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鲁珀特之泪,一个简单的玻璃是如何击碎子弹的?

17世纪的时候,德国的鲁珀特王子给英国国王查理二世送去了几颗蝌蚪状的玻璃球,1000多年前玻璃在西方就已经很普遍了,把玻璃当作礼物送给国王显然有点寒碜。

但是,当人们知道这些玻璃球的神秘之处时,它将变成非常特别的礼物。

因为这些蝌蚪状玻璃球的球形部分坚硬无比,随便你用什么敲击它,它都能保证完好无损,这超出了人们对玻璃的理解范畴。

然而更奇怪的是,你用手轻弹尾部,它将瞬间破碎,甚至是碎成渣渣的那种。

这种玻璃球现在被称作“鲁珀特之泪”,显然它是以鲁珀特王子的名字来命名的,不过这种玻璃球并不是鲁珀特王子发明的,据信它的出现可以追溯到罗马时代。

鲁珀特王子只是把它带到了英国,而查理二世并没有把它当作耍杂技的道具(事实上在过去很长的时间里鲁珀特之泪被用作派对的道具),而是送到英国皇家学会进行科学研究。

在接下来的400来年里,鲁珀特之泪一直困扰着科学家们,他们搞不明白玻璃球为什么可以这么坚固,又为什么尾部的断裂会使整个结构奔溃。

图注:罗伯特・胡克

研究过它的科学家包括荷兰物理学惠更斯的父亲康斯坦丁・惠更斯,以及发现胡克定律的英国物理学家罗伯特・胡克。

胡克可能是第一个给出相对正确的科学解释,但是它没有掌握具体细节,也没有弄明白尾巴的情况。

事实上,在2017年鲁珀特之泪的秘密被彻底破解前,它还比人们想象的要坚硬许多。

2016年在互联网上疯传的一段视频中,子弹打在鲁珀特之泪的球面,子弹直接破碎,足以说明它的强度。

鲁珀特之泪的物理性质

其实,制作一颗鲁珀特之泪非常简单,只要把熔融的玻璃液体滴入水中就可以得到,不过秘密就在这种制作过程中。

当高温的玻璃液体碰到寒冷的水时,玻璃的外部会瞬间凝固,但是在同一瞬间,玻璃的内部依然是熔融状态,或者内部冷却的速度更慢。

由于热胀冷缩效应,玻璃在热的时候会膨胀,在冷的时候会收缩。这意味着,随着玻璃内部的逐渐冷却,它将收缩并将固体外层拉向内部。

但由于外层已经凝固了,所以它只能在分子层面变得非常靠近,从而创造足够的力来抗衡向内收缩的力,这个力被称为“张应力”。

而我们前面提到的向内收缩的力被称作“压应力”,为了保证鲁珀特之泪的形态,两个力必须处于平衡状态。

当玻璃球受到压力时,张应力会非常容易变大,从而继续保持这种平衡,这是它球面部分非常坚固的原因。

其实胡克是最早发现这点的人,他还想通过打磨玻璃球的外部来证明自己的想法,不过他并没有了解事物的本质,特别是尾部的触碰为什么会导致整个玻璃球破碎。

为什么触碰尾部会崩盘?

1994年的时候,研究人员使用高速分幅摄影来观察玻璃球的破碎过程,他们得出了结论,包括尾部在内,每一个落点的表面都承受着高度的压应力,而内部承受着高度的张应力,所以任何一个部位断裂都会导致整个玻璃球瓦解。

简单地说,只要有一个地方失去了这种力的平衡,它就会瞬间释放储存的势能。这个有点像你拉开一条橡皮筋然后一边松手,它会瞬间弹向另外一边。

当然,鲁伯特之泪再怎么坚固也只是玻璃而已,尾部非常薄,它会非常容易被破坏。

图注:图b-压力大小变化

只是,当时研究人员没法通过技术手段了解应力究竟是如何在鲁珀特之泪的内部分布的。

直到2017年,科学家通过红外线和透射偏光镜了解到,整个鲁珀特之泪的应力分布情况,同时也清楚地知道,头部的表面压应力比之前认为的要高得多。

大约是700兆帕,接近大气压力的7000倍,这个强度差不多可以抵抗20吨的压力,不过这种表面的压层也很薄,大约是液滴头部直径的10%。

最后

其实,现在鲁伯特之泪有一个非常有名的应用,那就是钢化玻璃,它就是通过鲁伯特之泪的原理改进出来的。

那你可能还会想,玻璃毕竟比较脆弱,如果把玻璃换成金属会怎么样,能够制作更坚硬的金属版的鲁珀特之泪?

简单的答案是不行!

这是因为金属是晶体,它的原子排列具有周期性,导致它每个部位都具有相同的属性,所以它无法像玻璃那样形成拥有两种不同物理性质的结构,也就无法制作金属版的鲁珀特之泪。

不过确实有人尝试过,就像上面这幅图显示的那样,它甚至无法形成鲁珀特之泪这样的形状。