它能够正面承受子弹的冲击而完好无损,却挨不过手指的轻轻一捏,这个自相矛盾的物品就是鲁珀特之泪,一个让科学家困扰了400多年的普通玻璃制品。
玻璃在我们生活中十分常见,同时它也是出了名的易碎品,相信大家都有过打碎玻璃的经历,只要稍有外部力量的冲击,脆弱的玻璃制品就会瞬间变成碎片。
不过,世界上存在着这样一种自相矛盾的物品。
它的头部几乎无坚不摧,子弹都打不坏它的头部;但它的尾部又非常脆弱,用手轻轻一捏就会“自爆”。它就是鲁珀特之泪,一个形状类似蝌蚪的普通玻璃制品。
或许有人会好奇,为什么鲁珀特之泪的头尾两部,表现出了如此大的差异呢?
下面咱们一同探讨一下鲁珀特之泪的奥秘。
首先,咱们先了解一下鲁珀特之泪的起源
17世纪中叶,鲁珀特亲王将5颗蝌蚪状的玻璃球送给了英王查理二世。
当大臣们看到鲁珀特亲王送来的东西时,发出一阵嘘声和嘲笑,大臣们觉得这种普通的玻璃制品虽然造型怪异,但根本不上档次。
面对查理二世和大臣们的质疑,鲁珀特亲王并不在意,他将一枚玻璃球放在地面上,随后举起一把锤子,在众人的目光中狠狠的砸在了玻璃球的头部。
让众人目瞪口呆的是,这颗玻璃球在锤子的击打下,居然完好无损,就连一点裂纹都没有。更让人惊奇的是,鲁珀特亲王用手捏住了玻璃球的尾部,手指稍稍用力,只见整个玻璃球从尾到头瞬间化为粉末。
由于玻璃球的形状酷似泪滴,又是鲁珀特亲王贡献的,所以它被人们称为鲁珀特之泪。
要知道,那个时期可是没有钢化玻璃、防弹玻璃这种东西,鲁珀特之泪可以说颠覆了当时人们对玻璃的认知,它身上两种相互矛盾的性质更是引起了人们的好奇。
1661年,鲁珀特之泪送往英国皇家学会以供研究,直到400多年以后,科学家们才逐渐的了解鲁珀特之泪的奥秘。
为什么鲁珀特之泪的头部这么硬,就连子弹都打不坏
这就要从鲁珀特之泪的制作过程说起了。
其实方法非常简单,只需要用高温加热使玻璃融化,让玻璃溶液自然的滴落到冷水中冷却,就可以制造出一个鲁珀特之泪。
融化的玻璃在滴进水里的时候,最外面的一层会先冷却凝固,可内部还处于熔融状态。随着时间的推移,内部熔融状态下的玻璃会慢慢冷却凝结,体积会不断变小。
这时候内部的液态玻璃就会拉着固态玻璃的外壳向内收缩,让玻璃的外壳受到巨大的压应力。这个压应力高达700兆帕,几乎是大气压的7000倍。
这些压应力分布的非常薄,约占整个玻璃头部的10%,但正是这薄薄的压应力,才给鲁珀特之泪穿上了一层坚硬的外壳,让它的头部坚硬无比。
其实,我们可以把分布在外壳的压应力想象成一座坚固的“拱桥”,只要外部的受力环境不超过“拱桥”的承载范围,鲁珀特之泪自然不会受到破坏。
那么需要施加多大的力,才能把鲁珀特之泪的头部破坏掉呢?
为了寻求这一成果,国外的科学家把鲁珀特之泪放在液压机上,通过液压机不断地挤压鲁珀特之泪的头部。
最后的实验结果表明,液压机在达到20吨压力的程度,才把鲁珀特之泪的头部压碎,但液压机也被坚硬的鲁珀特之泪搞出一个小坑。
鲁珀特之泪的头部这么硬,为什么它的尾部这么脆弱?
这主要是因为先后入水顺序不同,鲁珀特之泪的头部质量最大,冷却速度最慢;尾部的质量小,呈一种细长的拉丝状,入水之后会迅速冷却。
这就让鲁珀特之泪冷却不均衡,整个玻璃内部受力不均匀。脆弱的尾部是鲁珀特之泪最大的弱点,尾部的坚硬程度就连一般的玻璃都比不上,稍一用力就会碎掉。
更有意思的是,如果给鲁珀特之泪尾部施加作用力的话,整个玻璃都会变为碎末。
这是因为鲁珀特之泪的尾部一旦受到破坏,内部不均衡的压力就会得到释放,顺着玻璃内部的裂纹瞬间扩展到鲁珀特之泪全身,让这个玻璃“粉身碎骨”。
这个过程叫做裂纹扩展,它的速度之快可以达到每秒1450—1900米,是音速的5倍。
钢化玻璃和鲁珀特之泪的原理是类似的
钢化玻璃之所以比普通玻璃坚固的多,就是因为它的制作过程和鲁珀特之泪有些类似。
把普通的玻璃加热到软化之后,立刻放入冷水中,进行快速的冷却处理,让钢化玻璃的外壳形成一层薄薄的压应力,在压应力的作用下,钢化玻璃才会显得耐冲击。
而且钢化玻璃就算碎了,也会像鲁珀特之泪一样碎成大量的小颗粒碎片,不会伤到人。
说在最后
很难想象,鲁珀特之泪这种普通的玻璃制品,它的头部比钻石还要坚硬,尾部却有脆弱不堪。这两种自相矛盾的性质,在鲁珀特之泪身上展现得淋漓尽致。
如果用科学的角度来解释的话,就是玻璃冷却速度不均匀导致受力不均,才制造出了外表独特,内部更独特的鲁珀特之泪。不仅在外观上赏心悦目,在内部构造上更让人叹为观止。
最后还要提一句,鲁珀特之泪破裂的过程真的很好看。