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鲁珀特之泪的原理 比铁还硬是为什么?

作者:兴银 来源:太极拳 发布时间:2017-10-19 10:32:37 【字体:

玻璃在什么的影响之中应该是比较脆弱的,日常生活中也常会因为没有注意力度就把家里的玻璃制品打碎了。但是接下来小编要跟大家说的这个东西也是玻璃做的,但是硬度却十分的高,甚至可以承受20吨的压力,下面一起来了解一下鲁珀特之泪吧。

什么是鲁珀特之泪

鲁珀特之泪的原理 比铁还硬是为什么?

将熔化的玻璃靠重力自然滴入冰水中,就会形成这些如同蝌蚪状的“玻璃泪滴”。被俗称为“鲁珀特之泪”的这种玻璃有着奇妙的物理特性:泪珠本身就和实心玻璃没什么两样,捏捏锤锤都安然无恙,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。

鲁珀特之泪的原理

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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: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体积变小时,液态的玻璃自然而然地拉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,同时核心位置也被拉扯向四周,受到拉应力。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。

鲁珀特之泪到底有多硬

鲁珀特之泪的原理 比铁还硬是为什么?

为什么锤子砸普通玻璃会碎,而不是锤子碎,因为碎不是硬度管的事,是材料断裂韧性和冲击韧性管的范畴,而且和强度的概念也不一致注意区分。

如果玻璃的断裂性是1个单位的话,铁锤子就达到100,甚至140个单位的比值,所以刨除结构因素,不断加力强度肯定是玻璃先碎。

所以鲁珀特之泪有多硬,就比较模糊,从硬度上讲那个视频里鲁珀特普通玻璃的确比的铅弹硬度高多了。1.5:7的关系。

鲁珀特之泪碎掉是因为尾部手拿的地方晃动破碎造成其内部应力的完全释放,简单地说就是自己把自己打碎了。

鲁珀特之泪的研究

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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。”

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