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鲁伯特之泪（Prince Rupert's Drop，也称为“荷兰之泪”或“巴达维亚之泪”），是钢化玻璃通过滴落熔融创建珠玻璃入冷水，固化成蝌蚪形液滴，具有长而薄的尾部，能承受锤头或子弹在球形末端上的打击而不会破裂，但是尾端被割断玻璃瞬间爆炸粉碎成粉末，非常奇特。[1]
概述
鲁伯特之泪是通过将熔融的玻璃滴入冷水中而产生的。水从外部向内迅速冷却并固化玻璃。这种热淬火可以使用快速冷却的球体的简化模型来描述。由于两种不同的机械性能，鲁珀特亲王的水滴一直保持著近400年的科学好奇心：当尾巴被割断时，水滴会爆炸性地分解成粉末，而球形的头部可以承受高达15,000的压缩力牛顿（3,400磅力）。
火山熔岩在一定条件下会产生类似于鲁伯特亲王之滴地层的结构，据称是在荷兰发明，称名lacrymae Borussicae（普鲁士之泪）或lacrymae Batavicae（荷兰之泪）。研究人员在英国布里斯托尔大学和冰岛大学研究在实验室鲁伯特王子的液滴的爆破片生产，以更了解玻璃颗粒岩浆碎裂和火山灰形成由存储中的热应力活火山驱动。
原理
鲁珀特之泪碎裂的原理叫做"裂纹扩展"，源于其内部不均衡的压力:当熔化的玻璃滴入冰水中时，玻璃表面迅速冷却形成外壳，而壳下的玻璃还仍然是液态。等到核部的玻璃也冷却凝结体积变小时，液态的玻璃自然而然地拉着已经是固态的外壳收缩，导致靠近表面的玻璃受到很大的压应力，同时核心位置也被拉扯向四周，受到拉应力。 当外部遭到破坏时，这些残余应力迅速释放出来，使得裂纹瞬间传遍全体、支离破碎，据高速摄影技术观测，其裂纹的传递速度可达秒速1450米-1900米。 此外，用交叉偏振光镜可以看到压力的分布:
历史
17世纪，英国国王查尔斯二世从鲁珀特王子从德国带来了一些这样的玻璃液滴，虽然液滴的头部非常硬，以至于能够承受锤子的敲打，但是尾部非常脆弱，用手指就能破坏尾部，而且会使整个液滴立即分解成细粉末。1994年，普渡大学的Chandrasekar博士和剑桥大学的MM Chaudhriri使用高速框架摄影来观察粉碎的过程。从他们的实验得出结论，每一滴的表面经受高度压缩应力，而内部经历高张力。所以液滴处于不稳定的平衡状态，很容易被折断的尾巴扰乱[2]
鲁伯特王子虽然没有发现这些水滴，但他在1660年将水滴带到英国后在水滴的历史中发挥了作用。他将水滴交给了查尔斯二世国王，后者又在1661年将水滴交付给了皇家学会（年）进行科学研究。皇家学会的一些早期出版物对这种液滴进行了描述，并描述了进行的实验。这些出版物中有罗伯特•胡克（Robert Hooke）于1665年出版的《显微照相》，后来他发现了胡克定律。他的出版物正确地阐明了关于鲁伯特亲王滴剂的大部分说法，而没有比当时更全面的理解。弹性（胡克本人后来做出了贡献）以及脆性材料由于裂纹的传播而失效，对裂纹扩展的更全面了解必须等到1920年AA Griffith的工作。
应力
压力分布将有助于解释液滴的头部。为此，Chandrasekar和Chaudhri开始与爱沙尼亚塔林理工大学教授希拉尔·阿本合作。Aben专门从事确定透明三维物体中的残馀应力，如鲁伯特之泪。 他们发表在应用物理学杂志发表的新研究中，Aben，Chandrasekar，Chaudhri和他们的合作者已经使用透射偏振器调查了鲁珀特王子的液滴中的应力分布，显微镜测量在一个轴对称的透明物体的折射率。在他们的实验中，研究人员将鲁珀特王子的液滴放在透明液体中，然后用红色的LED照亮。研究人员利用偏光镜测量了光线穿过玻璃滴时的光学相位差，然后使用数据来构建在整个液滴的应力分布。
头部表面压应力
液滴的头部具有比以前认为高达700兆帕的高得多的表面压应力，这是大约7000倍的大气压。该表面压缩层也较薄，是头部直径的10％左右。这些值使液滴头具有非常高的断裂应力。为了打破液滴，必须产生进入液滴内部张力区域的裂缝。由于表面上的裂纹倾向于平行表面，所以不能进入张力区域。相反，打破液滴的最简单的方法是打破尾巴，因为这个位置的干扰使裂缝进入张力区。
荷兰科学家康斯坦丁•惠更斯（Constantijn Huygens）要求纽卡斯尔公爵夫人玛格丽特•卡文迪许（Margaret Cavendish）研究液滴的性质。在进行实验后，她的观点是，里面有少量的挥发性液体。在20世纪和21世纪进行的研究进一步发展阐明了液滴相互矛盾的特性的原因。这些液滴内部具有很高的残馀应力会引起反直觉的特性。
残馀应力
液滴的异常特性即喷头的强度，是喷头外表面附近存在巨大的压缩残馀应力（高达700兆帕斯卡（100,000 psi））的直接结果。这种应力分布是通过使用玻璃的应力诱发双折射的自然特性以及采用3D光弹性技术来测量的。由于残馀压缩应力而产生的高断裂韧性使鲁珀特王子的油滴成为钢化玻璃的最早实例之一。
崩解
切割尾部时，由于多个裂纹分叉事件而导致爆炸性崩解–在达到每秒1,450–1,900米的临界速度（3,200）之后，单个裂纹在尾部中心的拉伸残馀应力场中加速并分叉。–4,300英里/小时）[3]考虑到这些高速，只有通过观察尾部并采用高速成像技术才能推断出由于裂纹分叉而导致的崩解过程。这也许就是为什么液滴的这种奇怪特性几个世纪以来一直无法解释的原因。
研究
伦敦皇家学会的笔记和记录中对鲁珀特亲王的滴剂的早期历史进行了学术研究。滴剂的大部分早期科学研究是在皇家学会进行的。这些滴剂早在1625年就已在德国北部的梅克伦堡制造。皇家学会对它们进行了科学的研究，对它们异常性质原理的阐明可能导致了钢化玻璃生产工艺的发展，该工艺在1874年获得了专利。
1994年，普渡大学的工程学教授Srinivasan Chandrasekar和剑桥大学材料小组的负责人Munawar Chaudhri使用高速构图照相术观察了液滴的破碎过程，并得出结论，液滴表面承受高压缩应力，内部承受高拉力，形成不平衡状态，很容易折断尾巴。但是，这留下了一个问题，即如何在鲁珀特亲王的整个下场过程中分散压力。
通过淬火生产钢化玻璃的过程很可能是受液滴研究的启发，因为它是由法国巴黎弗朗索瓦•巴泰勒米•阿尔弗雷德•罗耶•德拉•巴斯蒂于1874年在英国获得专利的，就在V. De Luynes发表帐目仅一年之后他对他们的实验。
应用
在发表于2017年进一步的研究，团队配合Hillar阿文，在教授合作塔林理工大学在爱沙尼亚使用的传输偏光镜从红色测光的光学延迟LED当它穿过玻璃滴时，使用这些数据来构造整个滴中的应力分布。表明在高达700兆帕斯卡（100,000 psi）的压力下，液滴的头部具有比以前认为的高得多的表面压缩应力，但是该表面压缩层也很薄，仅约为容器头部直径的10％。
这使表面具有较高的断裂强度，这意味著有必要产生一条进入内部张力区域的裂纹，以使液滴破裂。由于表面上的裂纹倾向于平行于表面生长，因此它们无法进入张紧区域，但是尾部的干扰会使裂纹进入张紧区域。
如何制造它们的秘密在梅克伦堡地区保留了一段时间，尽管这些水滴从那里散布到整个欧洲，作为玩具或好奇心出售。
影片
参考资料
- ↑ 大自然的力量：对物理现象研究的通俗介绍麦克米兰和有限公司
- ↑ 科学家们解开了鲁珀特王子之泪400年的神秘面纱每日头条
- ↑ 方钠石族矿物的晶体结构晶体学报B节