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魯珀特之淚的秘密
2020-05-18 11:08:40 來源: 新華網
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      玻璃,是生活中常見的材料,主要由石英砂、硼砂以及石灰石等原料,再添加少量輔助材料,高溫熔融而成。玻璃是我們生活中一種常見的易碎品,然而有一種玻璃制品——魯珀特之淚,卻能承受住液壓機8噸壓力的錘擊,且絲毫不受影響。

      相傳在17世紀,魯珀特親王將一塊玻璃高溫熔化後自然滴落在冷水中,最終形成了一枚如眼淚般的透明物。一個名為“魯珀特之淚”的名字便由此而來。魯珀特之淚雖然堅固無比,但它也有弱點。魯珀特之淚尖銳的頂端,只要稍有損傷便可爆裂。這又是為什麼呢?

      為了更好地解釋魯珀特之淚圓滑的底端具有超高強度的原因,就不得不提到鋼化玻璃的結構。鋼化玻璃又稱為強化玻璃,是普通玻璃經過熱處理、化學處理等工藝制成的。鋼化玻璃表面存在著一層薄薄的壓應力層,這便是其本身具有高抗壓強度的原因。在壓應力層的作用下,玻璃的結構更加緊密,尤其是其表層的內缺陷會被擠壓,避免了裂紋的擴散。當鋼化玻璃受到外部壓縮力時,其內部的拉應力得到了抵消,從而能夠承受更大的壓縮力;當鋼化玻璃受到拉伸力時,其表層的壓應力得到了釋放,從而提高了承受拉伸力的強度。

      魯珀特之淚的應力分布與鋼化玻璃相似。融化的玻璃在接觸水的瞬間,其外部最先冷卻凝固,而內部卻還是處于熔融狀態。由于熱脹冷縮的原理,隨著玻璃由外向內逐漸冷凝,內部體積收縮變小,對外層形成了拉力,而外層也會對內部形成向外的拉力。但是魯珀特之淚的尾部質量很小,其外層和內部的冷凝時間幾乎相同,導致魯珀特之淚的頭部和尾部冷卻時間不均衡,整體受力不均。

      從物理定律上來説,壓應力和張應力是同時存在的,兩者大小相當,方向相反。魯珀特之淚內部一旦出現應力不平衡的情況,哪怕是其尖端稍微出現一點凹陷,整體就會發生連鎖反應。當內部超高張應力獲得了釋放空間時,玻璃就會發生炸碎。

      魯珀特之淚美麗堅硬又獨特,不僅在外觀上使人賞心悅目,在內部構造方面也讓人嘆為觀止。

      本文由北京市第六十五中學一級教師胡曉艷進行科學性把關。

本作品為“科普中國-科學原理一點通”原創,轉載時務請注明出處。

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【糾錯】 責任編輯: 鐘艷平
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