Что такое капля Руперта
Капля Руперта — одно из самых загадочных явлений в мире материаловедения. Это крошечные стеклянные капли, которые обладают уникальными физическими свойствами. Их округлая передняя часть может выдерживать удары молотка, но стоит сломать тонкий хвост — и вся капля мгновенно взрывается. Это явление издавна привлекало внимание ученых и экспертов по материалам, но лишь в последние десятилетия с помощью современных технологий стало возможным объяснить этот феномен.
Так выглядит капля Руперта (Источник: VK Видео)
История открытия: от XVII века до наших дней
Капли Руперта, или батавские слезки, как их иногда называют, представляют собой удивительный пример того, как простое стекло может стать объектом научного интереса и восхищения. Эти капли, которые кажутся одновременно хрупкими и невероятно прочными, были впервые описаны в середине XVII века, но их история и свойства до сих пор вызывают интерес у ученых и любителей науки.
Название «батавские слезки» связано с Голландией, которая в XVII веке называлась Батавией (по аналогии с древним германским племенем батавов, населявшим эти земли). В тот период Голландия была крупным центром стекольного производства и торговли, поэтому подобные капли могли быть связаны с местными ремесленниками.
Название «капля Руперта» связано с именем принца Руперта Пфальцского, немецкого аристократа, военачальника и изобретателя, который привез эти стеклянные капли в Англию в 1660-х. Руперт был двоюродным братом короля Карла II и славился своей любовью к науке и технике. Он не только привез капли Руперта, но и активно участвовал в их демонстрации при дворе. По легенде, принц показывал, как головка капли может выдерживать удары молотка и как капля мгновенно разбивается на тысячи мелких осколков, если повредить ее хвост. Это зрелище приводило в восторг и недоумение придворных, а также ученых того времени.
Одно из первых упоминаний (на английском языке) капель Руперта можно найти в издании 1662 года «Искусство стекла», выпущенном в Лондоне Октавианом Пуллином.
Объяснить этот феномен пытался и английский натурфилософ Роберт Гук. В своей знаменитой книге Микрография (Micrographia, 1665) он описал структуру капли и выдвинул гипотезу о том, что ее прочность связана с неравномерным распределением напряжений внутри стекла. Гук предположил, что внешний слой капли находится в состоянии сжатия, а внутренний — в растяжении, что и придает ей уникальные свойства.
Натурфилософы, к числу которых относился Гук, изучали природу, опираясь на наблюдения и эксперименты, но еще не обладали современными методами точного анализа. Тем не менее, его объяснение оказалось удивительно близким к истине. Современные исследования подтвердили, что прочность капли действительно обусловлена остаточными напряжениями: сжатие внешнего слоя делает ее устойчивой к ударам, а внутреннее растяжение приводит к мгновенному разрушению при повреждении хвоста.
Однако из-за ограниченных технических возможностей того времени ученые не могли точно измерить напряжения внутри стеклянной капли и полностью понять природу этого явления.
Настоящий прорыв в их исследовании произошел в XX и XXI веках, когда появились новые технологии. Важным инструментом в изучении батавских слезок стала замедленная видеосъемка. Ученые из Университета Пердью с помощью высокоскоростных камер смогли зафиксировать процесс разрушения капли с точностью до микросекунд. Оказалось, что трещина, которая возникает при повреждении хвостика, распространяется по капле со скоростью около 1300 метров в секунду — в считанные миллисекунды капля разлетается на тысячи мелких осколков, создавая эффект миниатюрного «взрыва». Этот феномен наглядно демонстрирует, как остаточные напряжения в твердых телах могут либо придавать им исключительную прочность, либо приводить к мгновенному разрушению при нарушении внутреннего баланса сил.
В 2017 году группа ученых из того же Университета Пердью применила поляризационную микроскопию для визуализации внутренних напряжений в батавских слезках. Этот метод позволил увидеть, как напряжение распределяется внутри капли. Оказалось, что внешний слой стекла находится в состоянии сильного сжатия, а внутренняя часть — в состоянии растяжения. Именно это делает каплю невероятно прочной: чтобы разрушить ее, нужно преодолеть сжатый внешний слой. Однако если повредить хвостик капли, внутренние напряжения высвобождаются, и капля мгновенно разрушается.
Компьютерное моделирование также сыграло ключевую роль в исследованиях. Ученые создали виртуальные модели батавских слезок, чтобы изучить, как внутренние напряжения влияют на их свойства.
Как образуются капли Руперта и почему они так прочны
Все видео носят ознакомительный характер, повторение экспериментов в домашних условиях может быть опасным.
Процесс создания батавских слезок начинается с нагревания стекла до высокой температуры, пока оно не станет жидким и пластичным. Затем каплю опускают в емкость с холодной водой. В момент соприкосновения с водой внешний слой стекла мгновенно затвердевает, образуя прочную оболочку. Однако внутренние слои стекла остывают гораздо медленнее, что приводит к возникновению сложной системы внутренних напряжений.
Главный секрет прочности батавских слезок кроется именно в этих напряжениях. Внешний слой стекла, который затвердел первым, оказывается в состоянии сильного сжатия. Это связано с тем, что стекло при остывании сжимается, но внутренние слои, оставаясь горячими, мешают внешнему слою свободно сокращаться. В результате в наружном слое создается сжимающее напряжение, а во внутреннем — растягивающее напряжение. Этот принцип основан на законе Гука, который описывает поведение упругих материалов при деформации: внешнее напряжение действует как своего рода «натянутая пружина», сдерживающая разрушение капли.
Сжатие внешнего слоя делает его чрезвычайно устойчивым к внешним воздействиям. Согласно механике твердых тел, материалы в состоянии сжатия способны выдерживать гораздо большие нагрузки, чем в состоянии растяжения. Это объясняет, почему головка капли Руперта выдерживает удары молотка: возникающие трещины не могут распространяться из-за высоких напряжений в сжатом слое.
Однако у этой прочности есть слабое место — хвостик капли. Он остается тонким и хрупким, а внутренняя структура стекла в этой области менее однородна. Если хвостик повредить, например, отломить или надломить, это нарушает механическое равновесие внутренних напряжений. В результате энергия, накопленная в сжатом слое, высвобождается мгновенно, вызывая каскадное разрушение всей структуры.
Этот процесс разрушения происходит с невероятной скоростью — до 1500 метров в секунду. Это явление можно объяснить волнами разрушающего напряжения, распространяющимися по стеклу со сверхзвуковой скоростью. По сути, стекло мгновенно превращается в облако мелких осколков из-за быстрого распространения трещин, что подтверждается законами динамики разрушения.
Капля принца Руперта выдерживает прямой выстрел (Источник: VK Видео)
➤ Подписывайтесь на телеграм-канал «РБК Трендов» — будьте в курсе последних тенденций в науке, бизнесе, обществе и технологиях.