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能夠擊碎子彈,卻經不起手指輕彈的玻璃球,它曾困擾科學家400年

2021-06-15  怪羅科普

17世紀的時候,德國的魯珀特王子給英國國王查理二世送去了幾顆蝌蚪狀的玻璃球,1000多年前玻璃在西方就已經很普遍了,把玻璃當作禮物送給國王顯然有點寒磣。

但是,當人們知道這些玻璃球的神秘之處時,它將變成非常特別的禮物。

因為這些蝌蚪狀玻璃球的球形部分堅硬無比,隨便你用什么敲擊它,它都能保證完好無損,這超出了人們對玻璃的理解范疇。

然而更奇怪的是,你用手輕彈尾部,它將瞬間破碎,甚至是碎成渣渣的那種。

這種玻璃球現在被稱作“魯珀特之淚”,顯然它是以魯珀特王子的名字來命名的,不過這種玻璃球并不是魯珀特王子發明的,據信它的出現可以追溯到羅馬時代。

魯珀特王子只是把它帶到了英國,而查理二世并沒有把它當作耍雜技的道具(事實上在過去很長的時間里魯珀特之淚被用作派對的道具),而是送到英國皇家學會進行科學研究。

在接下來的400來年里,魯珀特之淚一直困擾著科學家們,他們搞不明白玻璃球為什么可以這么堅固,又為什么尾部的斷裂會使整個結構奔潰。

圖注:羅伯特·胡克

研究過它的科學家包括荷蘭物理學惠更斯的父親康斯坦丁·惠更斯,以及發現胡克定律的英國物理學家羅伯特·胡克。

胡克可能是第一個給出相對正確的科學解釋,但是它沒有掌握具體細節,也沒有弄明白尾巴的情況。

事實上,在2017年魯珀特之淚的秘密被徹底破解前,它還比人們想象的要堅硬許多。

2016年在互聯網上瘋傳的一段視頻中,子彈打在魯珀特之淚的球面,子彈直接破碎,足以說明它的強度。

魯珀特之淚的物理性質

其實,制作一顆魯珀特之淚非常簡單,只要把熔融的玻璃液體滴入水中就可以得到,不過秘密就在這種制作過程中。

當高溫的玻璃液體碰到寒冷的水時,玻璃的外部會瞬間凝固,但是在同一瞬間,玻璃的內部依然是熔融狀態,或者內部冷卻的速度更慢。

由于熱脹冷縮效應,玻璃在熱的時候會膨脹,在冷的時候會收縮。這意味著,隨著玻璃內部的逐漸冷卻,它將收縮并將固體外層拉向內部。

但由于外層已經凝固了,所以它只能在分子層面變得非??拷?,從而創造足夠的力來抗衡向內收縮的力,這個力被稱為“張應力”。

而我們前面提到的向內收縮的力被稱作“壓應力”,為了保證魯珀特之淚的形態,兩個力必須處于平衡狀態。

當玻璃球受到壓力時,張應力會非常容易變大,從而繼續保持這種平衡,這是它球面部分非常堅固的原因。

其實胡克是最早發現這點的人,他還想通過打磨玻璃球的外部來證明自己的想法,不過他并沒有了解事物的本質,特別是尾部的觸碰為什么會導致整個玻璃球破碎。

為什么觸碰尾部會崩盤?

1994年的時候,研究人員使用高速分幅攝影來觀察玻璃球的破碎過程,他們得出了結論,包括尾部在內,每一個落點的表面都承受著高度的壓應力,而內部承受著高度的張應力,所以任何一個部位斷裂都會導致整個玻璃球瓦解。

簡單地說,只要有一個地方失去了這種力的平衡,它就會瞬間釋放儲存的勢能。這個有點像你拉開一條橡皮筋然后一邊松手,它會瞬間彈向另外一邊。

當然,魯伯特之淚再怎么堅固也只是玻璃而已,尾部非常薄,它會非常容易被破壞。

圖注:圖b-壓力大小變化

只是,當時研究人員沒法通過技術手段了解應力究竟是如何在魯珀特之淚的內部分布的。

直到2017年,科學家通過紅外線和透射偏光鏡了解到,整個魯珀特之淚的應力分布情況,同時也清楚地知道,頭部的表面壓應力比之前認為的要高得多。

大約是700兆帕,接近大氣壓力的7000倍,這個強度差不多可以抵抗20噸的壓力,不過這種表面的壓層也很薄,大約是液滴頭部直徑的10%。

最后

其實,現在魯伯特之淚有一個非常有名的應用,那就是鋼化玻璃,它就是通過魯伯特之淚的原理改進出來的。

那你可能還會想,玻璃畢竟比較脆弱,如果把玻璃換成金屬會怎么樣,能夠制作更堅硬的金屬版的魯珀特之淚?

簡單的答案是不行!

這是因為金屬是晶體,它的原子排列具有周期性,導致它每個部位都具有相同的屬性,所以它無法像玻璃那樣形成擁有兩種不同物理性質的結構,也就無法制作金屬版的魯珀特之淚。

不過確實有人嘗試過,就像上面這幅圖顯示的那樣,它甚至無法形成魯珀特之淚這樣的形狀。

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