Руперт Пфальцский — биография, факты из жизни, фото. Парадокс капли принца руперта Капля принца руперта

Слеза принца Руперта, батавские или голландские капли, слеза дьявола - все это имена одного и того же физического явления. Круглая часть такой слезы - сверхпрочное стекло, а ее хвост - ее Ахиллесова пята, которая, обламываясь, превращает всю конструкцию в пыль.

Мнения касательно происхождения капель принца Руперта весьма разнообразны. В некоторых источниках указано, что изобрели их в 1625 году в Германии. Но их также называют “Батавскими слезами” и вот почему.

Как открыли каплю Принца Руперта

Некогда в Голландии, незнакомый нам ученый провел некий интересный эксперимент. Он плавил палочку из стекла на мощной горелке, а жидкие расплавленные капельки стряхивал в емкость с обыкновенной водой. Стеклянные капли, застывая в холодной воде, приобретали причудливую форму, напоминающую головастиков с округлой головкой и тоненьким змеевидным хвостом. Открытие впечатлило исследователя, и он дал своему открытию имя - Батавские слезки в честь Батавии - былого названия своей родины. Как оказалось, этим открытие ученого не ограничилось, потому что позже он обнаружил их любопытнейшее свойство.

Считается, что стекло - достаточно хрупкий материал. Но свойство этих стеклянных капель таково, что даже при многочисленных ударах молотком по округлой части, они не разбиваются. При этом, если во время эксперимента подложить данную каплю под пресс на металлическую пластину, то на ней останется каплевидный отпечаток. Но стоит лишь надломить кончик ее тонкого хвоста, и она мгновенно взрывается на миллион мельчайших осколков.

Так или иначе, широкую известность Батавские слёзки получили после того, как британский герцог Руперт Пфальский преподнес их в качестве диковинного подарка королю Великобритании Карлу II. После король поручил Королевскому научному сообществу исследовать их таинственную и забавную природу. В честь принца Пфальского Батавские слезки начали именовать не иначе как стеклянные капли принца Руперта. Способ их создания содержался в строжайшей секретности долгое время, но зато их мог купить каждый желающий как потешный сувенир.

Почему взрывается капля принца Руперта

На сегодняшний день уже научно доказаны причины необычного поведения стеклянных капель. Дело в том, что попадая в холодную воду, стеклянные капли быстро застывают. Внутри каждой из них образуется высокое механическое напряжение. Если представить, что капля состоит из оболочки и ядра, можно понять, что застывать она начинает сначала у поверхности, то есть ее оболочка уменьшается и сжимается в то время, как ядро продолжает быть горячим и жидким.

Когда внутренняя температура капли снижается, то ядро также начинает сжиматься, но теперь возникает сопротивление за счет внешнего застывшего слоя. Тесные межмолекулярные связи позволяют ему сдавливать ядро, занимающее уже больший объем.

Между оболочкой и ядром возникает очень сильное напряжение, соответственно - сжатия на внешнем слое и растяжения - на внутреннем. Если опустить расплавленное стекло в слишком холодную воду, то уровень напряжения достигнет максимума и позволит внутренней части капли отделиться от наружной, образовав пузырек.

Именно внутренние силы напряжения сжатия и растяжения сопротивляются любой силе удара. Отломив “хвостик” капли, мы разрушим верхний слой, что позволит внутреннему давлению растяжения заработать в полную силу, и стеклянную каплю разнесет в пыль. Это внутреннее напряжение настолько велико, что взрыв происходит буквально за один миг. Поэтому, проводя эксперимент, обязательно запаситесь защитными очками.

Недавно группа ученых из разных уголков мира задалась целью “докопаться” до истины и выяснить, почему и как именно происходит взрыв при обламывании хвоста капли принца Руперта.

Дело в том, что при повреждении внешней оболочки, появляется трещина, проникающая прямо в “сердце” капли, где концентрируется та самая сила напряжения.

Имея в виду научно доказанный факт, что внешний слой сжат, а внутренний - растянут, ученые рассматривали, как именно распределяется давление внутри слезы. Выяснилось, что сила сжатия у внешней оболочки превышает атмосферное давление в 7000 раз и доходит до 700 мегапаскалей. Это невероятно, учитывая, что поверхность стеклянной слезы необычайно тонкая и ее площадь составляет всего лишь 10% от всего тела капли.

Также исследователи установили, что для того, чтобы капля принца Руперта взорвалась, требуется, чтобы трещины достигли ее центра. При ударах молотком или при любом другом воздействии на головку капли, трещины рассеиваются по ее поверхности, не проникая в зону внутреннего растяжения. Именно этим объясняется прочность шарика. При разрушении “хвостика” трещинам удается проникнуть во внутреннюю часть стеклянной слезы, что влечет за собой взрыв.

Современное применение эффекта капли принца Руперта

Принцип поведения капли принца Руперта уже успешно применяется в промышленности. Такое стекло знакомо всем, как “закаленное”.
Ранее производились “закаленные стаканы”. Их можно было без зазрения совести ронять на пол - оно никогда не разбивалось при ударе. Но случайно появившаяся на краю щербинка могла спровоцировать его взрыв в любое время. Поэтому с такой посудой стоило обращаться еще более бережно, чем с обыкновенным стеклом.

По аналогичному принципу сегодня изготавливают автомобильные стекла. Помимо того, что оно обладает более высокой прочностью, у него есть еще одно важное преимущество для безопасности пассажиров - в случае повреждения, оно рассыпается на мелкие кусочки с закругленными краями. Сырые стекла разбиваясь, образуют острые и большие осколки, которые могут серьезно поранить.
Из закаленного стекла производятся боковые и задние окна, лобовые же делают путем склеивания нескольких слоев такого стекла при помощи специальной полимерной пленки, что в случае аварии не даст им разлететься вообще.

Видео о эффекте капли принца Руперта

Капля принца Руперта выглядит как стеклянный головастик, созданный стеклодувом-новичком, но она настолько крепкая, что ее невозможно разбить даже молотком. Однако достаточно слегка ударить ее по «хвосту», и она рассыпается в порошок. Причину таких необъяснимых качеств ученые пытались найти на протяжении почти 400 лет, и теперь у команды исследователей из Кембриджского университета и Таллиннского технического университете в Эстонии, наконец, есть ответ.

Батавские слезки или капли принца Руперта впервые появились в 17 веке и стали знамениты, когда принц Руперт Баварский представил пять этих безделиц королю Англии Карлу II. Они были переданы в Королевское Общество для изучения в 1661 году, однако, несмотря на почти четыре столетия исследований, объяснение их странных качеств было найдено только сейчас. Капли изготавливаются из расплавленного стекла с высоким коэффициентом теплового расширения, и опускают в сосуд с холодной водой. Расплавленное стекло мгновенно застывает в характерной форме капли.

Для изучения капель принца Руперта, ученые использовали методику, где прозрачный 3D-объект устанавливают в иммерсионной ванной, чтобы через него проходил поляризованный свет. Изменения в поляризации света внутри объекта соответствуют линиям напряжения. Предыдущая работа таллиннских и кембриджских физиков, проведенная еще в 1994 году, включала в себя съемки взрыва капли со скоростью почти миллион кадров в секунду. На видео можно увидеть, как после повреждения «хвоста», трещины распространяются по капле со скоростью около 6,500 километров в час.

Новое исследование показало, что напряжения сжатия стекла в «головке» капли составляет около 50 тонн на квадратный дюйм, что делает ее по прочности равной стали. Так происходит, потому что снаружи капля остывает быстрее, чем внутри. Таким образом на центр «головки» капли нагнетается огромное давление, которое компенсируется растяжением.

Пока эти силы остаются в равновесии, капля очень прочная и может выдерживать значительные нагрузки. Но при повреждении «хвоста» это равновесие нарушается, и множество мелких трещин распространяются параллельно ее оси. Происходит это с такой высокой скоростью, что напоминает взрыв.

Капля принца Руперта - стеклянный артефакт, обладающий двумя противоположными друг другу свойствами: он чрезвычайно прочный и чрезвычайно хрупкий одновременно.

Капля похожа на головастика с луковицеобразной головкой и длинным, тонким хвостом. Головка настолько прочная, что способна выдержать удар молотка, а пули, выпущенные в неё в упор, разрушаются при ударе - да, именно пули, а не стекло. Тем не менее, если вы щёлкните пальцем по хвосту капли, это превратит всю каплю, включая прочную стеклянную головку, в порошок.

Капли принца Руперта (также известные как «батавские слёзки» и «болонские склянки») образуются путём попадания жидкого стекла в холодную воду, в результате чего внешняя поверхность капли затвердевает немедленно, а стекло внутри неё по-прежнему остаётся расплавленным. Охлаждённый внешний слой пытается сократиться, в то время как расплавленный внутренний слой пытается расшириться. В процессе кристаллизации противоположные силы, действующие на головку капли, делают её необычайно прочной и хрупкой одновременно. Она похожа на каменную арку - конструкция находится под чрезвычайным напряжением, которое является именно тем, что не позволяет ей развалиться на части. Но если вы уберёте краеугольный камень, арка рухнет.

Капли принца Руперта впервые были обнаружены в Германии в 1640-х годах. Первоначально они были созданы стеклоделами из Мекленбурга (Северная Германия) и продавались в качестве игрушек и диковинок по всей Европе, где их называли по-разному: например, «прусскими слёзками» или «голландскими слёзками». Стеклоделы тщательно охраняли свой секрет, что привело к возникновению целого ряда теорий относительно того, как производились капли.

Учёный-любитель из Англии, герцогиня Маргарет Кавендиш, после нескольких недель экспериментов с десятками образцов в своей лаборатории, пришла к выводу, что в головку капли вводили небольшое количество летучего материала, который бурно реагировал на контакт с воздухом.

В 1660 году принц Руперт Пфальцский, герцог Камберлендский и один из основателей Королевского общества, привёз с собой несколько стеклянных капель, чтобы продемонстрировать их учёным и королю Карлу II. Как вы, наверное, уже догадались, они были названы в его честь.

Роберт Гук, который отвечал за проведение экспериментов перед членами общества, сделал важный прорыв, предположив, что именно охлаждение стекла после погружения в воду вызывало странное свойство капель, хотя более полное понимание механики стало доступным лишь спустя три столетия.

Лишь в 1994 году учёные из Университета Пердью и Кембриджского университета, используя высокоскоростную кадрирующую съёмку, чтобы пронаблюдать процесс разрушения капли, пришли к выводу, что поверхность каждой капли испытывает высокую компрессионную нагрузку, в то время как внутренняя часть находится под влиянием сил высокого напряжения - в состоянии неравномерного равновесия, которое можно легко нарушить, сломав хвост. Эксперименты показывают, что луковичная головка способна выдержать силу сжатия до 7000 килограмм на сантиметр квадратный. Также было подсчитано, что разрушительные трещины распространяются по хвосту и головке с поразительной скоростью - 6500 километров в час.

В дальнейшем, сотрудничая с Таллинским технологическим университетом в Эстонии, исследователи обнаружили, что для того чтобы разбить каплю, нужно создать трещину, способную проникнуть в зону её внутреннего напряжения. Наружный компрессионный слой очень тонкий: он составляет всего около 10 процентов диаметра головки капли, однако обладает невероятно высокой прочностью. Поскольку трещины на поверхности, как правило, разрастаются параллельно поверхности, они не могут попасть в зону напряжения. Но если хвост треснет, трещины попадут в зону напряжения и высвободят всю накопленную энергию, заставив каплю разрушиться.

Закалённое стекло, которое, как правило, используют при производстве автомобилей и мобильных телефонов, делают по такому же принципу. Его быстро охлаждают в расплавленном виде при помощи холодного воздуха, создавая внутреннее напряжение, которое позволяет поверхности оставаться сжатой всё время. Сжатие предотвращает разрастание трещин, но когда стекло окончательно разбивается, оно рассыпается на тысячи мелких кусочков. Вот почему лобовые стёкла автомобилей при ударе разбиваются на мелкие кусочки, однако они покрыты специальным слоем клея, который предотвращает попадание частиц в салон автомобиля и нанесение травм пассажирам.

«Растягивающее напряжение - это то, что обычно приводит к разрушению материалов способом, аналогичным разрыву листа бумаги пополам, - говорит Коушик Вишванатан из Университета Пердью. - Но если вы измените растягивающее напряжение на сжимающее, тогда вы затрудните разрастание трещин, и это именно то, что происходит в головке капли принца Руперта».

Батавские слезки или болонские склянки, а также капли принца Руперта - это застывшие капли закаленного стекла, обладающие чрезвычайно прочными свойствами. В Англию их привез принц Руперт Пфальцский в середине XVII века. Тогда же они привлекли пристальное внимание учёных.

16879 1 4 18

Скорее всего, подобные стеклянные капли были известны стеклодувам с незапамятных времён, однако внимание учёных они привлекли довольно поздно: где-то в середине XVII века. Появились они в Европе (по разным источникам, в Голландии, Дании или Германии). Технология изготовления «слёзок» держалась в секрете, но на поверку оказалась очень простой.

Если капнуть расплавленным стеклом в холодную воду, получается капля в форме головастика, с длинным изогнутым хвостом. При этом капля обладает исключительной прочностью: по её «голове» можно бить молотком, и она не разобьется. Но если надломить хвостик, капля мгновенно разлетается на мелкие осколки.

На кадрах, зарегистрированных с помощью высокоскоростной съёмки, видно, что фронт «взрыва» движется по капле с большой скоростью: 1,2 км/с, что почти в 4 раза выше скорости звука.

В результате резкого охлаждения, стеклянная капля испытывает сильные внутренние напряжения, что и вызывает такие странные свойства. Внешний слой капли охлаждается так быстро, что структура стекла не успевает перестроиться. Сердцевина оказывается растянута, а внешний слой - сжат. Аналогичным образом получают закалённое стекло - однако у него нет того хвостика, за который можно так легко сломать оболочку.

Английская знать ХVII века слыла любознательной и не чуралась науки. Король Карл II так даже и умер от увлеченности алхимией: уже в наше время в его волосах обнаружили ртуть в концентрации, несовместимой с жизнью. Кузен Карла II, принц Руперт, славился страстью к научным диковинам как теоретического, так и практического характера.

Этот-то принц Руперт, он же герцог Рупрехт фон дер Пфальц, привез в Лондон стеклянные отливки в форме капель с длинными искривленными хвостиками. Преподнеся их в дар королю, Руперт рассказал, что это – недавнее германское изобретение, и что прочность стеклянных капель превосходит прочность стали.

Способ производства Руперт от короля скрыл, сославшись на незнание. Хотя теперь мы понимаем: молчал принц исключительно ради пущей таинственности…

Карл II отдал полученные капли на анализ в Королевское Научное Общество. С этого момента и началась слава капель Руперта.

Свойства капли Руперта

Прочность невиданных дотоле стекляшек удивила английских ученых. Капля Руперта выдерживала даже удар дюжего кузнеца, причем на стали наковальни и молота оставались вмятины. Разве может стекло обладать подобной твердостью и прочностью? – дивились придворные ученые.

Прочность стеклянных капель Руперта была, однако, неравномерной. Если головка капли выдерживала любой удар, хвостик – особенно кончик хвостика – отличался высокой уязвимостью. Самое странное, что разрушение хвостика вело к моментальному распаду всей стеклянной отливки! Причем распаду взрывному, с мгновенным разлетом мельчайших осколков!

Члены Королевского Научного Общества разослали письма с вопросом о природе необычного стекла во все доступные пределы. Популярность необычной игрушки среди лондонской знати стала расти. Принц Руперт сделал неплохой бизнес, то продавая удивительные стеклянные капли задорого, то укрепляя связи при помощи интересных подарков.

Вскоре ситуация стала проясняться…

Капли Руперта родом из …?

Принц никогда не настаивал на своем авторстве забавной безделушки, а честь изобретения стеклянных капель приписывал немецким ремесленникам. Выяснилось, однако, что в близкой Голландии подобные диковины знают давно – знают и делают на потеху публике. Мало того, голландцы возят капли стекла по свету, и везде их зовут «батавскими слезками», по имени верфи «Батавия» на берегу залива Зейдерзее.

По сведениям, полученным от голландцев, датчане начали забавляться каплями Руперта раньше немцев – но в Данию секрет изготовления прочных стеклянных отливок пришел из Италии. Весь юг Европы знает их как «болонские склянки» и ничего сложного в изготовлении капель из стекла не видит.

Капли Руперта – это просто!

Чтобы получить капли характерной формы и небывалой прочности, сообщили стеклоделы, достаточно разогретое до текучей вязкости стекло капнуть в емкость с холодной водой. Затвердевшая отливка и есть болонская склянка, она же капля Руперта – с точки зрения серьезных ремесленников пустая безделица и перевод дорогого материала.

Проведя ряд опытов, ученые лондонского Королевского Общества определили: для получения наиболее удачных капель Руперта стекло следует брать возможно более чистое, и нагревать его не выше чем до степени полного размягчения – иначе упавшая в воду капля покрывается трещинами.

На том и удовлетворились…

Современный взгляд на капли Руперта

Физика объясняет появление капель Руперта результатом давно известной закалки – технологии, широко применимой к изделиям из стали, но в данном случае касающейся стекла. Аморфное по своей структуре, полужидкое стекло затвердевает без кристаллизации, но с уменьшением объема.

Быстрое остужение стеклянной капли в среде, эффективно понижающей температуру, приводит к уплотнению наружных слоев тела, сжатию массива с одновременным растяжением еще горячей сердцевины отливки.

Прочность капли Руперта вовсе не беспредельна , и всего лишь вчетверо превышает прочность стекла, изготавливаемого по обычным технологиям. Однако показатели прочности сильно зависят от состава стеклянной шихты, и плотное кварцевое стекло в закаленном виде и капельной форме действительно способно противостоять ударам кузнечного молота.

Но только если не бить по тонкому хрупкому хвостику капли Руперта!

Разбить каплю Руперта

Разбить каплю Руперта несложно. Если отломить, отбить, отстрелить тонкий стеклянный хвостик капли Руперта, она вся и мгновенно разлетается практически пылью! Причем скорость и дистанция разлета мельчайших осколков капли таковы, что опасность поражения кожи и глаз наблюдателя – весьма реальна.

Именно поэтому, кстати, в стародавней Европе капля Руперта довольна быстро перекочевала из разряда забавных диковин в разряд опасных развлечений.

Современные экспериментаторы не прекращают опытов с каплями Руперта. Особенно зрелищными выглядят попытки разрушения стеклянных капель выстрелом из винтовки. Мягкая свинцовая пуля бьет по головке капли Руперта с силой, значительно превышающей силу удара кузнечного молота, однако разбить закаленное стекло пуля не в силах.

Возникающая в стеклянном массиве ударная волна оказывается губительной для тонкого хвостика капли Руперта. Когда колебательный импульс проходит по тонкому стеклу, возникают быстро расширяющиеся трещины. Со скоростью более чем 1 км/с трещины разрастаются по всему телу капли, множатся, расширяются и фактически взрывают стекло.

Взрывное свечение капли Руперта

Особенно интересным видится световой всполох, сопровождающий волну распада закаленного стекла. Явление свечения такого рода носит название триболюминесценции. Возникает триболюминесценция, в отличие от привычной люминесценции, не в толще материала, а в пограничной среде.

Голубовато-красные всполохи триболюминесценции распадающейся капли Руперта суть есть свечение атомов атмосферных газов, возбуждаемых слабыми электрическими разрядами. Генерируется электричество молекулами