стеклянных капель», Архивировано 7 ноября 2016 г. в Wayback Machine , стр. 33–44.
^ Чандрасекар, С; Чаудри, ММ (1994). «Взрывной распад капель принца Руперта». Философский журнал Б. 70 (6): 1195–1218. Бибкод : 1994PMagB..70.1195C . дои : 10.1080/01418639408240284 .
^ Чаудри, ММ (1998). «Раздвоение трещины в распадающихся каплях принца Руперта». Письма философского журнала . 78 (2): 153–158. Бибкод : 1998PMagL..78..153C . дои : 10.1080/095008398178147 .
^ Дэвис, Эдвард Артур (1999). Наука в процессе создания . Великобритания: Тейлор и Фрэнсис. стр. 1994 B70. ISBN 0-7484-07677 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Бродсли, Лорел; Фрэнк, Чарльз; Стидс, Джон В. (октябрь 1986 г.). «Капли принца Руперта». Заметки и отчеты Лондонского королевского общества . 41 (1): 1–26. дои : 10.1098/rsnr.1986.0001 . JSTOR 531493 . S2CID 143527832 .
^ Клод, Ник. ле Кот (1756). « Lacrymae Batavicae , или стеклянные капли, закалка стали . и шипение объясняются тем же принципом » Философские труды . 10 (2). Королевское общество : 560–566. Архивировано из оригинала 2 января 2017 г.
^ Бекманн, Иоганн ; Фрэнсис, Уильям; Гриффит, JW (1846 г.). «Капли принца Руперта – Lacrymae Vitreae» . История изобретений, открытий и происхождения, том II (4-е изд.). стр. 241–245. Архивировано из оригинала 2 января 2017 г.
^ Аккерман, Надин; Капрал Маргарита (19 мая 2004 г.). «Безумная наука за пределами лести: переписка Маргарет Кавендиш и Константина Гюйгенса» . Литературоведение раннего Нового времени . Проверено 13 июля 2019 г.
^ См. также: Нери, Антонио с Кристофером Мерретом, пер., Искусство стекла, в котором показаны способы изготовления и окраски стекла, паст, эмалей, озер и других диковинок / написано на итальянском языке Антонио Нери; и переведен на английский язык с некоторыми замечаниями об авторе; к этому добавлен отчет о стеклянных каплях, сделанных Королевским обществом на собрании в Грешам-колледже (Лондон, Англия: напечатано AW для Октавиана Пуллейна, 1662 г.), «Отчет о стеклянных каплях», стр. 353–362.
^ Гриффит, А.А. (1921). «Явления разрыва и течения в твердых телах» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия А, содержащая статьи математического или физического характера . 221 (582–593): 163–98. Бибкод : 1921RSPTA.221..163G . дои : 10.1098/rsta.1921.0006 . JSTOR 91192 .
^ Зыга, Лиза (9 мая 2017 г.). «Ученые разгадали 400-летнюю тайну капель принца Руперта» . физ.орг . Сеть Science X. Архивировано из оригинала 16 мая 2017 года . Проверено 16 мая 2017 г.
^ Гудрич, Джозеф (1829). «Реальный и предполагаемый эффект вулканического действия» . Американский журнал науки и искусства . 16 : 349. Архивировано из оригинала 3 ноября 2017 года . Проверено 27 сентября 2014 г.
^ Кэшман, Кэтрин ; Николсон, Эмма; Раст, Элисон; Гисласон, Сигурдур (5 августа 2010 г.). «Разрушение магмы: контроль фрагментации магмы и образования пепла» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 6 октября 2014 года . Проверено 27 сентября 2014 г.
^ Батлер, С., Худибрас (издание Закари Грея, Лондон, 1799 г.), том. 1, с. 390, строки 385–389 ; и см. сноску стр. 391.
^ Издание Джона Уилдерса (Oxford University Press, 1967) ^{[ нужна страница ]}
^ Пепис, С.: «Дневник» (ред. Роберт Лэтэм и Уильям Мэтьюз), том. III (Беркли и Лос-Анджелес, Калифорнийский университет Press, 1970–76), 13 января 1662 г., стр. 9.
^ Стимсон, Дороти (июль 1932 г.). «Баллада о Грешам-колледже». Исида . 18 (1): 103–17. дои : 10.1086/346689 . JSTOR 224481 . S2CID 143882964 .

Дальнейшее чтение

Альберготти, Клифтон (1989). «Капли принца Руперта в литературе». Учитель физики . 27 (7): 530–2. Бибкод : 1989PhTea..27..530A . дои : 10.1119/1.2342858 .
Сэр Роберт Морей (1661 г.). « Отчет о стеклянных каплях », Королевское общество ( расшифровка , ссылка на архив ).

Внешние ссылки

«Капли принца Руперта» . Научно-популярный ежемесячник . Том. 8 января 1876 г. ISSN 0161-7370 - через Wikisource .
PrinceRupertsDrop.com Демонстрации высокоскоростного замедленного видео.
Видео, показывающее изготовление и разрушение капель принца Руперта из Музея стекла.
Научно-популярная статья с видео, подробно рассказывающим о каплях принца Руперта
Corning Inc. «Век стекла, часть 2: Прочное и долговечное стекло» . Ютуб. Архивировано из оригинала 12 декабря 2021 г. Проверено 24 марта 2015 г. Бывшие разрушители легенд Адам Сэвидж и Джейми Хайнеман демонстрируют «Капли Руперта», включая диаграмму внутренних напряжений.

[1] Гиймен, Амеде (1873). Силы природы: популярное введение в изучение физических явлений . Макмиллан и Ко. с. 435 .

[:0-2] Перейти обратно: ^а ^б Абен, Х.; Антон, Дж.; Ыис, М.; Вишванатан, К.; Чандрасекар, С.; Чаудри, ММ (2016). «О необычайной силе капель принца Руперта». Прил. Физ. Летт. 109 (23): 231903. Бибкод : 2016ApPhL.109w1903A . дои : 10.1063/1.4971339 .

[3] Нараянасвами, ОС; Гардон, Роберт (1998). «Закалка стеклянных сфер и смежные темы» . Стекольная наука и технология . 71 : 120–128. Архивировано из оригинала 28 июля 2017 г. Проверено 9 мая 2017 г.

[:1-4] Перейти обратно: ^а ^б Роберт Гук , Микрография или некоторые физиологические описания мельчайших тел, сделанных с помощью увеличительных очков с наблюдением и последующими исследованиями (Лондон, 1665 г.), «Наблюдение vii некоторых явлений стеклянных капель», Архивировано 7 ноября 2016 г. в Wayback Machine , стр. 33–44.

[5] Чандрасекар, С; Чаудри, ММ (1994). «Взрывной распад капель принца Руперта». Философский журнал Б. 70 (6): 1195–1218. Бибкод : 1994PMagB..70.1195C . дои : 10.1080/01418639408240284 .

[6] Чаудри, ММ (1998). «Раздвоение трещины в распадающихся каплях принца Руперта». Письма философского журнала . 78 (2): 153–158. Бибкод : 1998PMagL..78..153C . дои : 10.1080/095008398178147 .

[7] Дэвис, Эдвард Артур (1999). Наука в процессе создания . Великобритания: Тейлор и Фрэнсис. стр. 1994 B70. ISBN 0-7484-07677 .

[Brodsley-8] Перейти обратно: ^а ^б ^с Бродсли, Лорел; Фрэнк, Чарльз; Стидс, Джон В. (октябрь 1986 г.). «Капли принца Руперта». Заметки и отчеты Лондонского королевского общества . 41 (1): 1–26. дои : 10.1098/rsnr.1986.0001 . JSTOR 531493 . S2CID 143527832 .

[9] Клод, Ник. ле Кот (1756). « Lacrymae Batavicae , или стеклянные капли, закалка стали . и шипение объясняются тем же принципом » Философские труды . 10 (2). Королевское общество : 560–566. Архивировано из оригинала 2 января 2017 г.

[10] Бекманн, Иоганн ; Фрэнсис, Уильям; Гриффит, JW (1846 г.). «Капли принца Руперта – Lacrymae Vitreae» . История изобретений, открытий и происхождения, том II (4-е изд.). стр. 241–245. Архивировано из оригинала 2 января 2017 г.

[11] Аккерман, Надин; Капрал Маргарита (19 мая 2004 г.). «Безумная наука за пределами лести: переписка Маргарет Кавендиш и Константина Гюйгенса» . Литературоведение раннего Нового времени . Проверено 13 июля 2019 г.

[12] См. также: Нери, Антонио с Кристофером Мерретом, пер., Искусство стекла, в котором показаны способы изготовления и окраски стекла, паст, эмалей, озер и других диковинок / написано на итальянском языке Антонио Нери; и переведен на английский язык с некоторыми замечаниями об авторе; к этому добавлен отчет о стеклянных каплях, сделанных Королевским обществом на собрании в Грешам-колледже (Лондон, Англия: напечатано AW для Октавиана Пуллейна, 1662 г.), «Отчет о стеклянных каплях», стр. 353–362.

[13] Гриффит, А.А. (1921). «Явления разрыва и течения в твердых телах» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия А, содержащая статьи математического или физического характера . 221 (582–593): 163–98. Бибкод : 1921RSPTA.221..163G . дои : 10.1098/rsta.1921.0006 . JSTOR 91192 .

[14] Зыга, Лиза (9 мая 2017 г.). «Ученые разгадали 400-летнюю тайну капель принца Руперта» . физ.орг . Сеть Science X. Архивировано из оригинала 16 мая 2017 года . Проверено 16 мая 2017 г.

[15] Гудрич, Джозеф (1829). «Реальный и предполагаемый эффект вулканического действия» . Американский журнал науки и искусства . 16 : 349. Архивировано из оригинала 3 ноября 2017 года . Проверено 27 сентября 2014 г.

[16] Кэшман, Кэтрин ; Николсон, Эмма; Раст, Элисон; Гисласон, Сигурдур (5 августа 2010 г.). «Разрушение магмы: контроль фрагментации магмы и образования пепла» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 6 октября 2014 года . Проверено 27 сентября 2014 г.

[17] Батлер, С., Худибрас (издание Закари Грея, Лондон, 1799 г.), том. 1, с. 390, строки 385–389 ; и см. сноску стр. 391.

[18] Издание Джона Уилдерса (Oxford University Press, 1967) ^{[ нужна страница ]}

[19] Пепис, С.: «Дневник» (ред. Роберт Лэтэм и Уильям Мэтьюз), том. III (Беркли и Лос-Анджелес, Калифорнийский университет Press, 1970–76), 13 января 1662 г., стр. 9.

[20] Стимсон, Дороти (июль 1932 г.). «Баллада о Грешам-колледже». Исида . 18 (1): 103–17. дои : 10.1086/346689 . JSTOR 224481 . S2CID 143882964 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

v т и о стекле Темы науки
Basics	Glass Glass transition Supercooling
Formulation	AgInSbTe Bioglass Borophosphosilicate glass Borosilicate glass Ceramic glaze Chalcogenide glass Cobalt glass Cranberry glass Crown glass Flint glass Fluorosilicate glass Fused quartz GeSbTe Gold ruby glass Lead glass Milk glass Phosphosilicate glass Photochromic lens glass Silicate glass Soda–lime glass Sodium hexametaphosphate Soluble glass Tellurite glass Thoriated glass Ultra low expansion glass Uranium glass Vitreous enamel Wood's glass ZBLAN
Glass-ceramics	Bioactive glass CorningWare Glass-ceramic-to-metal seals Macor Zerodur
Preparation	Annealing Chemical vapor deposition Glass batch calculation Glass forming Glass melting Glass modeling Ion implantation Liquidus temperature sol–gel technique Viscosity Vitrification
Optics	Achromat Dispersion Gradient-index optics Hydrogen darkening Optical amplifier Optical fiber Optical lens design Photochromic lens Photosensitive glass Refraction Transparent materials
Surface modification	Anti-reflective coating Chemically strengthened glass Corrosion Dealkalization DNA microarray Hydrogen darkening Insulated glazing Porous glass Self-cleaning glass sol–gel technique Tempered glass
Diverse topics	Conservation and restoration of glass objects Glass-coated wire Safety glass Glass databases Glass electrode Glass fiber reinforced concrete Glass ionomer cement Glass microspheres Glass-reinforced plastic Glass cloth Glass-to-metal seal Porous glass Pre-preg Prince Rupert's drops Radioactive waste vitrification Windshield Glass fiber