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魯伯特之淚。原圖鏈接

魯伯特之淚（Prince Rupert's Drop，也稱為「荷蘭之淚｣或「巴達維亞之淚｣），是鋼化玻璃通過滴落熔融創建珠玻璃入冷水，固化成蝌蚪形液滴，具有長而薄的尾部，能承受鎚頭或子彈在球形末端上的打擊而不會破裂，但是尾端被割斷玻璃瞬間爆炸粉碎成粉末，非常奇特。

概述

魯伯特之淚是通過將熔融的玻璃滴入冷水中而產生的。水從外部向內迅速冷卻並固化玻璃。這種熱淬火可以使用快速冷卻的球體的簡化模型來描述。由於兩種不同的機械性能，魯珀特親王的水滴一直保持著近400年的科學好奇心：當尾巴被割斷時，水滴會爆炸性地分解成粉末，而球形的頭部可以承受高達15,000的壓縮力牛頓（3,400磅力）。

火山熔岩在一定條件下會產生類似於魯伯特親王之滴地層的結構，據稱是在荷蘭發明，稱名lacrymae Borussicae（普魯士之淚）或lacrymae Batavicae（荷蘭之淚）。研究人員在英國布里斯托爾大學和冰島大學研究在實驗室魯伯特王子的液滴的爆破片生產，以更了解玻璃顆粒岩漿碎裂和火山灰形成由存儲中的熱應力活火山驅動。

原理

魯珀特之淚碎裂的原理叫做"裂紋擴展"，源於其內部不均衡的壓力:當熔化的玻璃滴入冰水中時，玻璃表面迅速冷卻形成外殼，而殼下的玻璃還仍然是液態。等到核部的玻璃也冷卻凝結體積變小時，液態的玻璃自然而然地拉着已經是固態的外殼收縮，導致靠近表面的玻璃受到很大的壓應力，同時核心位置也被拉扯向四周，受到拉應力。 當外部遭到破壞時，這些殘餘應力迅速釋放出來，使得裂紋瞬間傳遍全體、支離破碎，據高速攝影技術觀測，其裂紋的傳遞速度可達秒速1450米-1900米。 此外，用交叉偏振光鏡可以看到壓力的分布:

歷史

17世紀，英國國王查爾斯二世從魯珀特王子從德國帶來了一些這樣的玻璃液滴，雖然液滴的頭部非常硬，以至於能夠承受錘子的敲打，但是尾部非常脆弱，用手指就能破壞尾部，而且會使整個液滴立即分解成細粉末。1994年，普渡大學的Chandrasekar博士和劍橋大學的MM Chaudhriri使用高速框架攝影來觀察粉碎的過程。從他們的實驗得出結論，每一滴的表面經受高度壓縮應力，而內部經歷高張力。所以液滴處於不穩定的平衡狀態，很容易被折斷的尾巴擾亂

魯伯特王子雖然沒有發現這些水滴，但他在1660年將水滴帶到英國後在水滴的歷史中發揮了作用。他將水滴交給了查爾斯二世國王，後者又在1661年將水滴交付給了皇家學會（年）進行科學研究。皇家學會的一些早期出版物對這種液滴進行了描述，並描述了進行的實驗。這些出版物中有羅伯特•胡克（Robert Hooke）於1665年出版的《顯微照相》，後來他發現了胡克定律。他的出版物正確地闡明了關於魯伯特親王滴劑的大部分說法，而沒有比當時更全面的理解。彈性（胡克本人後來做出了貢獻）以及脆性材料由於裂紋的傳播而失效，對裂紋擴展的更全面了解必須等到1920年AA Griffith的工作。

應力

壓力分布將有助於解釋液滴的頭部。為此，Chandrasekar和Chaudhri開始與愛沙尼亞塔林理工大學教授希拉爾·阿本合作。Aben專門從事確定透明三維物體中的殘餘應力，如魯伯特之淚。 他們發表在應用物理學雜誌發表的新研究中，Aben，Chandrasekar，Chaudhri和他們的合作者已經使用透射偏振器調查了魯珀特王子的液滴中的應力分布，顯微鏡測量在一個軸對稱的透明物體的折射率。在他們的實驗中，研究人員將魯珀特王子的液滴放在透明液體中，然後用紅色的LED照亮。研究人員利用偏光鏡測量了光線穿過玻璃滴時的光學相位差，然後使用數據來構建在整個液滴的應力分布。

頭部表面壓應力

液滴的頭部具有比以前認為高達700兆帕的高得多的表面壓應力，這是大約7000倍的大氣壓。該表面壓縮層也較薄，是頭部直徑的10％左右。這些值使液滴頭具有非常高的斷裂應力。為了打破液滴，必須產生進入液滴內部張力區域的裂縫。由於表面上的裂紋傾向於平行表面，所以不能進入張力區域。相反，打破液滴的最簡單的方法是打破尾巴，因為這個位置的干擾使裂縫進入張力區。

荷蘭科學家康斯坦丁•惠更斯（Constantijn Huygens）要求紐卡斯爾公爵夫人瑪格麗特•卡文迪許（Margaret Cavendish）研究液滴的性質。在進行實驗後，她的觀點是，裡面有少量的揮發性液體。在20世紀和21世紀進行的研究進一步發展闡明了液滴相互矛盾的特性的原因。這些液滴內部具有很高的殘餘應力會引起反直覺的特性。

殘餘應力

液滴的異常特性即噴頭的強度，是噴頭外表面附近存在巨大的壓縮殘餘應力（高達700兆帕斯卡（100,000 psi））的直接結果。這種應力分佈是通過使用玻璃的應力誘發雙折射的自然特性以及採用3D光彈性技術來測量的。由於殘餘壓縮應力而產生的高斷裂韌性使魯珀特王子的油滴成為鋼化玻璃的最早實例之一。

崩解

切割尾部時，由於多個裂紋分叉事件而導致爆炸性崩解–在達到每秒1,450–1,900米的臨界速度（3,200）之後，單個裂紋在尾部中心的拉伸殘餘應力場中加速並分叉。–4,300英里/小時）考慮到這些高速，只有通過觀察尾部並採用高速成像技術才能推斷出由於裂紋分叉而導致的崩解過程。這也許就是為什麼液滴的這種奇怪特性幾個世紀以來一直無法解釋的原因。

研究

倫敦皇家學會的筆記和記錄中對魯珀特親王的滴劑的早期歷史進行了學術研究。滴劑的大部分早期科學研究是在皇家學會進行的。這些滴劑早在1625年就已在德國北部的梅克倫堡製造。皇家學會對它們進行了科學的研究，對它們異常性質原理的闡明可能導致了鋼化玻璃生產工藝的發展，該工藝在1874年獲得了專利。

1994年，普渡大學的工程學教授Srinivasan Chandrasekar和劍橋大學材料小組的負責人Munawar Chaudhri使用高速構圖照相術觀察了液滴的破碎過程，並得出結論，液滴表面承受高壓縮應力，內部承受高拉力，形成不平衡狀態，很容易折斷尾巴。但是，這留下了一個問題，即如何在魯珀特親王的整個下場過程中分散壓力。

通過淬火生產鋼化玻璃的過程很可能是受液滴研究的啟發，因為它是由法國巴黎弗朗索瓦•巴泰勒米•阿爾弗雷德•羅耶•德拉•巴斯蒂於1874年在英國獲得專利的，就在V. De Luynes發表帳目僅一年之後他對他們的實驗。

應用

在發表於2017年進一步的研究，團隊配合Hillar阿文，在教授合作塔林理工大學在愛沙尼亞使用的傳輸偏光鏡從紅色測光的光學延遲LED當它穿過玻璃滴時，使用這些數據來構造整個滴中的應力分佈。表明在高達700兆帕斯卡（100,000 psi）的壓力下，液滴的頭部具有比以前認為的高得多的表面壓縮應力，但是該表面壓縮層也很薄，僅約為容器頭部直徑的10％。

這使表面具有較高的斷裂強度，這意味著有必要產生一條進入內部張力區域的裂紋，以使液滴破裂。由於表面上的裂紋傾向於平行於表面生長，因此它們無法進入張緊區域，但是尾部的干擾會使裂紋進入張緊區域。

如何製造它們的秘密在梅克倫堡地區保留了一段時間，儘管這些水滴從那裡散佈到整個歐洲，作為玩具或好奇心出售。

影片

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