魯伯特之淚的名字來源於中世紀一位名為魯伯特的德國親王,其本身具有一種看起來很神奇的性質,製作起來卻很簡單,只需要將玻璃熔化滴入水中就能夠得到。
完全冷卻之後用錘子砸甚至用液壓機壓魯伯特之淚頭部都不會碎,然而輕輕碰一下魯伯特之淚的尾巴卻立馬爆碎。
魯伯特之淚的神奇特性來源於內部力的作用,而一般的普通玻璃卻不具備這種特性,所以魯伯特之淚看起來非常神奇,雖然兩者材料相同。
原因是玻璃熔化後滴入水中,由於玻璃溫度很高,而水的溫度不高,所以兩者一旦接觸,玻璃的外層遇到冷水快速冷卻,馬上就凝固變硬。
但是外層冷卻的時候,內部卻還沒有冷卻,有一個緩慢的冷卻過程,由於熱脹冷縮,所以在內部內層體積會收縮。
而一旦收縮,就會在內外形成兩種不同的力,外部是往內的壓應力,內部是收縮的拉應力。兩種力形成的合力非常大,可以達到7000倍的大氣壓,就相當於把七噸的物體壓在一平方釐米這麼大的面積上。
所以外部施加的力只要沒有超過這個上限就不可能從頭部打破魯伯特之淚,不管這個力的來源是什麼,子彈、錘子或者液壓機。
而魯伯特之淚的尾巴之所以那麼脆,是因為尾巴很細,受力面積小。在其內部每個地方都有非常強大拉應力和壓應力,尾巴也是一樣,但是由於面積小,只需要非常小的力就能破壞整體結構。
這個結構一旦被破壞,魯伯特之淚內部壓應力和拉應力的平衡就被破壞了,所以就會以一個很高的速度整個爆炸,那這個速度最高可以達到秒速1900米。
這個原理現在被應用在很多地方,就是日常生活中隨從可見的鋼化玻璃,製作工藝跟魯伯特之淚非常像,將玻璃加熱軟化後快速冷,就能夠得到與魯伯特之淚差不多的結構,不過由於整體形態不一樣所以強度也不一樣。
鋼化玻璃強度大,用錘子鑿都鑿不碎,韌性也非常好,就算是鋼化玻璃碎了也不會形成普通玻璃那樣的玻璃碎片,缺點是無法如同普通玻璃一樣被切割。
因為鋼化玻璃內部是有應力的,你破壞了一點點就就會打破內部應力平衡,整個就會爆碎,所以必須是先設計好了,一次成型,不能做好了再去切割。
這也是鋼化玻璃的缺點,存在一些突然破碎風險,如同魯伯特之淚一樣,鋼化玻璃也有脆弱的地方,就是鋼化玻璃邊緣的地方。
正常使用的鋼化玻璃,比如汽車上的,用錘子怎麼敲都敲不碎,但是在玻璃邊緣稍稍用力一敲,整塊玻璃都會破碎。
並且還存在一種突然破碎的情況,是由於玻璃在製作過程中有時會在其內部殘留一種叫硫化鎳的特殊雜質。硫化鎳不會像一般物質一樣熱脹冷縮,恰恰相反,它會熱縮冷脹。
硫化鎳有兩種相可以組成兩種不同的結構,正常情況下結構並不會改變,在溫度達到一定的情況下,硫化鎳就會發生相變,體積就會膨脹導致應力結構被破壞,造成整塊玻璃破碎。