困擾了科學家400年的謎團:魯伯特之淚!

魯伯特之淚是一種形似蝌蚪的玻璃製品,熔化的玻璃在重力下自然滴入冰水中,形成的如同蝌蚪狀的“玻璃淚滴”,就稱為“魯珀特之淚”。

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雖然看似普通,但性質卻一點都不普通。魯伯特之淚的淚珠部分異常堅硬,即使用錘子敲擊也毫髮無損,但如果它的尾部破碎(用手指就能捏碎),淚珠就會瞬間爆裂成粉末,這一神奇現象困擾了科學家長達400年之久。

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可以看到,用鐵錘敲擊淚滴的頭部是敲不碎的。。不過當你稍微施加壓力在其尾部,就會出現下面的情況。

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這種神奇的玻璃最早出現在17世紀,當巴達維亞的魯伯特王子把五顆這樣的奇物獻給英格蘭的查理二世時,魯伯特之淚便開始名聲大噪。

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1661年,這五顆魯伯特之淚被移交給英國皇家學會以供研究,然而經過四個世紀的鑽研,魯伯特之淚兼具高硬度和自毀易碎性的秘密才被解開。研究人員表示,因為魯伯特之淚表面的冷卻速度比內部的冷卻速度要快,從而使表面對內部產生強大的抗壓應力,但這種壓應力被內部的拉應力抵消。

只要這種應力保持平衡,魯伯特之淚就能夠保持穩定,可承受巨大的外力衝擊。通常來說,由於玻璃是過冷液體而非固體,表面的任何裂紋都會以音速擴散到內部,從而導致物體碎裂。但“魯珀特之淚”的內部和外部交界面把外力引向一邊,所以裂紋無法擴散。

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不過,如果尾部破碎,尾部的淺裂紋就會沿著“魯珀特之淚”的軸線,深入頭部和交界面。這會造成巨大的破壞,使得原本平衡的應力被釋放,導致魯珀特之淚爆裂。普渡大學的博士後研究員庫什克·維斯瓦納坦說:拉應力通常導致材料斷裂,如同把紙撕成兩半。但如果把拉應力變成壓應力,裂紋就會難以擴散。魯珀特之淚的頭部就是如此。

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魯珀特之淚碎裂的原理叫做“裂紋擴展”,源於其內部不均衡的壓力:當熔化的玻璃滴入冰水中時,玻璃表面迅速冷卻形成外殼,而殼下的玻璃還仍然是液態。等到核部的玻璃也冷卻凝結體積變小時,液態的玻璃自然而然地拉著已經是固態的外殼收縮,導致靠近表面的玻璃受到很大的壓應力,同時核心位置也被拉扯向四周,受到拉應力。當外部遭到破壞時,這些殘餘應力迅速釋放出來,使得裂紋瞬間傳遍全體、支離破碎,據高速攝影技術觀測,其裂紋的傳遞速度可達秒速1450米-1900米,這可是5倍的音速了。


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