@ 2017.05.14 , 22:00

鲁伯特之泪怎么这么硬

研究者终于回答了自从17世纪就困扰科学家的一个问题:为什么名为“鲁伯特之泪”的蝌蚪形玻璃的头部这么硬?

在17世纪,德国的鲁伯特王子将某些玻璃滴带给了英格兰的查理二世,令其为之深深着迷。这种玻璃滴的头部十分坚硬,能承受锤子的重击,但其尾部却十分脆弱,甚至可以用手指扳断,并且随着尾部的断裂,整个玻璃滴也会立即化为齑粉。

将熔化的玻璃滴入冷水中,就能很容易做出鲁伯特王子的玻璃滴。虽然研究者们多年来均试图弄清如此独特性质的原因,但直到最近研究者才利用现代技术进行了仔细的研究。

鲁伯特之泪怎么这么硬
超载鸡献宝鲁伯特之泪。credit: 煎蛋画师六翼

1994年,普渡大学的S. Chandrasekar和剑桥大学的M. M. Chaudhri利用高速分幅照相法观察鲁伯特之泪的碎裂过程。他们总结出表面具有高压应力,而内部具有强张力,因此处于不稳定的均衡态,打破尾部就能破坏这种平衡。

但仍有一个问题有待解决,就是压力在鲁伯特之泪中的分布情况,这将有助于完全解释玻璃滴的头部如此坚硬的原因。

为此,Chandrasekar和Chaudhri开始与爱沙尼亚塔林理工大学的Hillar Aben教授合作。Aben的研究专长是透明三维物体中的残留应力,比如鲁伯特之泪。

在他们三人发表在应用物理快报上的新研究中,他们利用透射式光弹性仪研究鲁伯特之泪内部的压力分布。透射式光弹性仪是一种显微镜,能测量轴对称透明物体的双折射。

实验中,研究者将鲁伯特之泪悬浮在透明液体中,利用红色LED灯照射。通过利用光偏器,研究者测量了光穿过玻璃滴的光迟滞,并据此构建了整个玻璃滴中的压力分布。

研究表明头部的表面压应力远比先前所想更高——高达700兆帕,几乎是大气压的7000倍。并且表面压缩层也很薄,大约是头部直径的10%。

正如研究者所言,这使得玻璃滴头部具有极高的断裂强度。要打碎玻璃滴,就必须要要能将冲击传递到内部的张力区。而由于表面的裂缝会平行于表面延伸,因此无法到达张力区。反而最简单的办法是弄碎尾部,这样该部位的扰动就会传递到张力区。
大体上,研究者认为这一结果最终解释了鲁伯特之泪的秘密。

Chaudhri说道:“这一研究完全解释了头部如此坚硬的原因。我认为我们已经解决了该领域的大部分主要问题,不过也有可能会冒出一些新问题。”

论文原文:DOI: 10.1063/1.4971339

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。Lisa Zyga


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