鲁珀特之泪400多年之谜,子弹击中玻璃珠反被轰碎

2018-03-1910:26:11 发表评论 553
摘要

用子弹轰击玻璃珠,会发生什么事情?这种玻璃名叫鲁珀特之泪,是以莱茵河的鲁普莱希特亲王名字命名的。它的制造方法非常简单,把熔化的玻璃自然滴进冰水中,就会形成如同蝌蚪状的玻璃泪滴。

用子弹轰击玻璃珠,会发生什么事情?

相信100个人有101个都会回答,玻璃珠会碎成渣渣。不幸的是,我们下面看到的这个小小泪滴状玻璃珠,如果用子弹去射它,反而子弹会被撞得粉碎。

鲁伯特之泪

这种玻璃名叫鲁珀特之泪,是以莱茵河的鲁普莱希特亲王名字命名的。它的制造方法非常简单,把熔化的玻璃自然滴进冰水中,就会形成如同蝌蚪状的玻璃泪滴。这种玻璃泪滴具有非常奇妙的物理特性,你用锤子、液压机击打或压迫它的头部,玻璃可以坚硬如铁,丝毫无损。甚至Youtube上有一个高速摄像机拍摄的视频,当子弹射到这颗泪滴玻璃的头部时,子弹反而撞得粉碎。但你若抓住它细细的尾巴,稍微施加一些压力,整颗玻璃珠就会瞬间爆裂,彻底粉碎。

实在太奇妙了,这是什么原理呢?

400多年来科学家们一直百思不得其解。

早在1994年,来自美国普渡大学的材料科学家斯里尼瓦桑·钱德拉斯卡和英国剑桥大学的穆纳瓦尔·乔德里就用高速摄像机对其进行了研究,发现熔化的玻璃滴进冰水中时,表面会迅速冷却形成外壳,内部却依然呈液态,从而导致应力不均。当其尾部遭到破坏时,残余应力会迅速释放,使得裂纹瞬间传遍整个玻璃体,其速度可达1900米/秒,造成玻璃完全碎裂。

鲁伯特之泪

随着探测技术的不断发展,最近科学家们重新进行了实验。

他们把熔化的玻璃滴落到和玻璃具有相同折射率的液体中,同时用红色的偏振光进行探测,通过显微镜绘制光线在玻璃内轻微变形标记的应力分布,揭示了鲁珀特之泪形成的更多细节。

研究发现,虽然玻璃头部的表面层只占直径的10%,可以承受的压缩应力却高达700MPa,是大气压力的7000倍。而要打破玻璃珠,需要创造一个进入内部张力区的裂缝,但这却很困难,因为裂缝倾向于平行分布在表面上,所以打破玻璃珠最简单的办法就是打破其尾部。这项研究揭示了鲁珀特之泪不可思议的力量和脆弱性的奇特平衡,已发表在《应用物理学报》上。

神奇的鲁珀特之泪

玻璃是我们生活中最常见的易碎品,然而有一种神奇的玻璃大家见过没有。

它长得像个拖着尾巴的小蝌蚪,强大到能承受住数吨压力。

却也会因为一个弱点而瞬间爆裂粉碎

鲁伯特之泪

据说发现它的是一位名为鲁珀特的王子,所以它俗称为“鲁珀特之泪”。

然而这种神奇的玻璃只不过是普通的玻璃。熔化后的玻璃靠重力自然滴入冰水中快速冷却就会形成鲁珀特之泪。

鲁伯特之泪

泪珠本身就和实心玻璃没什么两样,但手指大小的泪滴液压机也要20吨才能压碎。

鲁伯特之泪

然而若是抓住其纤细的尾巴稍微施加一些压力,那么整颗玻璃泪就会瞬间爆裂四溅、彻底粉碎!

鲁伯特之泪

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。

鲁伯特之泪

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时,由于体积变化,液态的玻璃自然而然地向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、而核心位置则被拉扯向四周,受到拉应力。

用交叉偏振光镜可以看到压力的分布

鲁伯特之泪

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。

鲁伯特之泪

从子弹射击泪滴的高帧数捕捉中可以清楚的看出端倪。

子弹都击不碎泪滴头部,却因为震动的传递导致最脆弱的尾部碎裂引发泪滴爆裂。

 

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