Взрывающаяся капля принца Руперта

На фото запечатлен момент взрыва стеклянной капли принца Руперта (Prince Rupert's Drop), или «датской слезы». Головка капли невероятно прочная, ее очень сложно механически повредить путем сжатия: даже сильные удары молота или гидравлический пресс не наносят ей никакого вреда. Но стоит слегка надломить хрупкий хвост, и вся капля в мгновение ока разлетится на мелкие осколки.

Это любопытное свойство стеклянной капли впервые обнаружили в XVII веке то ли в Дании, то ли в Голландии (отсюда еще одно их название — батавские слёзки), то ли в Германии (источники противоречивы), и необычная вещица быстро распространилась по Европе в качестве потешной игрушки. Свое название капля получила в честь главнокомандующего английской королевской кавалерией Руперта Пфальцского, известного в народе как принц Руперт. В 1660 году Руперт Пфальцский вернулся в Англию после долгого изгнания и привез с собой необычные стеклянные капли, которые преподнес Карлу II, а тот передал их для исследований в Лондонское королевское общество.

Если посмотреть на капли принца Руперта через скрещенные поляризаторы, то можно наблюдать явление фотоупругости: под действием внутренних механических напряжений в каплях возникает оптическая анизотропия, которая для изотропных тел вроде стекла не характерна. Подробнее про оптическую анизотропию у кристаллов см.: Двойное лучепреломление, «Элементы», 11.05.2016. Рисунок с сайта oberlin.edu

Технологию изготовления капли долго держали в секрете, но в итоге оказалось, что она очень проста: достаточно капнуть расплавленного стекла в ведро с холодной водой. В этой нехитрой технологии и кроется секрет силы и слабости капли. Наружный слой стекла быстро застывает, уменьшается в объеме и начинает давить на всё еще жидкое ядро». Когда внутренняя часть тоже остывает, ядро начинает сжиматься, однако теперь этому противодействует уже застывший внешний слой. С помощью межмолекулярных сил притяжения он удерживает остывшее ядро, которое теперь вынуждено занимать больший объем, чем если бы оно охладилось свободно. В итоге на границе между внешним и внутренним слоем возникают противоборствующие силы, которые тянут внешний слой внутрь, и в нем образуется напряжение сжатия, а внутреннее ядро — наружу, образуя напряжение растяжения. При этом внутренняя часть может даже оторваться от наружной, и тогда в капле образуется пузырек. Это противостояние делает каплю прочнее стали. Но если все-таки повредить ее поверхность, нарушив внешний слой, скрытая сила напряжения высвободится, и от места повреждения вдоль всей капли прокатится стремительная волна разрушения. Скорость этой волны — 1,5 км/с, что в пять раз быстрее скорости звука в атмосфере Земли.

Капля принца Руперта, застывающая в воде. Видно, что наружная оболочка капли застывает гораздо быстрее. Фото с сайта popsci.com

Этот же принцип лежит в основе изготовления закаленного стекла, которое используют, например, в автотранспорте. Помимо повышенной прочности такое стекло имеет серьезное преимущество в безопасности: при повреждении оно разбивается на множество мелких кусочков с тупыми краями. Обычное же «сырое» стекло разлетается на крупные острые осколки, которыми можно серьезно пораниться. Закаленное стекло в автомобильной промышленности используют для боковых и задних окон. Лобовое же стекло для автомобилей делают многослойным (триплекс): два или более слоя склеивают полимерной пленкой, которая при ударе удерживает осколки и не дает им разлетаться.

Фото с сайта popsci.com.

Вероника Самоцкая