有个令人好奇的小物件儿,它的名字叫做“鲁伯特的泪滴”。
它其实就是一个水滴形状的玻璃制品,但是与众不同的是,这颗玻璃水滴的头部异常坚硬。不论是刀砍斧剁,还是用锤子猛砸,都难以损伤它分毫。甚至用枪射击,会四溅破碎,而它却毫发无损。一个玻璃制品竟能如此坚硬,确实令人惊叹。这还不算有趣的地方。相较头部那无法想象的坚硬程度,鲁伯特的泪滴尾部却脆弱得不堪一击,只需轻轻一捏,便会化为细末。更为神奇的是,破碎的不仅仅是尾部,而是整个泪滴。那么这样的小物件儿是如何制造出来的呢?其实这并不是什么高科技产品,它的制作历史可以追溯到17世纪初。
鲁伯特的泪滴之所以得名,是因为它由查理一世的侄子鲁伯特率先制作而成,而制作方法也相当简单。
鲁伯特将玻璃加热至完全融化,然后让融化的玻璃自然滴入冷水中。就这样,一颗水滴状的玻璃制品——鲁伯特的泪滴便制作完成了。那么这种简单的工艺是如何创造出如此神奇的小物件儿呢?这其中又蕴含了怎样的物理学原理呢?这里涉及到的关键概念就是“应力”。
为了更好地理解应力这一概念,我们可以举一个日常生活中的例子。
想象一下,我们用一张硬纸板架在两张桌子之间做成一个小桥。如果直接把手机放在上面,小桥就会瞬间垮塌。但是如果我们把这张硬纸板弯成拱形再放上手机,它却能稳稳地支撑住。这是因为拱形使硬纸板具备了较强的压应力,从而能够承受上方增加的重量。理解了压应力之后,我们再来看鲁伯特的泪滴。当烧热的玻璃滴入冷水中时,会迅速冷却凝固。但凝固的过程是有先后顺序的。最外层的玻璃会先凝固,而内部则还在缓慢冷却中,这就形成了一个内外差异。
由于热胀冷缩的原理,玻璃内部在冷却过程中会向已凝固的外层施加压力并逐渐增强。这样就在外层形成了强大的压应力。而内部不断收缩则会在内层形成强大的拉应力。
有物理学家认为鲁伯特的泪滴压应力之大可以达到7000倍的大气压强。如此强大的压应力下,即使面对强大的也难以攻破。那么鲁伯特的泪滴尾部为何如此脆弱呢?答案其实很简单,因为尾部的面积过小。即便有再强的压应力存在于此处但也会因过小的面积而稍加受力便碎裂开去。当尾部一旦碎裂整个鲁伯特的泪滴内部的压应力和拉应力的平衡就会被打破导致整个泪滴全部碎裂开来。
初次遇见鲁伯特的泪滴的人往往会觉得这个小小的物件儿很神奇但其实背后并无神秘之处因为在我们的日常生活中类似的东西其实很常见只不过我们称之为“钢化玻璃”。
没错钢化玻璃就是根据鲁伯特的泪滴原理制造出来的通过将玻璃由外至内逐步冷却使内部产生强大的压应力来增强其强度不过由于钢化玻璃受制于形状的限制其强度并不能与水滴状的鲁伯特泪滴相比虽然挡不住但是也非寻常工具所能掉的。要如何轻易一块钢化玻璃呢?其实方法和鲁伯特之泪一样那就是瞄准边角进行打击因为边角处的脆弱正是钢化玻璃最大的弱点只需要一个小石子轻轻一敲整块玻璃就会瞬间碎裂开来这也是为什么当汽车车窗是钢化玻璃时我们应当通过边角处进行敲击来求助的原因所在有时一些由钢化玻璃制成的门窗会莫名其妙地自爆大多是因为沙石等杂质卡在了边角处稍加外力便导致整块玻璃碎裂开来。
