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400年物理之谜被破解

编者按:这个故事是在东部时间下午1:30更新的。

微小的泪滴状玻璃甜点的神秘性,可以经受锤子的打击,但只要轻轻一碰它的茎,它就碎成碎片,终于被解开了。

这个奇怪的形状,叫做鲁珀特王子的水滴,提出了一个困扰科学家400年的谜题。

一方面,头部可以承受锤击,另一方面,尾巴只需轻轻一点手指的压力就可以折断,几微秒之内,整个东西就粉碎成粉末,伴随着尖锐的爆裂声,研究合著者、印第安纳州普渡大学材料加工与摩擦学中心主任、工业工程教授斯里尼瓦桑·钱德拉塞卡在一份声明中说:

现在,一项新的研究表明,这些小玻璃蝌蚪的头部由于受到压缩力的作用而具有如此不屈不挠的强度作用在水滴的外面。研究发现,这些力与某些钢的压缩力相当。[七种日常事物的神秘物理学]

玻璃珍品

鲁珀特王子的滴水在1660年首次获得广泛的声誉,当时莱茵河的鲁珀特王子(德国)给英国国王查尔斯二世带来了一些珍品。(这些泪珠是将熔化的玻璃倒入冷水中制成的,可能早在几个世纪前就为吹玻璃的人所知了。)查尔斯随后将它们交给皇家学会,皇家学会于1661年发表了对它们的性质的首次学术调查。

鲁珀特王子的泪珠是奇怪的小玻璃甜点,可以顶住锤头的打击,但用最轻微的压力压碎尾巴。新的研究揭示了这种奇怪现象背后的物理机制。(特雷弗·马赫曼/普渡大学)

几个世纪以来,科学家们对鲁伯特王子的滴水之谜感到困惑。1994年,钱德拉塞卡和他的一位同事用高速摄影机捕捉到了每秒100万帧的水滴破碎的画面。钱德拉塞卡说,录像显示,尾部形成的微小裂缝迅速扩散到头部,

一旦这些裂缝达到足够高的速度(大约每秒1.5公里),就会一分为二。然后,这两条裂缝达到足够高的速度,一分为二,以此类推。最终,整个结构完全被无数的微小裂缝所覆盖,他说,

“尾巴会脱落,但头部会爆炸成粉末,这一部分实际上相当壮观,”钱德拉塞卡告诉《生活科学》。

这一发现解释了为什么尾巴的折断如此容易破坏结构。然而,自那次调查以来,科学家们试图解释这些玻璃小玩意的力量和脆弱性的矛盾组合,但从未想出令人满意的解释,头部的几乎防震性能。[物理学中18个最大的未解之谜]

强头

在新的研究中,钱德拉塞卡依靠一种叫做集成光弹性的稍有不同的技术,来揭示玻璃蝌蚪头的奥秘。这项技术要求将物体放在水池中,然后将偏振光波(或定向于单个平面的光)穿过材料。材料内部的内应力改变了光的偏振。观察通过特殊滤光片发出的光波的偏振,可以发现物体内部的内应力——在这种情况下,水滴的头部和尾部。

结果表明,鲁珀特王子水滴的头部承受着非常高的压缩应力——大约每平方英寸50吨。(压缩应力是单位面积挤压物体的力)。

这些应力的形成是因为这些泪滴中使用的玻璃类型(随着热量急剧膨胀)在接触冷水时也会急剧收缩。在到m的过程中

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