Кіріспе

Қобалған шыныны суық суға тамшылату арқылы жасалған шыны бұйым.

Принц Руперттің тамшылары (сондай-ақ голланд көз жасы немесе Батавия көз жасы деп те аталады) – қобалған шыныны суық суға тамшылату арқылы жасалған, ұзын, жіңішке құйрығы бар түйе пішіндес тамшыға қатып қалатын қатайтылған шыны шарлары. Бұл тамшылар ішінде өте жоғары қалдық кернеулермен сипатталады, бұл интуицияға қайшы келетін қасиеттерге әкеледі, мысалы, дөңгелек бөлігіне балғамен немесе оқпен соққанда жарылмай тұруы, ал құйрық бөлігіне ең аз зақым келген жағдайда жарылыспен ыдырайды. Табиғатта ұқсас құрылымдар белгілі бір жағдайларда жанартау лавасында пайда болады және Пеленің жасы деп аталады. Тамшылар 1660 жылы Англияға әкелген Рейн князі Руперттің құрметіне аталған, бірақ олар 17 ғасырда Нидерландта жасалған және шыны өндірушілерге одан да ертерек белгілі болған. Олар Корольдік қоғамда ғылыми жаңалық ретінде зерттелді және олардың ерекше қасиеттерінің принциптерін ашу 1874 жылы патенттелген қатайтылған шыныны өндіру процесін дамытуға мүмкінше түрткі болды. 20-шы және 21-ші ғасырларда жүргізілген зерттеулер тамшылардың қарама-қайшы қасиеттерінің себептерін одан әрі түсіндірді.

Сипаттама

Принц Руперттің тамшылары балқыған шыны тамшыларды суық суға түсіру арқылы жасалады. Шыны суда сырттан ішке қарай тез суынып, қатаяды. Бұл жылулық муздатуды тез суытылған шардың қарапайым моделі арқылы сипаттауға болады. Принц Руперттің тамшылары екі ерекше механикалық қасиетіне байланысты шамамен 400 жылдан бері ғылыми қызығушылық тудырып келеді: осы жоғары жылдамдықтарды ескере отырып, жарықшалардың бифуркациясынан туындаған ыдырау процесін құйрығын қарап және жоғары жылдамдықты бейнелеу техникаларын қолдану арқылы ғана болжауға болады. Осының салдарынан, тамшылардың осы қызықты қасиеті ғасырлар бойы түсіндірілмей келді. Тамшылардың екінші ерекше қасиеті – олардың басының беріктігі – бастың сыртқы бетіне жақын орналасқан үлкен қысымдық қалдық кернеулердің тікелей салдары болып табылады. Солтүстік Германиядағы Мекленбургтен алынған тамшылар туралы расталған мәліметтер 1625 жылға дейін жетеді. Оларды жасаудың құпиясы біраз уақытқа Мекленбург аймағында сақталды, бірақ тамшылар одан Еуропаға ойыншық немесе қызығушылық ретінде сатыла бастады. Голланд ғалымы Константин Гюйгенс Ньюкасл герцогинясы Маргарет Кавендиштен тамшылардың қасиеттерін зерттеуді сұрады; оның тәжірибелер жүргізгеннен кейін жасаған қорытындысы бойынша, тамшының ішінде аз мөлшерде ұшпалы сұйықтық қамтылған. Принц Руперт бұл тамшыларды өзі ашпаса да, 1660 жылы оларды Ұлыбританияға әкеліп, олардың тарихында маңызды рөл атқарды. Ол оларды король Чарльз II-ге сыйлады, ол өз кезегінде 1661 жылы ғылыми зерттеулер үшін оларды (алдыңғы жылы құрылған) Корольдік қоғамға тапсырды. Корольдік қоғамның алғашқы жарияланымдарында тамшылар туралы мәліметтер келтірілген және олармен жүргізілген тәжірибелер сипатталған. Осы жарияланымдардың арасында Роберт Гуктың 1665 жылғы «Микрографиясы» болды, ол кейін Гук заңын ашты. Оның жарияланымдары сол кездегіге қарағанда толық түсініксіз болған серпімділік (соңырақ Гук өз үлесін қосты) және жарықтардың таралуынан туындаған нақты материалдардың бұзылуы туралы айтылатын нәрселердің көп бөлігін дұрыс баяндады. Жарықтар таралуын толық түсіну үшін А. А. Гриффиттің 1920 жылғы еңбегіне дейін күтілу керек болды. 1994 жылы Пурду университетінің инженерлік профессоры Шринивасан Чандрасекар және Кембридж университетінің материалдар тобының жетекшісі Мунавар Чадри жоғары жылдамдықты фотосуретке түсіру арқылы тамшылардың ұшырау процесін бақылады және тамшылардың бетінде жоғары қысымдық кернеулер, ал ішкі жағында жоғары тартылу күштері сезілетінін, құйрығын сындыру арқылы оңай бұзылатын теңсіз тепе-теңдік күйін тудыратынын анықтады. Алайда, бұл Принц Руперттің тамшыларындағы кернеулердің қалай таралатындығы туралы сұраққа жауап бермеді. 2017 жылы жарияланған тағы бір зерттеуде команда Эстониядағы Таллинн технология университетінің профессоры Хиллар Абенмен бірлесіп, қызыл LED-ден шыққан жарықтың шыны тамшы арқылы өтетініндегі оптикалық кідірісті өлшеу үшін тарату полярскобын қолданды және алынған деректерді тамшыдағы кернеулердің таралуын құру үшін пайдаланды. Бұл тамшылардың басындағы беткі қысымдық кернеудің бұрынғыдан әлдеқайда жоғары екенін көрсетті, шамамен , бірақ бұл беткі қысымдық қабаттың да жұқа екенін, тамшы басының диаметрінің шамамен 10% ғана құрайтынын көрсетті. Бұл бетке жоғары сыну беріктігін береді, яғни тамшыны бұзу үшін ішкі тартылу аймағына енетін жарылыс жасау қажет. Жер бетіндегі жарықтар бетке параллель өседі, сондықтан олар тартылу аймағына енуге қабілетсіз, бірақ құйрықтағы бұзылулар жарықтардың тартылу аймағына енуіне мүмкіндік береді. Принц Руперттің тамшыларының ерте тарихы туралы ғылыми есеп Лондонның Корольдік қоғамының жазбаларында берілген, онда тамшыларды зерттеудің алғашқы ғылыми зерттеулері жүргізілді.

Ғылыми мақсаттар

Қаттыланған шыныны суыту арқылы өндіру процесі, ықтималда, тамшыларды зерттеу нәтижесінде туған болуы мүмкін, өйткені оны париждік Франсуа Бартелеми Альфред Ройер де ла Басти Англияда 1874 жылы патенттеген, ал В. Де Луйнс олармен жасаған тәжірибелері туралы есептемесін жариялағаннан бір жыл өткен соң. Соңғы кезде Бристоль университеті мен Исландия университетінің ғалымдары белсенді жанартаулардағы жинақталған жылулық кернеудің салдарынан магманың бөлшектенуі мен күлдің қалыптасуын жақсырақ түсіну мақсатында, Принс Руперт тамшыларының жарылыс арқылы бөлшектенуінен пайда болған шыны бөлшектерін зертханада зерттеді.