Раскрыта тайна сверхпрочных и при этом невероятно хрупких стеклышек
© Trevor Mahlmann/Purdue University
Тайна крошечных каплевидных стеклянных изделий, которые могут выдержать удар молота, но рассыпаются в пыль после легкого прикосновения к «хвостику», наконец-то раскрыта.
Ученые 400 лет ломали голову над странными изделиями, известными как батавские слезки, или болонские склянки, или капли принца Руперта.
«С одной стороны, их головка может выдержать сильный удар. С другой стороны, хвост можно сломать малейшим давлением пальца, после чего в течение нескольких микросекунд все изделие с резким звуком рассыпается в мелкий порошок», — говорит соавтор исследования Сринивасан Чандрасекар, профессор промышленной инженерии и директор Центра обработки материалов и трибологии Университета Пердью в Индиане, передает Live Science.
Как ломается капля принца Руперта
Новое исследование показывает, что навершия этих маленьких стеклянных головастиков обладают такой неожиданной прочностью из-за сжимающих сил, действующих с внешней стороны капель.
Капли принца Руперта впервые получили широкую известность в 1660 году, когда принц Руперт Пфальцский принес несколько таких диковинок королю Англии Карлу II. (А вообще слезки, сделанные путем заливки расплавленного стекла в холодную воду, вероятно, были известны стеклодувам за столетия до этого.) Затем Карл передал их Королевскому обществу, опубликовавшему первое научное исследование их свойств в 1661 году.
На протяжении веков ученые бились над загадкой капель принца Руперта. В 1994 году Чандрасекар и его коллега использовали высокоскоростную камеру (1 млн кадров в секунду) для съемки взрыва изделий. Кадры показали, что крошечные трещины, которые формируются в хвосте, быстро распространяются на головку.
Когда эти трещины достигают достаточно высокой скорости (около 1,5 км/с), они раздваиваются, сказал Чандрасекар. Затем эти две трещины набирают скорость и раздваиваются вновь — и т. д. В конце концов вся структура оказывается полностью охваченной множеством крошечных трещин.
«Хвост просто отрывается, но головка взрывается в порошок, и это на самом деле довольно впечатляющий момент», — сказал Чандрасекар.
Но это объясняет лишь хрупкость стеклянных головастиков, но не прочность их головок.
Батавские слезки дают неисчерпаемый материал для видеоблогеров. Здесь стекляшки выдерживают попадание пули
В новом исследовании Чандрасекар полагался на другой метод, называемый интегральной фотоупругостью. Объект помещают в воду, а затем пропускают через него поляризованный свет. Внутреннее напряжение материала меняет поляризацию света. На поляризацию выходящих световых волн смотрят через специальные фильтры, что позволяет выявить внутренние напряжения внутри объекта, в данном случае головки и хвоста капли.
Оказалось, что головки капель принца Руперта выдерживали чрезвычайные уровни сжимающего напряжения — около 50 т на квадратный дюйм (один квадратный дюйм равен 6,5 см²).
Это напряжение формируется из-за того, что стекло, используемое в этих слезках, резко расширялось при нагревании и также резко уменьшалось при воздействии холодной воды. Во время процесса изготовления этих капель расплавленное стекло погружают в холодную воду. Когда стекло попадает в воду, снаружи оно остывает быстрее, чем внутри. Внешний слой стекла затем образует своего рода оболочку, которая сковывает внутреннюю часть. Поскольку внутренняя часть все еще охлаждается и потому, что силы, действующие на объект, должны быть равны нулю, головка формирует растягивающие напряжения на своей внутренней поверхности, сообщают исследователи.
(В общих чертах, растягивающее напряжение — это сила, которая тянет вещи друг от друга: представьте разрыв куска бумаги надвое. Напряжение и сжимающее напряжение действуют в противоположных направлениях и таким образом отменяют друг друга.)
Причина, по которой сжимающее напряжение снаружи капель предотвращает разрыв, несколько интуитивно понятно; атомы стекла прижимаются друг к другу, поэтому им некуда деться. В таких условиях материалы труднее сломать. Напротив, большинство материалов имеют тенденцию ломаться легче, когда их подвергают растягивающему напряжению.
Слезка ломает пресс. Пресс ломает слезку
Однако даже эти сверхпрочные стеклышки могут быть разрушены давлением. Например, если поместить их в тиски, они в конце концов превратятся в порошок, хоть это будет и не так эффектно, как если бы им отломили хвостик.
«Сломать можно все что угодно», — резюмирует Чандрасекар.