ルパート王子の雫は、溶けたガラスでできた強い球根状の小球で、非常に壊れやすい尾が付いています。球状の頭は弾丸に耐えることができますが、尾はわずかな力でも壊れて、滴全体が粉々になります.
ガラスは、人類がこれまでに発見し、設計した最も興味深い材料の 1 つです。特定の分子構造を持っていますが、他の化学物質の中でそれを識別する化学式はありません.
ガラスの分子構造は、装飾目的から防弾用途まで、さまざまなニーズに合わせて変更できます。それでも、この神秘的な物質は私たちを驚かせ続けています.
たとえば、防弾は 1 つのことですが、弾丸を粉砕することはまったく別のことです。はい、あなたはその権利を読みました。ガラスは確かに弾丸を粉々にすることができます。この事実をすぐに自分で確認したくなるので、少し時間を取って、もう少し学びましょう。
弾丸を砕くことができるガラスの種類は?
溶けたガラスの小片を冷水に落とすと、小さな巻き毛の尾を持つ涙のしずくに似た形になります。彼らの形と英独王室との歴史から、ルパート王子のドロップと呼ばれるようになりました。オランダの涙やバタビアの涙など、他の名前でも呼ばれます.
ルパート王子のしずくは、バタヴィアの涙としても知られ、しずくのような形をしており、薄く壊れやすい尾を持っています (写真提供:Daria Berdnikova/Shutterstock)
科学者や愛好家が同様に行ったさまざまな実験では、弾丸がドロップの頭から跳ね返ることがわかりました。このプロセスでは、弾丸が崩壊するのに対し、球状の頭部自体が受ける損傷はほとんどありません.
ルパート王子のドロップが特別な理由は?
弾丸を粉砕する涙滴型のガラス片が十分に興味をそそられない場合、ここに楽しい小さな事実があります.プリンス ルパートのしずくの尻尾を切り取ると、すべてが爆発的に小さな破片に砕け散ります。
ここに難問があります...弾丸を粉砕できるものが、細い尾を切り取るだけでどのように破壊できるのでしょうか?その秘密はドロップの構造とその形成過程にあります。
プリンス ルパートのドロップはどのように形成されますか?
溶融ガラスの液滴を冷水に落とすと、ガラスは急冷されます。この言葉に精通している場合は、金属の焼入れについて聞いたことがある可能性があります。
溶融状態の材料を冷却媒体に浸して急冷することを急冷といい、材料に強度を持たせます。 (写真提供:Maksim Safaniuk/Shutterstock)
クエンチングとは、溶融状態まで加熱された材料を急冷するプロセスを指します。これは、溶融した材料を冷水や油などのさまざまな媒体に浸すことによって実現されます。
ガラスの急冷中に何が起こるのですか?
急冷中、ガラス滴の最外面が最初に急冷媒体に接触し、その結果、非常に急速に冷却されます。一方、球根状の頭の中心部は、それほど急速に冷えません.
この冷却差により、ヘッドの最も外側の部分に高い圧縮応力、つまり分子を互いに近づける力がかかります。しかし、内部は冷却が遅いため、分子を互いに引き離す引張り応力が発生します。
ルパート王子の滴の実験と観察
プリンス ルパートの液滴を使用した最も人気のある実験の 1 つは、これらのガラス球を吊るして発射する弾丸試験です。ドロップのヘッドは、弾丸の衝撃に十分耐えられることが観察されています。ただし、衝撃波が尻尾に伝わると、滴全体が爆発的に崩壊します。尻尾だけを切り取っても同じ効果が見られます。
高速イメージング技術が登場するまで、プリンス ルパートの滴の二重挙動の背後にある物理学はほとんど知られていませんでした。これは、それらがほぼ瞬時に微粉末に爆発するため、構造の変化を確実に記録できなかったためです.
プリンス ルパートのドロップのデュアル動作の理由
この異常な動作に対する答えは、ドロップの構造にあります。液滴は、外側の表面が最も速く冷却され、内側の部分がゆっくりと冷却されるように形成されます。
冷却差により、外側に圧縮層、内側に引張層が形成されます。
これにより、内側部分が最も外側の表面を内側に引っ張ることになり、高い圧縮応力が生じます。これらの圧縮応力は 700 メガパスカルにもなります。ただし、液滴の内部はゆっくりと冷却され、負荷がない場合でも、応力の存在を示す真空の泡さえあります。冷却が遅いため、液滴の内部には高い張力がかかり、エネルギーとしてテールに沿って蓄えられます。
ドロップが粉々になるには、ストレッサーが緊張のゾーンで直接作用する必要があります。そのような相互作用により、蓄積されたエネルギーが爆発的に放出されるためです。これは、ドロップの球根状のヘッドに過度の負荷をかけるか、テールを直接乱すことによって行うことができます.
ヘッドの大きな圧縮層は弾丸に耐えるのに十分な強度がありますが、衝撃によって生成された衝撃波がテールを乱し、ドロップが粉々になる可能性があります.同時に、上のクリップに示されているように、テールを切り取るという単純な行為によって、すべての引張り応力が激しく解放され、ドロップ全体が崩壊する可能性があります。
メモ終了 – 参考資料
ルパート王子のドロップのアイデアは偶然の発見ではなく、本質的に前例があります.ガラスの急冷はもともと火山溶岩で研究されていましたが、溶岩は近くの川に溶けて流れ落ち、ガラスを形成します。このガラスは、ルパート王子の液滴に見られるのと同じ機械的特性を示しました。
強化ガラスまたは強化ガラスは強い衝撃に耐えることができ、ルパート王子の滴のように粉々に砕けます (写真提供:Shutterstock)
急冷ガラスからの差動冷却の同様のアプリケーションは、ボローニャ ボトルです。外側の表面は木を釘で打ち砕くほどの強度を持っていますが、内側の表面は非常に脆く、ちょっとした傷でも完全に粉々になってしまいます。今日、ガラスの急冷による冷却速度の違いは、強化ガラス (一般に強化ガラスとして知られている) にも使用されており、プリンス ルパートの滴と同様の特性を示しています。
