Батавские слёзки

Батавские слёзки^[1][2] (в честь Батавии — старого названия Голландии), также болонские склянки, капли принца Руперта (англ. Prince Rupert's drops) — застывшие капли закалённого стекла, обладающие чрезвычайно высокими внутренними механическими напряжениями^[3].

Внешние изображения
	Батавская слёзка под прессом, сминающая свинец. Gif-картинка.
	Разлетающаяся батавская слёзка. Gif-картинка.

Батавские слёзки в поляризованном свете

История

Скорее всего, подобные стеклянные капли были известны стеклодувам с незапамятных времён, однако внимание учёных они привлекли в середине XVII века^[4]. Появились они в Европе (по разным источникам, в Голландии, Дании или Германии). В Англию их привёз принц Руперт Пфальцский. Технология изготовления «слёзок» держалась в секрете, но на поверку оказалась очень простой.

Опыт

Если капнуть расплавленным стеклом в холодную воду и стекло после этого не лопнет, а начнёт застывать^[5], получается капля в форме головастика, с длинным изогнутым «хвостом». При этом «голова» капли обладает исключительной прочностью, по ней можно бить металлическим молотком в полную силу, и в зависимости от объёма она выдерживает усилие гидравлического пресса до 30 тонн, оставляя вмятину на стали.

Но стоит надломить или просто задеть «хвост» капли, она мгновенно разлетается на мелкие осколки^[2] по направлению от «хвоста» к «голове». По этой причине надламывание желательно проводить под слоем жидкости и инструментом типа щипцов, так как при этом опыте помимо опасности от самого стекла происходит гидроудар из-за очень резкого расширения поля осколков. На кадрах, зарегистрированных с помощью высокоскоростной съёмки, видно, что фронт «взрыва» движется по капле с большой скоростью: 1,2 км/с (для сравнения: скорость звука в воздухе 0,34 км/с, скорость детонации взрывчатки — 2—9 км/с).

Если опыт проводится в темноте, заметна также триболюминесценция. В поляризованном свете видно, что капля не изотропна, а испытывает сильные внутренние напряжения, что и вызывает такие свойства.

Физическое объяснение

Расплавленное стекло при понижении температуры не кристаллизуется, а переходит в стеклообразное состояние, то есть атомы твердеющего стекла не успевают занять свои «правильные», такие же, как в кристалле, места, а формируют структуру, подобную структуре жидкости. Характеристики стекла в этом состоянии — в частности, объём — существенно зависят от скорости охлаждения расплава^[6].

Когда капля стекла, расплавленного при температуре 400—600 °C, попадает в воду, её внешний слой охлаждается так быстро, что структура стекла не успевает перестроиться, и соответствующее изменение (уменьшение) объёма мало́. С другой стороны, сердцевина капли остывает медленно, и потому структура стекла сердцевины изменяется в гораздо большей степени, чем у стекла в наружном слое. Однако объём сердцевины не может измениться соответственно изменению структуры, поскольку такому изменению объёма препятствует внешний слой. В результате сердцевина оказывается растянута, а внешний слой — сжат. Иначе говоря, во внутренней части остывшей капли действуют механические напряжения растяжения, а во внешней части — напряжения сжатия^[7][8]. Сжатая оболочка очень прочна (так же устроены, например, донышки аэрозольных баллонов или бетонные тоннели метро), но если оболочку разрушить, все напряжения высвобождаются, и капля взрывается.

Аналогичным образом получают закалённое стекло — однако у него нет того хвостика, за который можно сломать оболочку (точнее, такими «хвостиками» являются углы с наибольшей кривизной). Если оболочку всё-таки удастся сломать (например, вставив стакан из такого стекла в другой стакан и нагрев, или ударив по торцу листа из такого стекла), возможен такой же «взрыв».

Применение

Несмотря на прочность самой капли, прикладное их применение не задокументировано. Их слабое место — хвост: его очень легко сломать. После надлома хвоста тело капли раскрошится само, поэтому капли почти не имеют прикладной ценности^[9].

См. также

• Слёзы Пеле
• Закалённое стекло
• Триплекс