Капли принца руперта реферат

Обновлено: 05.07.2024

Подробнее о проекте:

Введение
1. Капля Принца Руперта – история и первые исследования.
2. Исторические факты и первые упоминания капли Принца Руперта.
3. Секрет создания и прочности капли Принца Руперта.
4. Применение эффекта закаленного стекла в жизни.
5. Эксперименты по изготовлению капли Принца Руперта.
Заключение
Список литературы

Введение

Однажды, в научной программе я увидел интересный эксперимент. Ведущий брал маленький круглый кусок стекла с тонким хвостиком, и стучал по нему молотком, на молотке образовывались вмятины. Следом по этой стеклянной капле проехались колесом машины и никаких повреждений на ней не оставили. Под конец эксперимента, ведущий слегка задел тонкий хвостик, и она буквально взорвалась в мелкую пыль.

Изготовить каплю в домашних условиях.
На практике изучить физические свойства капли Принца Руперта.
Найти физическое обоснование необычных свойств изучаемого предмета.

Объект исследования: Капля Принца Руперта.

Предмет исследования: Особенности физических свойств Капли Принца Руперта.

Гипотеза: Предположим, что Капля Принца Руперта обладает невиданными пуленепробиваемыми свойствами и она не сложная в изготовлении.

Узнать историю происхождения капель Принца Руперта.
Изучить физические свойства и метод изготовления капли Принца Руперта.
Провести собственный эксперимент.

Сбор и анализ информации из интернета.
Проведение эксперимента.

Практическая значимость: Об актуальности данной темы можно судить по широкой сфере применения знаний, полученных в результате изучения предмета моего исследования. В быту, в строительстве, в машиностроении и прочих сферах жизни.

Капля Принца Руперта – история и первые исследования

Объект моего исследования назван в честь Принца Руперта (рис.1), кузена короля Англии - Карла II. Принц Руперт был разносторонне развитым и любознательным юношей.

Увлекался военным, морским делом, проявлял интерес к науке и научным экспериментам. Ему была присвоена почетная степень магистра искусств.

Также можно найти информацию о его наработках в математике, в шифровании, в мореплавании, в сельском хозяйстве.

Вообще, английская знать 17 века во главе с королем Карлом II, была очень любознательная и охочая до различных наук.

Забавную стеклянную безделушку (рис.2) в форме головастика с длинным изогнутым хвостом, Принц Руперт привез в Англию с континента в середине семнадцатого века. Преподнеся в дар королю Карлу II, для пущей интриги, Руперт назвал их новинкой от немецких мастеров небывалой прочности, с секретным способом производства.

Принц Руперт проявил себя хорошим торговцем, представив новинку обществу, создавая спрос и заработав состояние на продаже забавных капель - сувениров.

В надежде определить, в чем же заключается объяснение необычных физических свойств и технология производства, Карл II поручил Королевскому научному обществу заняться исследованиями.

Так началась известность капель принца Руперта.

Небывалая их прочность удивила ученых. Капля Руперта без повреждений выдерживала удар молотом и попадание пули, оставляя вмятины на металле. Однако не вся поверхность стеклянных капель Руперта была одинаково прочной. Если головка была крепче стали, то хвост - особенно самая тонкая его часть - был очень уязвим. Самое впечатляющее, что легкое повреждение хвостика приводило к настоящему взрыву! Капля мгновенно рассеивалась в мелкую пыль!

Кто же изначально изобрел эти капли? В Англии они появились с легкой руки Принца Руперта, но их авторство он никогда себе не приписывал, он их скорее просто популяризировал и сделал модной забавой для общества.

Необычные стеклянные капли были известны стеклодувам довольно давно. Большого научного или коммерческого интереса они не вызывали. Просто побочный продукт производства изделий из стекла. В связи с этим точно нельзя определить авторство изобретения.

По одним источникам капли начали делать стеклодувы Батавии (Нидерландов) в 1625 году. По другим, они впервые появились в Дании или Германии. Соответственно и названий у стеклянных капель множество - батавские слёзки, прусские слезы, болонские склянки.

Секрет создания и прочности капли Принца Руперта

Метод изготовления стеклянных капель принца Руперта был строго секретным. Это объясняется их коммерческим успехом у публики. Капли с удовольствием покупали в качестве забавных безделушек. Причины небывалой крепости капель в те времена были совершенно не изучены и, даже в среде ученых они оставались большой загадкой. Именно поэтому необычные свойства капель считались мистичными.

Для того чтобы изготовить каплю Принца Руперта нужно просто расплавленным стеклом капнуть в достаточно холодную воду. Стекло в воде застывает в форме головастика с длинным хвостом. Вот и весь секрет.

Физическое объяснение оказалось достаточно интересным. Расплавленная капля стекла капает в очень холодную воду и остывает там. Из-за внешнего воздействия холодной водой – моментально схватывается и сжимается наружный слой.

Внутренний же слой застывает гораздо медленнее. Во время охлаждения внутреннего слоя, так называемого ядра, процессу сжатия сопротивляется уже застывшая оболочка.

В связи с тем, что происходит сопротивление естественному физическому процессу сжатия, ядро занимает большее пространство, чем ему требуется. Из-за этого сердцевина капли имеет слабые межатомные связи и предрасположенность к разрушению.

В итоге, на ядро действует сила растяжения, в то время как на наружную оболочку – сила сжатия (рис.3). Сила сжатия очень велика, по расчетам ученых она в 4000 раз больше атмосферного давления! Любой, даже достаточно сильный удар по головке капли, может вызвать максимум микротрещины на наружном слое.

В то время как разрушение хвостика, не имеющего такую сжимающую силу оболочки, позволяет трещинам проникнуть вглубь ядра. Это вызывает высвобождение напряжения, что и приводит к взрыву капли.

Применение эффекта закаленного стекла в жизни

Еще одной особенностью данного стекла является то, что в готовом виде его нельзя резать или просверливать, так как нарушение целостности поверхностного слоя ведет к разрушению самого стекла. Поэтому при закаливании сразу стоит учитывать размеры и расположение отверстий.

Помимо прочности, закаленное стекло является более безопасным в сравнении с незакаленным. При разрушении оно оставляет после себя мелкие осколки с закруглёнными краями, которыми достаточно сложно порезаться. Именно эта особенность очень пригодилась при изготовлении стекол в автомобили, межкомнатных перегородок и дверей в магазинах и офисах. То есть там, где есть вероятность разбития стекла и травмирования людей осколками.

В быту мы пользуемся посудой из закаленного стекла, такую посуду можно ронять на пол, и ей ничего не будет. Но при случайном скалывании, стакан может лопнуть вдребезги. Также закаленное стекло используют для изготовления полок в холодильник, масок для подводного плавания, пуленепробиваемого стекла и т.п.

Эксперименты по изготовлению капли Принца Руперта

Начитавшись всевозможной информации, мы с мамой и папой решили попытаться изготовить каплю Принца Руперта собственными силами в домашних условиях.

Для этого вооружились газовой горелкой, газовым баллончиком и плоскогубцами. Мы заказали в интернете специальные стеклянные лабораторные палочки, с помощью которых делались подобные эксперименты, виденные нами на видео.

Пока палочки шли к нам по почте, мы решили не терять время и попробовать провести эксперимент из подручного стекла.

Эксперимент первый

Для этого мы использовали оконное стекло, стекло от лампочки, пузырёк от духов и стекло от банки.

Установив газовую горелку над емкостью с холодной водой, мы начали разогревать стекло. Практически всё стекло при нагревании лопалось, не достигая температуры плавления. Мы пришли к выводу, что имеющееся у нас разбитое стекло имеет микротрещины, из-за которых кусочки стекла рассыпались при нагревании. Только целый пузырек от духов начал немного плавиться.

Первый мой эксперимент можно считать неудавшимся, температуры одной горелки было недостаточно, чтобы стекло расплавилось до жидкого состояния. Стекло просто становилось эластичным.

Эксперимент второй

В следующий раз мы продолжили эксперимент с двумя газовыми горелками и плавили уже стеклянные лабораторные палочки (рис.5). После десяти минут нагрева сформировалась и упала в холодную воду капля. Большинство капель, попадая в воду, взрывались, не успевая застынуть.

В результате экспериментов у нас получилось несколько капель именно такого вида, какими они и должны быть – в форме головастика, с длинным хвостиком.

Следующим этапом эксперимента мы начали проверять прочность изготовленной капли.

Зажав в плоскогубцах круглое основание, по нему начали стучать молотком. Молоток отскакивал, не причиняя ущерба капле.

В крепости капель мы уже не сомневались, осталось только проверить хрупкость хвостика. Во избежание травмирования осколками, каплю завернули в салфетку.

Зажав хвостик в плоскогубцах, мы его переломили.

К сожалению, хвостик отламывался, не причиняя ущерба самой головке капли. Из этого мы сделали вывод, что, либо была нарушена нами технология изготовления закаленного стекла (возможно была недостаточно холодная вода), либо стеклянные палочки содержат в себе посторонние примеси, нарушающие чистоту эксперимента.

Эксперимент третий

Следующий этап – эксперимент с готовой каплей. Как и прошлый раз, капля показала удивительную прочность, и под ударами молотка на ней образовались только царапины.

Затем, опасаясь осколков, мы завернули ее в пленку и сжали хвостик в плоскогубцах. Капля лопнула, оставив множество мелких неострых кусочков. Эксперимент удался!

Заключение

В результате проделанной работы мы выяснили происхождение названия капли Принца Руперта, ознакомились с историей первого появления и популяризации этой забавной безделушки.

Мы экспериментально получили каплю Принца Руперта с помощью нагрева стекла и резкого охлаждения готовой капли в воде. Провели эксперименты с готовой каплей, подтверждающие, невероятную крепость головки капли и хрупкость хвостика.

Также мы нашли обоснование необычайной прочности закаленного стекла в физике. Резюмируя собранную информацию, можно сказать что секрет капли Принца Руперта заключается в воздействии на неё двух физических сил. Огромная сила сжатия на поверхности головки капли – не даёт ей разбиться. И сила растяжения в сердцевине, приводящая ко взрыву, при малейшем переломе хвостика капли.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Исследовательская работа

Выполнила: Кривоногова Юлия

Руководитель: Егорова Л.С.

Торбеево 2017 год.

Цель работы стр.

Методы исследования стр.

Объект исследования стр.

История возникновения стр.

Эксперимент №1 стр.

Эксперимент №2 стр.

Используемая литература стр.

Об этом я хочу рассказать в своей работе

Цель работы

1. Собрать информацию из разных источников.

2. Изучить и провести анализ экспериментов.

3. Провести собственный эксперимент.

4. Сделать выводы.

Методы исследования

1. Анализ информации из источников интернета.

2. Обобщение собранной информации.

3. Проведение и наблюдение эксперимента.

Объект исследования

Капля принца Руперта

История возникновения

У принца Руперта, кузена короля Карла II, титулов было примерно столько же, сколько и природных талантов: пфальцграф Рейнский, герцог Баварский, граф Холдернесс, герцог Камберлендский, по совместительству кавалерист, моряк, ученый, администратор и художник.

Проявляя интерес к научным экспериментам, Руперт стал одним из основателей Королевского общества. В частности, он экспериментировал с производством пороха (предложенный им способ делал порох в 10 раз эффективнее), пытался усовершенствовать ружья, изобрел сплав, известный как "металл принца", а также разработал приспосбление для, так сказать, глубоководных погружений. Принц сформулировал математическую проблему о "кубе Руперта", достиг известных успехов как шифровальщик, построил водяную мельницу, разработал морское орудие, придумал механизм, пытался усовершенствовать хирургические инструменты и был автором незаурядных гравюр.

Эксперимент №1

Разбила перегоревшую лампочку.

Дядя показал мне, как нужно нагревать стекло газовой горелкой, затем я работала сама.

Спустя 10-15 минут, стекло начало плавится, и я капнула это в воду.

Достав каплю из воды, я обнаружила, что у нее отсутствует хвостик. А значит, эксперимент не удался.

Эксперимент №2

Спустя пару дней, я, недовольная своим результатом, решила провести второй эксперимент уже с паяльной лампой и стеклянной трубочкой.

Взяла стеклянную трубочку.

Начала плавить ее паяльной лампой.

В этот раз, вытащив каплю, упавшую в воду, я заметила, что она имеет правильную форму.

Как бы я не била ее молотком, капля оставалась целой.

Но сломав ей хвостик, капля разлетелась вдребезги.

Эксперимент №2 прошел успешно.

После того как внутри шарика понизится температура, начнет сжиматсья и ядро. Однако процессу станет сопротивляться уже твердый внешний слой. С помощью межмолекулярных сил притяжения он цепко удерживает ядро, которое, остыв, вынуждено занимать больший объем, чем если бы оно охладилось свободно.

В следствии на границе между внешним слоем и ядром возникнут силы, тянущие внешний слой внутрь, создавая в нем напряжения сжатия, а внутреннее ядро - наружу, образуя в нем напряжения растяжения. Данные напряжения при слишком быстром охлаждении весьма значительны. Так что внутренняя часть шарика может оторваться от наружной, и тогда в капельке образовывается пузырек.

Если нарушить целостность поверхностного слоя слезки, то сила напряжения незамедлительно высвободится. Сама по себе застывшая стеклянная капля весьма крепкая. Она легко выдерживает удар молотком. Однако если преломить её хвостик - она разрушается настолько стремительно, что это скорее похоже на стеклянный взрыв.

Капли Руперта. Загадка, пронесенные через века

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

В этом году, на уроке физики мы рассматривали тему: изменения агрегатного состояния вещества. Вопрос о плавлении веществ меня заинтересовал.

Мне стало интересно, можно ли сделать каплю Руперта в домашних условиях? Изучив технику безопасности по работе с источниками тепла, решил попробовать провести эксперимент.

Собрать информацию из разных источников.

Провести эксперимент: получить стеклянную каплю.

Исследовать свойства капли.

1. Сбор и анализ информации.

2. Обобщение собранной информации.

3. Планирование и проведение эксперимента.

4. Анализ результатов.

Объект исследования - Капля Руперта

Рис.1 Стеклянная капля

Предмет исследования – прочность капли.

Гипотеза исследования – каплю Руперта можно получить в домашних условиях, свойства данного материала уникальны и имеют важное практическое значение.

Новизна исследования заключается в следующем: в ходе работы продемонстрирован механизм создания стеклянной капли, показаны её уникальные свойства, предоставлен образец для оценки реальных размеров частиц стекла после взрыва. В работе приведена оценка давления внутри стеклянной капли.

История создания капли Руперта

Мнения касательно происхождения капель принца Руперта весьма разнообразны. В некоторых источниках указано, что изобрели их в 1625 году в Германии. Но их также называют “Батавскими слезами” и вот почему.
Некогда в Голландии, незнакомый нам ученый провел некий интересный эксперимент. Он плавил палочку из стекла на мощной горелке, а жидкие расплавленные капельки стряхивал в емкость с обыкновенной водой. Стеклянные капли, застывая в холодной воде, приобретали причудливую форму, напоминающую головастиков с округлой головкой и тоненьким змеевидным хвостом.

Широкую известность Батавские слёзки получили после того, как британский герцог Руперт Пфальский преподнес их в качестве диковинного подарка королю Великобритании Карлу II. Еще в детстве Руперт овладел основными европейскими языками, демонстрировал хорошие математические способности и талант рисовальщика.
Продолжая проявлять интерес к научным экспериментам, Руперт стал одним из основателей Королевского общества. В частности, он экспериментировал с производством пороха (предложенный им способ делал порох в 10 раз эффективнее), пытался усовершенствовать ружья, изобрел сплав, известный как "металл принца".

Карл II поручил Королевскому научному сообществу исследовать таинственную и забавную природу стеклянных капель. В честь принца Пфальского Батавские слезки начали именовать не иначе как стеклянные капли принца Руперта [6].

Глава II . Физическое обоснование

Когда капля стекла, расплавленного при температуре 400—600 °C, попадает в воду, её внешний слой охлаждается так быстро, что структура стекла не успевает перестроиться, внутри каждой из них образуется высокое механическое напряжение, а 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. Важно отметить, что характеристики стекла в этом состоянии — в частности, объём — существенно зависят от скорости охлаждения расплава. 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. Если представить, что капля состоит из оболочки и ядра, можно понять, что застывать она начинает сначала у поверхности, то есть ее оболочка уменьшается и сжимается в то время как ядро продолжает быть горячим и жидким [4].

Когда внутренняя температура капли снижается, то ядро также начинает сжиматься, но теперь возникает сопротивление за счет внешнего застывшего слоя. Тесные межмолекулярные связи позволяют ему сдавливать ядро, занимающее уже больший объем. Между оболочкой и ядром возникает очень сильное напряжение, соответственно - сжатия на внешнем слое и растяжения - на внутреннем. Иначе говоря, во внутренней части остывшей капли действуют механические напряжения растяжения, а во внешней части — напряжения сжатия [6].

2.1 Механическое напряжение

Механическое напряжение — это мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле под влиянием различных факторов. Механическое напряжение в точке тела определяется как отношение внутренней силы к единице площади в данной точке рассматриваемого сечения.
Напряжения являются результатом взаимодействия частиц тела при его нагружении. Внешние силы стремятся изменить взаимное расположение частиц, а возникающие при этом напряжения препятствуют смещению частиц.

Это напряжение формируется из-за того, что стекло, используемое в этих слезках, резко расширялось при нагревании и также резко уменьшалось при воздействии холодной воды. Во время процесса изготовления этих капель расплавленное стекло погружают в холодную воду. Когда стекло попадает в воду, снаружи оно остывает быстрее, чем внутри. Внешний слой стекла, затем образует своего рода оболочку, которая сковывает внутреннюю часть. Поскольку внутренняя часть все еще охлаждается и потому, что силы, действующие на объект, должны быть равны нулю, головка формирует растягивающие напряжения на своей внутренней поверхности. (В общих чертах, растягивающее напряжение — это сила, которая тянет вещи друг от друга: представьте разрыв куска бумаги надвое. Напряжение и сжимающее напряжение действуют в противоположных направлениях и таким образом отменяют друг друга).
Величина механического напряжения характеризуется внутренними силами молекул, которые направлены против давления и деформации тела, на единицу площади. Различают два вида напряжения [2,3]:

1. нормальное напряжение приложено на единицу площади сечения, параллельного главной оси тела.

2. касательное механическое напряжение приложено на единицу площади сечения любой другой плоскости сечения.

Для вычисления механического напряжения используется формула:

Величина механического напряжения в СИ измеряется в паскалях (Па). Зависит от внутренней силы сопротивления деформации, а также площади тела. Сейчас можно встретить и другие единицы измерения механического напряжения. Среди них атмосфера, торр, бар, физическая и техническая атмосфера, метр водяного столба, миллиметр (дюйм) ртутного столба, фунт-сила на квадратный дюйм и т.д.

При растяжении напряжение считается положительным, при сжатии – отрицательным.

Способность материала сопротивляться растяжению, сжатию при упругой деформации характеризуется Модулем Юнга.

Рис.3 Механизм растяжения

При упругой деформации возникает сила упругости

Модуль этой силы будет одинаков во всех сечениях. Это означает, что упругая сила зависит не от абсолютного, а от относительного удлинения.

E - модуль Юнга, характеристика упругих свойств материала

2.2 Деформация тела

Явление, при котором происходит изменение формы тела под действием какой-либо внешней силы, называется деформацией [2,3].

Ее природа заключается в движении молекул вещества или целых слоев кристаллической решетки, что приводит к возникновению так называемых дефектов . Степень деформирования зависит от многих факторов, среди которых механическое напряжение.

Выделяют несколько видов изменения формы тела:

1.Деформация растяжения, когда внешняя сила воздействует вдоль всего тела. Имеет прикладное значение при изготовлении веревок, тросов и строительных материалов;

2. Деформация сжатия. В этом случае действие внешней силы совпадает с продольной осью тела, однако оно направлено в сторону центра этого тела. Применяется этот вид деформирования при изготовлении металла и строительных материалов для придания им прочности;

3. Деформация сдвига возникает под действием внешней силы, которая направлена перпендикулярно продольной оси и вызывает движение различных плоскостей тела относительно друг друга;

4.Деформация изгиба характеризуется искривлением главной оси тела, например, когда имеется две точки опоры. Сила, которую может выдержать тот или иной предмет, а также механическое напряжение играют большую роль при создании строительных материалов;

5. Деформация кручения возникает при повороте тела вокруг его продольной оси. Этот вид деформации можно наглядно продемонстрировать на пружинке, которая после прекращения воздействия внешней силы восстановит свою форму.

6. Упругая и пластическая деформация.

Механическое напряжение, которое зависит от природы вещества, влияет на способность тела восстанавливать свою первоначальную форму после возникновения дефекта в кристаллической решетке. По этому признаку выделяют упругую и пластическую деформацию. При пластической деформации тело после воздействия внешней силы не способно восстановить прежнюю форму. Например, пластилин при надавливании на него пальцем сохраняет образовавшуюся ямку. Упругая деформация характерна для тех веществ, которые способны восстанавливать свою первоначальную форму после воздействия на них внешней силы. Примером может служить та же пружина, которая при любом описанном выше виде деформации возвращается в первоначальное состояние.

Рис.4 Виды деформации

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.

2.3 Тепловое расширение

Механизм теплового расширения твердых тел можно представить следующим образом. Если к твердому телу подвести тепловую энергию, то благодаря колебанию атомов в решетке происходит процесс поглощения им теплоты. При этом колебания атомов становятся более интенсивными, т.е. увеличиваются их амплитуда и частота. С увеличением расстояния между атомами увеличивается и потенциальная энергия, которая характеризуется межатомным потенциалом.

Последний выражается суммой потенциалов сил отталкивания и притяжения. Силы отталкивания между атомами с изменением межатомного расстояния меняются быстрее, чем силы притяжения; в результате форма кривой минимума энергии оказывается несимметричной, и равновесное межатомное расстояние увеличивается. Это явление и соответствует тепловому расширению.

Основной закон теплового расширения твердых тел гласит, что тело с линейным размером L ₀ при увеличении его температуры на ΔT расширяется на величину ΔL, равную:

ΔL = αL₀ΔT

Где α — так называемый коэффициент линейного теплового расширения .

Коэффициент линейного расширения зависит от природы вещества, а также от температуры. Однако, если рассматривать изменения температуры в не слишком широких пределах, зависимостью α от температуры можно пренебречь и считать температурный коэффициент линейного расширения величиной постоянной для данного вещества. В этом случае линейные размеры тела, как вытекает из формулы зависят от изменения температуры следующим образом:

L = L₀(1 +αΔT)

2.4 Парадокс капли

Круглая часть такой слезы Руперта - сверхпрочное стекло, а ее хвост, обламываясь, превращает всю конструкцию в пыль.

Если опустить расплавленное стекло в слишком холодную воду, то уровень напряжения достигнет максимума и позволит внутренней части капли отделиться от наружной, образовав пузырек. Именно внутренние силы напряжения сжатия и растяжения сопротивляются любой силе удара.

Отломив “хвостик” капли, мы разрушим верхний слой, что позволит внутреннему давлению растяжения заработать в полную силу, и стеклянную каплю разнесет в пыль.

Причину, по которой сжимающее напряжение снаружи капель предотвращает разрыв, можно понять интуитивно: атомы стекла прижимаются друг к другу, поэтому им некуда деться. В таких условиях материалы труднее сломать, если растягивать тело, то оно легче разрушается [1].

2.5 Научные исследования капли Руперта

Хиллар Абен (Hillar Aben) из Таллинского технологического университета, Эстония, и его коллеги из Университета Пердью, США, и Кембриджского университета, Великобритания, изучили природу напряжений в основной части капли принца Руперта (она образуется, если каплю расплавленного стекла уронить в воду). Необычайная прочность этой части капли и ее связь с тоненьким хвостом капли, выяснили ученые, основана на сжимающем напряжении, а не напряжении растяжения, как предполагалось. Свои результаты исследователи изложили в статье, опубликованной в журнале Applied Physics Letters [6].

Теперь исследователи продолжили изучение свойств этого интересного объекта, используя так называемый метод интегральной фотоупругости. Они погружали каплю в жидкость и светили через нее поляризованным светом. Области, где есть напряжение, распространяют поляризованный свет по-разному, так что ученые, обработав свет с помощью методов, аналогичных тем, которые используются в медицине при компьютеризированном томографическом сканировании, исследователи смогли наметить различные слои напряжений внутри капли.

Рис.6 Капля в поляризованном свете

Группа измерила напряжение сжатия в головке капли, которое оказалось эквивалентно более чем 4000-кратному атмосферному давлению, что делает каплю такой же прочной, как некоторые марки стали. Напряжения растяжения, присутствующие в хвосте и внутри капли, имеют тенденцию к распространению трещин, но не могут преодолеть сопротивление вышележащих сжимающих напряжений в головке капли. Этот сжимающий внешний слой защищает головку от ударов молотка — но стоит отломить хвост позволяет трещинам продвигаться по капле, и, хотя сжимающий внешний слой замедляет распространение трещин, остановить его он уже не может [4].

Цель: изготовить каплю, исследовать свойства стеклянной капли.

Оборудование и материалы: портативная газовая горелка с газовым балоном с пропанбутановой смесью, лабораторная химическая стеклянная палочка, ведро с водой Т 0-3С°, ПК с программным обеспечением Eclipse для трехмерного планирования, весы портативные электронные 200гр точность 0,01гр, прозрачный скотч

Алгоритм выполнения эксперимента

Рис. 6 Схема пламени газовой горелки

А – область пламени, в которой горение не происходит (смесь газа с воздухом)

В – область восстановительного пламени (сгорание газа происходит не полностью – недостаток кислорода; содержатся раскалённые углеродистые продукты распада молекул газа)

О – область окислительного пламени (полное сгорание – избыток кислорода)

Для работы мы взяли газовый баллон (пропан-бутан) и горелку, мощностью 1 кВт.

Наивысшая температура пламени и распределение температур в различных частях пламени зависит от состава газа и воздуха, регулирования поступления газа и воздуха, конструкции горелки и т.п.

Примерное распределение температур в различных частях пламени: (см. рисунок)

1 - 300ºC, 2 - 350ºC, 3 - 520ºC, 4 - 1540ºC, 5 - 1560ºC, 6 - 1550ºC, 7 - 450ºC, 8 - 1570ºC, 9 - 1540ºC

Рис. 7 Стеклянные капли, полученные в домашних условиях.

Нагреем стеклянную палочку в пламени газовой горелки над емкостью с водой, до тех пор, пока палочка не начнет размягчаться и от нее не начну отрываться капли.

Теперь достанем застывшие капельки стекла, положим на твердую поверхность и ударим по ним молотком. Капельки останутся целыми. Возьмем капельку и надломим бокорезами хвостик (у основания). Капелька рассыплется или даже взорвется, при этом во все стороны полетят мелкие кусочки стекла.

Рис. 8 Демонстрация разрушения капли Руперта

1 Поместили стеклянную каплю в несколько слоев прозрачного скотча

2 надломили хвостик стеклянной капли

3 между слоями скотча осталась стеклянная пыль

Этап 2
Оценим давление внутри стеклянной капли на стенки.

Будем использовать уравнение Ламе.

Рис. 9 Схема внутреннего давления

Где p - давление изнутри

r - радиус внутренней части

Значение механического напряжения возьмём равным 4000*р₀ (смотри параграф 2.5)

Была построена 3 D модель капель Руперта в программе Eclipse , на основании которой измерен внешний объем капель.

Вы можете изучить и скачать доклад-презентацию на тему Капли принца Руперта. Презентация на заданную тему содержит 8 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас - поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!

Батавские слёзки (в честь Батавии — старого названия Голландии), капли принца Руперта — застывшие капли закалённого стекла, обладающие чрезвычайно высокими внутренними Батавские слёзки (в честь Батавии — старого названия Голландии), капли принца Руперта — застывшие капли закалённого стекла, обладающие чрезвычайно высокими внутренними механическими напряжениями.

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 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. Сжатая оболочка очень прочна, но если оболочку разрушить, все напряжения высвобождаются, и капля взрывается. 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 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. Сжатая оболочка очень прочна, но если оболочку разрушить, все напряжения высвобождаются, и капля взрывается.

Читайте также: