魯伯特之淚怎麼這麼硬

2021-01-14 煎蛋

研究者終於回答了自從17世紀就困擾科學家的一個問題：為什麼名為「魯伯特之淚」的蝌蚪形玻璃的頭部這麼硬？

在17世紀，德國的魯伯特王子將某些玻璃滴帶給了英格蘭的查理二世，令其為之深深著迷。這種玻璃滴的頭部十分堅硬，能承受錘子的重擊，但其尾部卻十分脆弱，甚至可以用手指扳斷，並且隨著尾部的斷裂，整個玻璃滴也會立即化為齏粉。

將熔化的玻璃滴入冷水中，就能很容易做出魯伯特王子的玻璃滴。雖然研究者們多年來均試圖弄清如此獨特性質的原因，但直到最近研究者才利用現代技術進行了仔細的研究。

 

超載雞獻寶魯伯特之淚。credit:煎蛋畫師六翼

1994年，普渡大學的S. Chandrasekar和劍橋大學的M. M. Chaudhri利用高速分幅照相法觀察魯伯特之淚的碎裂過程。他們總結出表面具有高壓應力，而內部具有強張力，因此處於不穩定的均衡態，打破尾部就能破壞這種平衡。

但仍有一個問題有待解決，就是壓力在魯伯特之淚中的分布情況，這將有助於完全解釋玻璃滴的頭部如此堅硬的原因。

為此，Chandrasekar和Chaudhri開始與愛沙尼亞塔林理工大學的Hillar Aben教授合作。Aben的研究專長是透明三維物體中的殘留應力，比如魯伯特之淚。

在他們三人發表在應用物理快報上的新研究中，他們利用透射式光彈性儀研究魯伯特之淚內部的壓力分布。透射式光彈性儀是一種顯微鏡，能測量軸對稱透明物體的雙折射。

實驗中，研究者將魯伯特之淚懸浮在透明液體中，利用紅色LED燈照射。通過利用光偏器，研究者測量了光穿過玻璃滴的光遲滯，並據此構建了整個玻璃滴中的壓力分布。

研究表明頭部的表面壓應力遠比先前所想更高——高達700兆帕，幾乎是大氣壓的7000倍。並且表面壓縮層也很薄，大約是頭部直徑的10%。

正如研究者所言，這使得玻璃滴頭部具有極高的斷裂強度。要打碎玻璃滴，就必須要要能將衝擊傳遞到內部的張力區。而由於表面的裂縫會平行於表面延伸，因此無法到達張力區。反而最簡單的辦法是弄碎尾部，這樣該部位的擾動就會傳遞到張力區。

大體上，研究者認為這一結果最終解釋了魯伯特之淚的秘密。

Chaudhri說道：「這一研究完全解釋了頭部如此堅硬的原因。我認為我們已經解決了該領域的大部分主要問題，不過也有可能會冒出一些新問題。」

論文原文：DOI:10.1063/1.4971339

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。Lisa Zyga


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