研究者終于回答了自從17世紀就困擾科學家的一個問題:為什么名為“魯伯特之淚”的蝌蚪形玻璃的頭部這么硬?
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,并且隨著尾部的斷裂,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,因此處于不穩定的均衡態,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,這將有助于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,并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。并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,就必須要要能將沖擊傳遞到內部的張力區。而由于表面的裂縫會平行于表面延伸,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。”