На пръв поглед капките на принц Руперт изглеждат като любопитни стъклени изделия с форма на попова лъжичка. Те се състоят от масивна, закръглена глава и изключително тънка, издължена опашка. Зад привидно обикновения им външен вид обаче се крие забележително физично явление, което в продължение на векове озадачава учени и изследователи. Тези стъклени образувания могат да понесат удари с чук, без да се счупят, но ако дори малка част от тънката им опашка бъде отчупена, цялата капка се разпада експлозивно за части от секундата. Причината за това необичайно поведение се крие в начина, по който се охлажда разтопеното стъкло, както и в огромните вътрешни напрежения, които се запазват в материала след неговото втвърдяване.

Историята на тези необичайни стъклени капки започва през XVII век. Те стават известни в Англия благодарение на принц Руперт Рейнски (1619–1682), германски аристократ и военачалник, който представя подобни образувания пред крал Чарлз II. Смята се, че капките са били донесени от Германия и предизвикват значителен интерес в кралския двор заради необичайните си свойства. Впоследствие явлението привлича вниманието и на членовете на Кралското дружество в Лондон, които започват да го изследват. Капките са известни и като батавски сълзи, а техните свойства се превръщат в една от интересните загадки на ранната експериментална физика.

Производството им е сравнително просто, поне на пръв поглед. Краят на стъклена пръчка се нагрява до температура, при която материалът започва да се топи и образува капка. След това разтопеното стъкло се оставя да падне във вода със значително по-ниска температура. При контакта с водата външната повърхност на капката се охлажда изключително бързо и се втвърдява почти незабавно, докато вътрешността остава гореща и продължава да се охлажда значително по-бавно. Именно тази разлика в скоростта на охлаждане е в основата на необикновените механични свойства на капките.

За да се разбере какво се случва, трябва да се разгледа поведението на стъклото при охлаждане. Подобно на много други материали, то се свива при понижаване на температурата. Когато външният слой на капката се втвърди бързо, той образува сравнително твърда обвивка около все още горещата вътрешност. С времето и сърцевината започва да се охлажда и да се свива, но вече втвърдената външна обвивка ограничава свободното ѝ движение. В резултат в структурата се формира сложно разпределение на остатъчни механични напрежения: повърхността се оказва под силно натискателно напрежение, докато вътрешността е под опън.

Това разпределение на напреженията е ключът към изключителната здравина на капката. Външният слой е подложен на компресия, която затруднява образуването и разпространението на пукнатини. Обикновено, когато стъклото бъде ударено, по повърхността му могат да възникнат микроскопични дефекти, които постепенно се превръщат в пукнатини. При капките на принц Руперт обаче силното натискателно напрежение в повърхностния слой противодейства на този процес. То буквално притиска материала и затруднява отварянето на пукнатините, което позволява на масивната глава да издържа на впечатляващи механични натоварвания.

Изследванията показват, че повърхностните компресивни напрежения могат да достигнат приблизително 400–700 мегапаскала. Това е изключително висока стойност за обикновено стъкло. Експерименти, публикувани в списание Applied Physics Letters през 2016 г., демонстрират, че главата на подобна капка може да издържи натоварване от порядъка на 15 000 нютона при определени условия. Това обяснява защо тя може да понесе дори удар с малък чук, без да се разпадне.

Но ако масивната част е толкова устойчива, защо отчупването на тънката опашка води до унищожаването на цялото образувание? Отговорът отново се крие във вътрешното разпределение на напреженията. Докато външната обвивка е под натиск, сърцевината на капката е подложена на значително опънно напрежение. Тази енергийно нестабилна конфигурация се запазва в материала след охлаждането. Когато опашката бъде повредена, се създава път за проникване на пукнатина към вътрешната част, където натрупаните опънни напрежения могат да предизвикат изключително бързо разрушаване.

Веднъж достигнала вътрешността, пукнатината започва да се разпространява през материала с огромна скорост. Процесът не представлява обикновено счупване на стъкло, а верижно освобождаване на натрупаната енергия, което води до разпадане на цялата капка. Високоскоростни видеозаписи показват, че фронтът на разрушаване може да се движи със скорост до около 1900 метра в секунда. Това означава, че само за няколко хилядни от секундата пукнатините могат да преминат през цялото образувание, превръщайки го в множество дребни фрагменти.

През последните десетилетия учените използват все по-съвършени методи, за да разберат как точно се разпределят напреженията в тези необикновени структури. Един от подходите е интегралната фотоеластичност – техника, която позволява чрез преминаването на поляризирана светлина през прозрачния материал да се изследват вътрешните му механични напрежения. Тези измервания дават възможност на изследователите да създадат подробна картина на силите, действащи в различните части на капката, без да се налага тя да бъде разрушавана.

През 2021 г. изследване, публикувано в Nature Communications, разглежда подробно експлозивното раздробяване на капките и установява закономерности в размера на получените фрагменти. Последващи изследвания, публикувани през 2022 г. в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), допълват разбирането за процесите на термично напрежение и разрушаване на стъклото. Учените установяват и че наличието на мехурчета в разтопения материал може да попречи на образуването на стабилни капки на принц Руперт, тъй като създава нееднородни области на напрежение, които променят поведението на материала при бързото охлаждане.

Интересното е, че принципът, който прави тези капки толкова необичайни, има и съвсем практическо приложение. Подобен механизъм се използва при производството на закалено стъкло, познато от автомобилните странични прозорци, душ кабините и различни архитектурни конструкции. При неговото производство стъклото се нагрява и след това се охлажда контролирано, така че да се формира повърхностен слой под натиск. Това значително увеличава устойчивостта му на механични въздействия. Когато все пак се счупи, закаленото стъкло обикновено се раздробява на множество сравнително малки парчета с по-малко опасни ръбове, вместо да образува големи и остри стъклени фрагменти.

Въпреки че капките на принц Руперт са познати на човечеството от близо четири столетия, те продължават да представляват интерес за физиците и специалистите по материалознание. Тяхната необичайна комбинация от изключителна здравина и внезапно разрушаване демонстрира колко съществено влияние могат да окажат вътрешните напрежения върху поведението на един материал. На пръв поглед обикновена стъклена капка всъщност представлява сложна система, в която силите на компресия и опън се намират в деликатно равновесие. Именно това равновесие ѝ позволява да устоява на мощни удари, но същевременно я превръща в изключително нестабилна структура, когато бъде нарушена нейната цялост.

Снимка: Unsplash/Wiki Commons/ZME Science

Виж още: ИИ експерт спря да спестява за пенсия, защото смята, че човечеството може да изчезне до 10 години