Материалы портала «Научная Россия»

Открыт секрет прочности капель принца Руперта

Открыт секрет прочности капель принца Руперта
Почему стеклянная капля, озадачившая физиков еще четыре столетия назад, выдерживает удар молотком — но только если хвост капли на месте.

Хиллар Абен (Hillar Aben) из Таллинского технологического университета, Эстония, и его коллеги из Университета Пердью, США, и Кембриджского университета, Великобритания, изучили природу напряжений в основной части т.н. капли принца Руперта (она образуется, если каплю расплавленного стекла уронить в воду). Необычайная прочность этой части капли и ее связь с тоненьким хвостом капли, выяснили ученые, основана на сжимающем напряжении, а не напряжении растяжения, как предполагалось. Свои результаты, за которыми стоят несколько столетий исследований, — хотя сама проблема может показаться бессмысленной, — исследователи изложили в статье, опубликованной в журнале Applied Physics Letters.

Парадокс в том, что такая капля отличается необычайной прочностью — удар молотком оставит на ней в худшем случае царапину. Но стоит отломить ее хвост — и она рассыпется в мелкий порошок. Исследователи давно поняли, что прочность капель, названных в честь баварского принца Руперта, который в 1660 году представил пять таких капель британскому королю Карлу II, имеет какое-то отношение к напряжениям в стекле. Двадцать лет назад было опубликована высокоскоростная видеозапись распадающихся капель, где было видно, что при разрыве хвоста капли трещины распространяются вдоль капли со скоростью более 1700 метров в секунду.

Теперь исследователи продолжили изучение свойств этого интересного объекта, используя так называемый метод интегральной фотоупругости. Они погружали каплю в жидкость и светили через нее поляризованным светом. Области, где есть напряжение, распространяют поляризованный свет по-разному, так что ученые, обработав свет с помощью методов, аналогичных тем, которые используются в медицине при компьютеризированном томографическом сканировании, исследователи смогли наметить различные слои напряжений внутри капли.

Группа измерила напряжение сжатия в головке капли, которое оказалось эквивалентно более чем 4000-кратному атмосферному давлению, что делает каплю такой же прочной, как некоторые марки стали. Напряжения растяжения, присутствующие в хвосте и внутри капли, имеют тенденцию к распространению трещин, но не могут преодолеть сопротивление вышележащих сжимающих напряжений в головке капли. Этот сжимающий внешний слой защищает головку от ударов молотка — но стоит отломить хвост позволяет трещинам продвигаться по капле, и, хотя сжимающий внешний слой замедляет распространение трещин, остановить его он уже не может.

 

капля принца руперта напряжение растяжения сжимающее напряжение

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий