Дроп принца Руперта - Prince Ruperts drop

Капли принца Руперта

Капли принца Руперта (также известный как нидерландский язык или же Батавские слезы)[1][2] находятся закаленное стекло бусинки, созданные капанием расплавленного стекло в холодную воду, что заставляет его затвердеть в головастик -образный капля с длинным тонким хвостом. Эти капли внутренне характеризуются очень высокой остаточные напряжения, которые вызывают противоречащие интуиции свойства, такие как способность выдерживать удар молотка или пулю по луковицеобразному концу без разрушения, демонстрируя при этом взрывное разрушение, если хвостовой конец даже слегка поврежден. В природе подобные структуры образуются при определенных условиях в вулканических лава, и известны как Слезы пеле.

Капли названы в честь Принц Руперт Рейнский, который привез их в Англию в 1660 году, хотя, как сообщается, они производились в Нидерландах в начале 17 века и, вероятно, были известны стекольникам гораздо дольше. Они изучались как научные курьезы Королевское общество и раскрытие принципов их необычных свойств, вероятно, привело к развитию процесса производства закаленного стекла, запатентованного в 1874 году. Исследования, проведенные в 20-м и 21-м веках, пролили дополнительный свет на причины противоречивых свойств капель. .

Описание

Фигура, описывающая каплю принца Руперта, из Учет стеклянных капель (1661) по Сэр Роберт Морей.

Капли принца Руперта производятся путем опускания капель расплавленного стекла в холодную воду. Вода быстро охлаждает и застывает стекло снаружи внутрь. Этот тепловой закалка можно описать с помощью упрощенной модели быстро остывающего шара.[3] Капли принца Руперта оставались научной диковинкой почти 400 лет из-за двух необычных механических свойств:[4] когда хвост отрезан, капля взрывоопасно распадается на порошок, тогда как выпуклая головка может выдерживать сжимающую силу до 15 000 ньютонов (3400 фунтов силы).[2]

Взрывная дезинтеграция возникает из-за событий множественных бифуркаций трещин при разрезании хвоста - одиночная трещина ускоряется в поле остаточных напряжений растяжения в центре хвоста и раздваивается после достижения критической скорости 1450–1900 метров в секунду (3200 –4 300 миль / ч).[5][6] Учитывая эти высокие скорости, процесс дезинтеграции из-за раздвоения трещины можно сделать вывод, только глядя в хвост и используя методы высокоскоростной визуализации. Возможно, поэтому это любопытное свойство капель веками оставалось необъяснимым.[7]

Второе необычное свойство капель, а именно прочность головок, является прямым следствием больших остаточных напряжений сжатия - до 700 мегапаскалей (100 000 фунтов на кв. Дюйм), которые существуют вблизи внешней поверхности головки.[2] Это распределение напряжения измеряется с использованием естественного свойства стекла: двойное лучепреломление, вызванное стрессом и с помощью техники 3D фотоупругость. Высокая вязкость разрушения из-за остаточных сжимающих напряжений делает капли принца Руперта одними из самых первых образцов закаленного стекла.

История

Изображение стеклянных капель из Роберт Гук с Микрография (1665)

Научный отчет о ранней истории капель принца Руперта дается в Примечания и записи из Королевское общество Лондона. Большинство ранних научных исследований капель проводилось в Королевском обществе.[8]

Надежно сообщается, что капли были произведены в Мекленбург в Северной Германии еще в 1625 г.[9] Однако утверждалось, что они были изобретены в Нидерландах (хотя предполагалось, что стеклодувы знали о них со времен Римская империя ),[8] отсюда и общие названия для них в 17 веке lacrymae Borussicae (Прусские слезы) или lacrymae Batavicae (Голландские слезы).[10] Секрет их приготовления оставался в районе Мекленбурга в течение некоторого времени, хотя капли распространились оттуда по всей Европе для продажи в качестве игрушек или диковинок.

Голландский ученый Константин Гюйгенс спросил Маргарет Кавендиш, герцогиня Ньюкасла исследовать свойства капель; По ее мнению, после проведения экспериментов внутри осталось небольшое количество летучей жидкости.[11]

Несмотря на то что Принц Руперт не обнаружил капель, он сыграл роль в их истории, привезя их в Британию в 1660 году. Он передал их Король Карл 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 рассказывают о каплях и описывают проведенные эксперименты.[12] Среди этих публикаций было Микрография 1665 г. Роберт Гук, кто позже обнаружит 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. эластичность (чему позже способствовал сам Гук) и о разрушении хрупких материалов в результате распространения трещин. Более полное понимание распространение трещины пришлось ждать, пока работа А. А. Гриффит в 1920 г.[13]

Чандрасекар объясняет физику капель принца Руперта

В 1994 году Сринивасан Чандрасекар, профессор инженерных наук Университет Пердью, и Мунавар Чаудри, руководитель группы материалов в Кембриджский университет, использовал высокоскоростную кадрирующую фотографию для наблюдения за процессом разбивания капли и пришел к выводу, что, хотя поверхность капель испытывает сильные сжимающие напряжения, внутренняя часть испытывает высокие силы натяжения, создавая состояние неравновесного равновесия, которое можно легко нарушить, сломав хвост. . Однако остается вопрос, как напряжения распределяются по капле принца Руперта.

В дополнительном исследовании, опубликованном в 2017 году, команда сотрудничала с Хилларом Абеном, профессором Таллиннский технический университет в Эстонии с помощью передающий полярископ для измерения оптического замедления света от красного ВЕЛ когда он проходил через стеклянную каплю, и использовал данные для построения распределения напряжения по всей капле. Это показало, что верхние части капель имеют гораздо более высокое поверхностное сжимающее напряжение, чем считалось ранее, до 700 мегапаскалей (100000 фунтов на квадратный дюйм), но этот поверхностный сжимающий слой также тонкий, всего около 10% диаметра головки капель. 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 попасть в зону растяжения, но нарушение в хвостовой части позволяет трещинам проникать в зону растяжения.[14]

Научное использование

Процесс производства закаленного стекла закалкой, вероятно, был вдохновлен исследованием капель, так как он был запатентован в Англии парижанином Франсуа Бартелеми Альфредом Руайером де ла Басти в 1874 году, всего через год после того, как В. де Люин опубликовал отчеты его экспериментов с ними.[8]

По крайней мере, с 19 века известно, что образования, похожие на капли принца Руперта, образуются при определенных условиях в вулканических вулканах. лава.[15] Совсем недавно исследователи из Бристольский университет и Университет Исландии изучили частицы стекла, образовавшиеся в результате взрывного дробления капель принца Руперта в лаборатории, чтобы лучше понять магма фрагментация и пепел образование, вызванное накопленными термическими напряжениями в действующих вулканах.[16]

Литературные ссылки

Из-за того, что капли принца Руперта использовались в качестве украшения для вечеринок, они стали широко известны в конце 17 века - гораздо больше, чем сегодня. Можно видеть, что от образованных людей (или тех, кто находится в «обществе») ожидалось, что они будут знакомы с их использованием в современной литературе. Сэмюэл Батлер использовал их как метафора в его стихотворении Худибрас в 1663 г.,[17][18] и Пепис ссылается на них в своем дневнике.[19]

Капли увековечены в стихах анонимного Баллада о Грешемском колледже (1663):

И то, что делает их Славу громче,
С большим энтузиазмом они показали короля
Чтобы пуговицы стекла превратились в пудру,
Если от [м] их тайлесов ты ланишь, но отжимаешь.
Как это было сделано Soe Small Force
Это стоило Колледжу выступления в месяц.[20]

Дневник Джордж Темплтон Стронг писал (том 4, стр. 122) об опасном внезапном разрушении льда в районе Ист-Ривер в Нью-Йорке зимой 1867 года: «Лед разлетелся на куски сразу, как капля принца Руперта».

Альфред Джарри Роман 1902 года Супермолец ссылается на капли по аналогии с каплями расплавленного стекла, падающими из неисправного устройства, предназначенного для пропускания одиннадцати тысяч вольт электричества через тело супермужчины.

Зигмунд Фрейд, обсуждая роспуск воинских формирований в Групповая психология и анализ эго (1921) отмечает панику, вызванную потерей лидера: «Группа исчезает в пыли, как капля принца Руперта, когда ее хвост отломан».

Э. Р. Эддисон Роман 1935 года Хозяйка любовниц ссылается на капли Руперта в последней главе, поскольку Фиоринда отмечает их целую серию.

В детективном романе 1940 года Пришел туман и снег Майкл Иннес (Дж. И. М. Стюарт ), персонаж неправильно называет их «Веронские капли»; ошибка исправляется ближе к концу романа детективом Сэр Джон Эпплби.

В повести 1943 г. Призвать жену, Фриц Лейбер использует капли принца Руперта в качестве метафоры непостоянства личностей нескольких персонажей. Эти преподаватели колледжей из маленького городка кажутся безмятежными и непроницаемыми, но «взрываются» от простого «щелчка нити».

Питер Кэри посвящает каплям в своем романе 1988 г. Оскар и Люсинда.

Смотрите также

дальнейшее чтение

  • Альберготти, Клифтон (1989). «Капли принца Руперта в литературе». Учитель физики. 27 (7): 530–2. Bibcode:1989ФЧай..27..530А. Дои:10.1119/1.2342858.
  • Сэр Роберт Морей (1661). "Рассказ о стеклянных каплях ", Королевское общество (записано, ссылка на архив ).

внешняя ссылка

Рекомендации

  1. ^ Гиймен, Амеде (1873). Силы природы: популярное введение в изучение физических явлений. MacMillan & Co. п.435.
  2. ^ а б c Aben, H .; Антон, J .; Õis, M .; Viswanathan, K .; Chandrasekar, S .; Чаудри, М. М. (2016). «О необычайной силе капель принца Руперта». Appl. Phys. Lett. 109 (23): 231903. Дои:10.1063/1.4971339.
  3. ^ Narayanaswamy, O.S .; Гардон, Роберт (1998). «Закалка стеклянных сфер и смежные темы». Стекольная наука и технология. 71: 120–128. Архивировано из оригинал на 2017-07-28. Получено 2017-05-09.
  4. ^ а б Роберт Гук, Микрография или некоторые физиологические описания мелких тел, сделанные с помощью увеличительных стекол, с наблюдениями и запросами по ним (Лондон, 1665 г.), «Наблюдение vii. Некоторых явлений стеклянных капель», В архиве 2016-11-07 в Wayback Machine С. 33–44.
  5. ^ Чандрасекар, S; Чаудри, М. М. (1994). «Взрывной распад капель принца Руперта». Философский журнал B. 70 (6): 1195–1218. Дои:10.1080/01418639408240284.
  6. ^ Чаудри, М. М. (1998). «Раздвоение трещин в распадающихся каплях принца Руперта». Письма в философский журнал. 78 (2): 153–158. Bibcode:1998ПМагЛ..78..153С. Дои:10.1080/095008398178147.
  7. ^ Дэвис, Эдвард Артур (1999). Наука в разработке. Великобритания: Тейлор и Фрэнсис. С. 1994 B70. ISBN  0-7484-07677.
  8. ^ а б c Бродсли, Лорел; Франк, Чарльз; Кони, Джон В. (октябрь 1986). «Капли принца Руперта». Примечания и отчеты Лондонского королевского общества. 41 (1): 1–26. Дои:10.1098 / рснр.1986.0001. JSTOR  531493. S2CID  143527832.
  9. ^ Бекманн, Иоганн; Фрэнсис, Уильям; Гриффит, Дж. У. (1846). "Капли принца Руперта - Lacrymae Vitreae". История изобретений, открытий и истоков, том II (4-е изд.). С. 241–245. В архиве из оригинала от 02.01.2017.
  10. ^ Клод, Ник. ле Кат (1756 г.). "The Lacrymae Batavicae, или стеклянные капли, закалка из стали, и вскипание, по тому же принципу ". Философские труды. Королевское общество. 10 (2): 560–566. В архиве из оригинала от 02.01.2017.
  11. ^ Аккерман, Надин; Капраал, Маргарита (19 мая 2004 года). "Безумная наука вне лести: Переписка Маргарет Кавендиш и Константина Гюйгенса". Раннее современное литературоведение. Получено 13 июля 2019.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  12. ^ Смотрите также: Нери, Антонио с Кристофером Мерретом, пер., Искусство стекла, в котором показаны способы изготовления и окраски стекла, пасты, эмали, озера и другие диковинки / написано на итальянском языке Антонио Нери; и переведен на английский, с некоторыми замечаниями об авторе; к которому добавлен отчет о стеклянных каплях, изготовленных Королевским обществом на встрече в Грешем-колледже. (Лондон, Англия: напечатано А.В. для Октавиана Пуллейна, 1662 г.), Отчет о стеклянных каплях, С. 353–362.
  13. ^ Гриффит, А.А. (1921). «Явления разрыва и течения в твердых телах». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия A, содержащая статьи математического или физического характера. 221 (582–593): 163–98. Bibcode:1921РСПТА.221..163Г. Дои:10.1098 / рста.1921.0006. JSTOR  91192.
  14. ^ Зыга, Лиза (9 мая 2017 г.). «Ученые раскрывают 400-летнюю тайну капель принца Руперта». Phys.org. Сеть Science X. В архиве из оригинала 16 мая 2017 г.. Получено 16 мая 2017.
  15. ^ Гудрич, Джозеф (1829). «Реальный и предполагаемый эффект действия извержения». Американский журнал науки и искусства. 16: 349. В архиве из оригинала от 3 ноября 2017 г.. Получено 27 сентября 2014.
  16. ^ Кэшман, Кэтрин; Николсон, Эмма; Руст, Элисон; Гисласон, Сигурдур (05.08.2010). «Разрушение магмы: контроль фрагментации магмы и образования пепла» (PDF). В архиве (PDF) из оригинала 6 октября 2014 г.. Получено 27 сентября 2014.
  17. ^ Батлер, С., Худибрас (Издание Захари Грея, Лондон, 1799 г.), т. 1, п. 390, стр. 385–389; и см. сноску на стр. 391.
  18. ^ Издание Джона Вилдерса (Oxford University Press, 1967)[страница нужна ]
  19. ^ Pepys, S .: «Дневник» (ред. Роберт Лэтхэм 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 Грешем Колледж». Исида. 18 (1): 103–17. Дои:10.1086/346689. JSTOR  224481. S2CID  143882964.