鲁珀特之泪的秘密

作者: 二宗主

来源: https://arxiv.org/pdf/1602.06801.pdf

发布日期: 2017-05-12

鲁珀特之泪是一种具有特殊物理特性的玻璃制品,其头部可以承受锤击,但尾部稍加力就会瞬间粉碎。通过现代科技的研究,发现其内部存在复杂的应力分布,表面压应力极高,是使其头部坚硬的原因。

鲁珀特之泪(Prince Rupert’s drop)是17世纪时,莱茵河的鲁珀特亲王从欧洲带到英格兰的玻璃泪滴。这些玻璃泪滴的头部可以经受住锤子的敲击,但只要对其纤细的尾巴稍微施力,整颗玻璃泪滴在几微秒间爆裂四溅、彻底粉碎。制造鲁珀特之泪的玻璃需要具有高热膨胀系数,用以制造残余压应力,从而阻止粉碎。尽管研究人员一直试图揭开这些玻璃泪滴的秘密,但直到近代,现代科技才使我们能够彻底地研究它们。

普渡大学的S. Chandrasekar和剑桥大学的M.M.Chaudhri利用高速分幅摄影观察了泪滴破碎的过程,得出结论:玻璃泪滴表面具有很强的压应力,而内部具有很强的拉应力。因此,泪滴处于不稳定的平衡态,而尾部则是整个泪滴的弱点。同时,单个裂纹会以高达1900米/秒的速度从泪滴尾部加速到头部。

鲁珀特之泪内的应力是如何分布的,只有详尽理解应力的分布,才能够充分的理解为何泪滴的头部如此的坚硬。

为此,Chandrasekar和Chaudhri找到了塔林理工大学的Hilar Aben教授,进一步扩展他们20多年前的工作。Aben的专长是测定透明三维物体(比如鲁珀特之泪)的残余应力。研究人员将鲁珀特之泪悬浮在透明液体中,然后用红色的LED照亮玻璃泪滴,测量了光在玻璃泪滴中传播时产生的光延迟,并用这些数据构建整个玻璃泪滴的应力分布。

其结果显示,泪滴头部的表面压应力要比之前预想的高很多,范围在400 - 700兆帕。而这些表面压应力层也很薄,大约只有泪滴头部直径的10%。正是这些值赋予玻璃泪滴的头部如此的坚硬。而要使泪滴破碎,就必须让由压缩引发的裂纹进入到泪滴内部的拉伸区。由于在泪滴表面产生的裂纹趋于沿着表面裂开,并不会进入内部的拉伸区。因此,破坏泪滴就简单方法就是破坏尾部,尾部碎裂会使裂纹传入泪滴的拉伸区。

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