Слёзы принца Руперта: удивительные свойства закалённого стекла
Prince Rupert's drop
Слезы принца Руперта: уникальные стеклянные капли, устойчивые к ударам, но хрупкие при повреждении хвостика. История, свойства и связь с закаленным стеклом.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Стеклянный объект, созданный путем погружения расплавленного стекла в холодную воду.
Glass object created by dripping molten glass into cold water
Капли принца Руперта (также известные как голландские слезы или батавские слезы) – это закаленные стеклянные шарики, образующиеся при погружении расплавленного стекла в холодную воду, что приводит к затвердеванию в каплевидную форму с длинным, тонким хвостиком. Эти капли характеризуются очень высокими внутренними остаточными напряжениями, которые обуславливают контринтуитивные свойства, такие как способность выдерживать удар молотком или пулей по округлой части, не разрушаясь, при этом даже незначительное повреждение хвостика приводит к взрывообразному разрушению. В природе подобные структуры формируются в определенных условиях в вулканической лаве и известны как слезы Пеле. Капли получили свое название в честь принца Руперта Рейнского, который привез их в Англию в 1660 году, хотя сообщается, что их изготавливали в Нидерландах еще в начале XVII века и, вероятно, стеклоделы знали о них гораздо раньше. Королевское общество изучало их как научное диковинка, и раскрытие принципов их необычных свойств, вероятно, способствовало разработке технологии производства закаленного стекла, запатентованной в 1874 году. Исследования, проведенные в XX и XXI веках, пролили дополнительный свет на причины противоречивых свойств этих капель.
Prince Rupert's drops (also known as Dutch tears or Batavian tears) are toughened glass beads created by dripping molten glass into cold water, which causes it to solidify into a tadpole shaped droplet with a long, thin tail. These droplets are characterized internally by very high residual stresses, which give rise to counter intuitive properties, such as the ability to withstand a blow from a hammer or a bullet on the bulbous end without breaking, while exhibiting explosive disintegration if the tail end is even slightly damaged. In nature, similar structures are produced under certain conditions in volcanic lava, and are known as Pele's tears. The drops are named after Prince Rupert of the Rhine, who brought them to England in 1660, although they were reportedly being produced in the Netherlands earlier in the 17th century and had probably been known to glassmakers for much longer. They were studied as scientific curiosities by the Royal Society and the unravelling of the principles of their unusual properties probably led to the development of the process for the production of toughened glass, patented in 1874. Research carried out in the 20th and 21st centuries shed further light on the reasons for the drops' contradictory properties.
Описание
Капли принца Руперта производятся путем погружения расплавленных стеклянных капель в холодную воду. Стекло быстро охлаждается и затвердевает в воде, начиная снаружи и продвигаясь внутрь. Это термическое закаливание можно описать с помощью упрощенной модели быстро охлаждаемой сферы. Капли принца Руперта оставались предметом научного интереса почти 400 лет благодаря двум необычным механическим свойствам: учитывая эти высокие скорости, процесс разрушения из-за бифуркации трещин можно установить только путем наблюдения за хвостовой частью и применения высокоскоростных методов визуализации. Вероятно, именно поэтому это любопытное свойство капель оставалось необъяснимым на протяжении веков. Второе необычное свойство капель, а именно прочность их "голов", является прямым следствием больших остаточных сжимающих напряжений – до – которые существуют вблизи внешней поверхности "головки". Подтвержденные упоминания о каплях из Мекленбурга (Северная Германия) датируются 1625 годом. Секрет их изготовления некоторое время сохранялся в районе Мекленбурга, хотя впоследствии капли распространились по всей Европе и продавались как игрушки или диковинки. Голландский ученый Константин Гюйгенс попросил Маргарет Кавендиш, герцогиню Ньюкаслскую, исследовать свойства капель; после проведения экспериментов она предположила, что внутри заключено небольшое количество летучей жидкости. Хотя принц Руперт не открыл эти капли, он сыграл важную роль в их истории, привез их в Англию в 1660 году. Он передал их королю Карлу II, который, в свою очередь, в 1661 году передал их Королевскому обществу (основанному годом ранее) для научного изучения. В нескольких ранних публикациях Королевского общества содержатся описания капель и экспериментов с ними. Среди этих публикаций – "Микрография" Роберта Гука 1665 года, который впоследствии открыл закон Гука. В своей публикации он правильно изложил практически все, что можно было сказать о каплях принца Руперта без более глубокого понимания, чем существовало в то время, эластичности (в которую позже внес вклад сам Гук) и разрушения хрупких материалов из-за распространения трещин. Более полное понимание распространения трещин пришлось ждать работы А. А. Гриффита в 1920 году. В 1994 году Шринивасан Чандрасекар, профессор инженерных наук в Университете Пердью, и Мунавар Чаудхри, руководитель группы материаловедения в Кембриджском университете, использовали высокоскоростную съемку, чтобы наблюдать за процессом разрушения капли и пришли к выводу, что, хотя поверхность капель испытывает высокие сжимающие напряжения, внутри – высокие растягивающие силы, создавая состояние неравновесия, которое легко нарушается при разрушении хвостовой части. Однако оставался вопрос о распределении напряжений внутри капли принца Руперта. В дальнейшем исследовании, опубликованном в 2017 году, команда сотрудничала с Хилларом Абен, профессором Таллиннского технологического университета (Эстония), используя передающий полярископ для измерения оптической задержки света от красного светодиода при прохождении через стеклянную каплю и построения на основе этих данных карты распределения напряжений внутри капли. Результаты показали, что "головки" капель имеют значительно более высокое поверхностное сжимающее напряжение, чем считалось ранее – до , но этот сжимающий слой также тонок, составляя всего около 10% диаметра "головки" капли. Это придает поверхности высокую прочность на разрушение, что означает, что для разрушения капли необходимо создать трещину, проникающую во внутреннюю зону растяжения. Поскольку трещины на поверхности, как правило, растут параллельно ей, они не могут проникнуть в зону растяжения, но нарушение в хвостовой части позволяет трещинам войти в эту зону. Подробный исторический очерк о ранней истории капель принца Руперта представлен в "Записках и документах" Лондонского королевского общества, где проводилось большинство ранних научных исследований этих капель.
Prince Rupert's drops are produced by dropping molten glass drops into cold water. The glass rapidly cools and solidifies in the water from the outside inward. This thermal quenching may be described by means of a simplified model of a rapidly cooled sphere. Prince Rupert's drops have remained a scientific curiosity for nearly 400 years due to two unusual mechanical properties: Given these high speeds, the disintegration process due to crack bifurcation can only be inferred by looking into the tail and employing high speed imaging techniques. This is perhaps why this curious property of the drops remained unexplained for centuries. The second unusual property of the drops, namely the strength of the heads, is a direct consequence of large compressive residual stressesup to that exist in the vicinity of the head's outer surface. Verifiable accounts of the drops from Mecklenburg in North Germany appear as early as 1625. The secret of how to make them remained in the Mecklenburg area for some time, although the drops were disseminated across Europe from there, for sale as toys or curiosities. The Dutch scientist Constantijn Huygens asked Margaret Cavendish, Duchess of Newcastle to investigate the properties of the drops; her opinion after carrying out experiments was that a small amount of volatile liquid was trapped inside. Although Prince Rupert did not discover the drops, he played a role in their history by bringing them to Britain in 1660. He gave them to King Charles II, who in turn delivered them in 1661 to the Royal Society (which had been created the previous year) for scientific study. Several early publications from the Royal Society give accounts of the drops and describe experiments performed. Among these publications was Micrographia of 1665 by Robert Hooke, who later would discover Hooke's Law. His publication laid out correctly most of what can be said about Prince Rupert's drops without a fuller understanding than existed at the time, of elasticity (to which Hooke himself later contributed) and of the failure of brittle materials from the propagation of cracks. A fuller understanding of crack propagation had to wait until the work of A. A. Griffith in 1920. In 1994, Srinivasan Chandrasekar, an engineering professor at Purdue University, and Munawar Chaudhri, head of the materials group at the University of Cambridge, used high speed framing photography to observe the drop shattering process and concluded that while the surface of the drops experiences highly compressive stresses, the inside experiences high tension forces, creating a state of unequal equilibrium which can easily be disturbed by breaking the tail. However, this left the question of how the stresses are distributed throughout a Prince Rupert's drop. In a further study published in 2017, the team collaborated with Hillar Aben, a professor at Tallinn University of Technology in Estonia using a transmission polariscope to measure the optical retardation of light from a red LED as it travelled through the glass drop, and used the data to construct the stress distribution throughout the drop. This showed that the heads of the drops have a much higher surface compressive stress than previously thought at up to , but that this surface compressive layer is also thin, only about 10% of the diameter of the head of a drop. This gives the surface a high fracture strength which means that it is necessary to create a crack that enters the interior tension zone in order to break the droplet. As cracks on the surface tend to grow parallel to the surface, they cannot enter the tension zone but a disturbance in the tail allows cracks to enter the tension zone. A scholarly account of the early history of Prince Rupert's drops is given in the Notes and Records of the Royal Society of London, where much of the early scientific study of the drops was performed.
Научное использование
Процесс производства закаленного стекла методом 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 публикации В. Де Люинем отчетов о своих экспериментах с ними. В последнее время исследователи из Бристольского университета и Исландского университета изучали стеклянные частицы, образующиеся при взрывной фрагментации капель принца Руперта в лабораторных условиях, чтобы лучше понять фрагментацию магмы и образование пепла, вызванное накопленными тепловыми напряжениями в активных вулканах.
The process for the production of toughened glass by quenching was probably inspired by the study of the drops, as it was patented in England by Parisian Francois Barthelemy Alfred Royer de la Bastie, in 1874, just one year after V. De Luynes had published accounts of his experiments with them. More recently researchers at the University of Bristol and the University of Iceland have studied the glass particles produced by explosive fragmentation of Prince Rupert's drops in the laboratory to better understand magma fragmentation and ash formation driven by stored thermal stresses in active volcanoes.