Капля принца Руперта
Это одно из интересных свойств стекла, которое в народе принято называть « каплями принца Руперта » (также известнее как шары Руперта или голландские слезы).
Сделать каплю Принца Руперта очень просто. Достаточно просто взять раскаленное стекло и капнуть его в ведро воды. В результате того, что вода быстро охлаждает внешнюю поверхность стекла, внутри температура остается значительно высокой. Когда внутри стекло наконец охлаится, оно сжимается внутри уже твердой внешней оболочки. Благодаря этому создается очень сильное напряжение.
Что интересно, капля обладает потрясающей прочностью. Прочность просто потрясающая:
Да, сломав ей хвостик, вы вызовете мгновенное взрывное разрушение, аналогичное тому, которое вызывает взрыв любого изделия из стекла, которое после отливки не поставили в отжигательную печь - просто сломав хвост вы запускаете этот процесс сами.
В отличие от обычного стекла, данную каплю нельзя разбить даже очень сильно ударив молотком – если бить по основной части "капли". В то же время, если слегка повредить "хвост" слезы, то она взрывается словно граната – однако увидеть это можно лишь при помощи камеры способной снимать со скоростью 100,000 кадров в секунду. Именно это вы можете увидеть:
Скорость движения разлома составляет примерно 4 тысячи 200 км в час.
У принца Руперта, кузена короля Карла II, титулов было примерно столько же, сколько и природных талантов: пфальцграф Рейнский, герцог Баварский, граф Холдернесс, герцог Камберлендский, по совместительству кавалерист, моряк, ученый, администратор и художник.
Его отец, Фридрих фон Пфальц, был королем Чехии ровно одну зиму, а всю последующую жизни провел в Голландии. Еще в детстве Руперт овладел основными европейскими языками, демонстрировал хорошие математические способности и талант рисовальщика. Военную карьеру Руперт начал в 14 лет, сопровождая принца Оранского при осаде Ринберга. Через два года, во время вторжения в Брабант, он поступил на службу в гвардию принца, а в следующем году вместе со старшим братом побывал с визитом у английских родственников, произведя на Карла Первого чрезвычайно благоприятное впечатление. Из этой поездки он возвратился с почетной степенью магистра искусств, присвоенной высокому гостю в Оксфорде.
В 1637 году Руперт участвовал в осаде Бреды, после вместе с братом и отрядом шотландских наемников отправился воевать в Вестфалию, где осенью 1638 года попал в плен. До 1641 года он протомился в заключении, и в это время лорд Арундел, английский посол в Вене, подарил принцу собачку, которая позже обрела громкую славу.
Это был белый пудель, якобы контрабандой вывезенный из Турции, где султан запретил иностранцам приобретать собак этой породы. "Было чрезвычайно любопытно наблюдать, как этот дерзкий и беспокойный человек забавлялся, обучая собаку дисциплине, которой никогда не знал сам". Пудель, получивший незатейливую кличку Бой, неизменно сопровождал Руперта до самой своей смерти в битве при Марстон Муре. Пуделя охотно вспоминали в памфлетах "круглоголовых", например, на одной гравюре он изображен рычащим на членов парламента, распущенного Кромвелем. Бой пользовался множеством привилегий - спал в хозяйской постели, пользовался услугами большего количества цирюльников, чем сам Руперт, и получал самые лакомые кусочки из рук короля Карла, который снисходительно позволял Бою сидеть в своем кресле. По слухам, пес был очень смышленый. Так, при слове "Карл" он начинал радостно прыгать и очень любил слушать литургию, поворачивая морду к алтарю. Это, очевидно, и вызвало слухи о том, что за Рупертом в виде Боя следует дух, мол, собачка умеет становиться невидимой и участвует в сеансах некромантии, проводимых ее хозяином. И убит бедняга Бой был, как говорят, серебряной пулей.
Возвратимся к принцу Помимо дрессировки Боя в годы заточения Руперт также вел богословские беседы с духовниками, сопротивляясь попыткам обратить его в католицизм, совершенствовал свои навыки гравера, читал книги по военному искусству и завел роман с дочкой губернатора. Благодаря усилиям Карла Первого Руперт получил свободу с условием больше никогда не обращать оружие против императора. В августе 1642 года принц со своим младшим братом Морицем прибыл в Англию во главе отряда английских и шотландских ветеранов континентальных войн, чтобы выступить на стороне короля в гражданской войне с парламентом. Пожалованный орденом Подвязки, Руперт встал во главе королевской кавалерии, однако вскоре радость от его приезда стала уже далеко не всеобщей.
Хотя Руперт был опытным солдатом, ему была присуща юношеская пылкость, которая наравне с иностранными манерами отталкивала солидных советников короля. В частности, их объяснимое недовольство вызвало заявление принца, что получать приказы он желает исключительно от своего августейшего дяди. Молодечество сослужило Руперту скверную службу. В битве при Эджхилле в октябре 1643 года его кавалерия полностью разгромила парламентскую, но, увлекшись преследованием, Руперт покинул поле боя, таким образом лишив силы роялистов шанса нанести решающее поражение круглоголовым.
Принц проявил недюжинную энергичность, совмещая административную работу с ведением военных действий на протяжении 1643-44 годов: взял Бристоль, управлял Уэльсом, снял осаду с Йорка... После поражения при Марстон Муре Руперт встал во главе армии роялистов, номинально предводительствуемой принцем Уэльским. Внутренние разногласия и ряд объективных причин привели к поражению при Нейсби, после чего Руперт усомнился в успешном для короля исходе войны и посоветовал Карлу идти на соглашение с парламентом.
Это было расценено как злой умысел, в котором король окончательно убедился после того, как принц сдал Бристоль парламентским войскам. Король отправил Руперта в отставку, тот явился в Ньюарк и потребовал судебного разбирательства, в результате которого ему было возвращено честное имя, но не командование. В 1646 году принцы Руперт и Мориц были высланы из Англии уже по приказу парламента.
На континенте Руперт возглавил отряды англичан-эмигрантов, поступивших на французскую службу, и командовал ими в военных действиях против Испании. После начала второй гражданской войны в Англии принц с переменным успехом попробовал себя в роли моряка. В 1649 году они с Морицем получили под командование 8 кораблей и отправились в Ирландию под начало маркиза Ормонда, где продолжил славную английскую традицию - грабил чужих и передавал награбленное своим.
Парламентский адмирал Блейк был откомандирован положить конец этим бесчинствам, и Руперт отплыл в Португалию, где ему обещали приют, однако Блейк нагнал его в порту Лиссабона. Изобличенный как пират, принц отправляется в вольное плавание по Средиземноморью и Атлантике. Весной 1652 г. Руперт плавал к берегам Западной Африки, где был ранен в бою с аборигенами.
Он отплыл в Вест-Индию летом 1652, и обнаружил, что роялистский анклав на Барбадосе, где он надеялся найти убежище, капитулировал перед Содружеством. Осенью, по пути с Виргинских островов, в буре погибли два из четырех кораблей Руперта, одним из них командовал Мориц. Подавленный смертью брата, принц возвратился в Европу в 1653 году.
Руперт был тепло встречен при дворе короля-изгнанника Карла II в Париже, однако любезности таяли пропорционально тому, как выяснялась точная сумма добычи, привезенной им из Вест-Индии. Разочарованный принц провел следующие шесть лет в безвестности, успев рассориться из-за наследства со старшим братом.
После реставрации Карла II в 1660 году Руперт вернулся в Англию и был хорошо принят королем, несмотря на прежние разногласия. Он получил ежегодную пенсию и назначен в Тайный совет в 1662 году, предметом его особой обеспокоенности было состояние военно-морского флота.
Руперт также проявил интерес к зарубежным коммерческим предприятиям, став первым губернатором Компании Гудзонова залива в 1670 году. Территория, предоставленная Компании, была названа "Земля Принца Руперта" в его честь. Был он и активным акционером Африканской компании. Вклад Руперта в развитие торговли был отмечен именным камнем, положенным в основание новой Королевской биржи.
Принц как адмирал принимал активное участие во Второй и Третьей англо-голландских войнах, сыграв значительную роль в битве при Лоустофте и в победе в день святого Иакова (25 июля 1666). С 1673 года Руперт посвятил себя административной работе в адмиралтействе. Он умер в возрасте 62 лет в 1682 году и с почестями похоронен в Вестминстере.
Продолжая проявлять интерес к научным экспериментам, Руперт стал одним из основателей Королевского общества. В частности, он экспериментировал с производством пороха (предложенный им способ делал порох в 10 раз эффективнее), пытался усовершенствовать ружья, изобрел сплав, известный как "металл принца", а также разработал приспосбление для, так сказать, глубоководных погружений
Принц сформулировал математическую проблему о "кубе Руперта", достиг известных успехов как шифровальщик, построил водяную мельницу на Хакнийских болотах, разработал морское орудие, которое назвал Rupertinoe, придумал механизм, обеспечивающий баланс квадранта при измерениях на борту корабля, пытался усовершенствовать хирургические инструменты и был автором незаурядных гравюр.
Что касается личной жизни, то Руперт никогда не был женат, однако оставил по себе двоих незаконнорожденных детей: сына Дадли (1666) от Фрэнсис Бэрд и дочь Руперту (1673) от актрисы Маргарет Хьюз (Хьюджес). Последняя именно благодаря связи с Рупертом стала первой профессиональной актрисой в английском театре, в 1669 году Маргарет наравне с мужчинами актерами пользовалась привилегией "королевских слуг" - ее не могли арестовать за долги. Это было очень кстати, потому что образ жизни она вела расточительный.
За время их связи Руперт подарил ей драгоценностей на 20 тысяч фунтов, причем среди них были и фамильные украшения Пфальцев, а также приобрел для Маргарет особняк еще за 25 тысяч. Руперту нравилась семейная жизнь - или ее подобие - он с удовольствием отмечал, наблюдая за маленькой дочерью:"Она уже правит всем домом и иногда даже спорит со своей матерью, что смешит всех нас". Существует мнение, что Маргарет стала морганатической женой Руперта.
Свое имущество он завещал поровну ей и дочери.
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.
13885 1 3 19
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.
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».
Условно выделим в капле наружный слой и внутреннее ядро. Капля охлаждается с поверхности, и ее наружный слой сжимается и уменьшается в объеме, пока ядро остается жидким и горячим.
После того как внутри шарика понизится температура, начнет сжиматься и ядро. Но процессу будет сопротивляться уже твердый наружный слой. С помощью межмолекулярных сил притяжения он цепко держит ядро, которое, остыв, вынуждено занимать больший объем, чем, если бы оно охладилось свободно.
В результате на границе между наружным слоем и ядром возникнут силы, тянущие наружный слой внутрь, создавая в нем напряжения сжатия, а внутреннее ядро - наружу, создавая в нем напряжения растяжения.
Эти напряжения при слишком быстром охлаждении очень велики. Так что внутренняя часть шарика может оторваться от внешней части, и тогда в капельке образуется пузырек.
Очень высокое остаточное напряжение приводит к появлению необычных качеств, например таких, как способность выдерживать удар молотком по головной части капли принца Руперта, не нарушая ее целостность.
А вот если слегка повредить хвостик, то капля разрушается с огромной скоростью. Разрушение происходит со скоростью 1658 метров в секунду, что составляет примерно 5968,8 километров в час.
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.
