【科學科普】魯珀特之淚連子彈都打不動,為什麼卻害怕被人掰「尾巴」?

天空之城 2020/10/29 檢舉 我要評論

在我們的印象中,玻璃是一種非常易碎的材料,根本就經不起磕磕絆絆,正因為如此,我們在形容某個人的內心比較脆弱的時候,通常會用到「玻璃心」這個詞。然而並不是所有的琉璃製品都是這樣的,比如說今天我們要講的「魯珀特之淚」。

「魯珀特之淚」這個名字源自於17世紀時的一位名為魯珀特的王子,其製作方法相對比較簡單,只需要將一大滴處於高溫熔融狀態的玻璃滴入冰冷的水之中,在水的冷卻作用下,這滴玻璃就會凝固成一個很像淚滴的形狀,這就是「魯珀特之淚」了。

「魯珀特之淚」之所以被人們關注,是因為它的頭部能夠抵抗很強的衝擊力,具體怎麼樣呢?這麼說吧,在過去的日子裡,曾經有人嘗試對其頂部進行射擊,但子彈卻沒有將其擊碎。

然而「魯珀特之淚」卻有一個非常大的弱點,那就是它的那一條細細長長的「尾巴」。人們發現,它的「尾巴」非常脆弱,只需要隨便一掰就碎掉了,更離譜的是,「魯珀特之淚」的「尾巴」一旦出現破碎,其整體就會瞬間爆裂。

這就有點意思了,「魯珀特之淚」連子彈都打不動,為什麼卻害怕被人掰「尾巴」呢?要搞清楚這個問題,我們需要先來簡單瞭解一下「魯珀特之淚」的內部情況。

當一大滴處於高溫熔融狀態的玻璃滴入冰冷的水之後,其外層和內層的物質冷卻速度是不一樣的,由於外層與冷水直接地接觸,因此它會迅速冷卻並凝固,在這種情況下,這滴玻璃的表面就會迅速形成一層堅硬的外殼,根據熱脹冷縮的原理,這個外殼的體積就會收縮,而由於熱的傳遞問題,這滴玻璃的內層物質則會更慢地冷卻,並且越往內,冷卻速度就越慢。

在這種情況下,這滴玻璃的外層體積就會因為受冷而收縮,而內層則是高溫膨脹狀態,這樣就會在短時間內形成一個外部收縮、內部膨脹的局面。由於熔融狀態的玻璃具有流動性,因此其內層高溫物質就會強力地擠壓外層,從而在其外層產生「壓應力」(即抵抗物體被壓縮的應力),而在其內層產生「拉應力」(即抵抗物體被拉伸的應力)。

如果冷卻的速度足夠短,那麼這種應力分佈就會被保存下來,在這種情況下,「魯珀特之淚」就會始終處於一種「外壓內拉」的力學狀態。

有研究表明,「魯珀特之淚」的頭部外層的「壓應力」最高可以達到大約7000個大氣壓,並且在受到外部撞擊的時候,其內層的「拉應力」還會很好地保護它的內層結構,因此可以說,一般子彈的衝擊力是不夠看的,正因為如此,「魯珀特之淚」的頭部才不會被子彈擊碎。

但子彈都打不動的「魯珀特之淚」,為什麼一掰「尾巴」就碎掉了呢?

上圖為偏振鏡下的「魯珀特之淚」的應力分佈情況,我們可以看到,越往尾部其應力分佈就越均勻,也就是說「魯珀特之淚」的這種「外壓內拉」的應力分佈在其尾部上最不明顯,因此可以說它的「尾巴」的抗壓能力是最弱的。

還有就是「魯珀特之淚」的「尾巴」很細,其尺寸相對於頭部要小得多,而對於玻璃製品來說,尺寸越小的地方就越容易碎裂。本來抗壓能力就是最弱的,再加上尺寸又小,如此一來,「魯珀特之淚」的「尾巴」當然就很容易被破壞了,通常只需要隨便一掰就碎掉了。

「魯珀特之淚」的「尾巴」一旦受損,就會造成一種「裂紋擴展」,它的「力學護盾」也就不復存在,在這種情況下,其內部的「拉應力」就會使「魯珀特之淚」在極短的時間內發生爆裂,最終徹底粉碎。

看似堅強無比,卻有著一碰就碎的脆弱,難怪有人說,「魯珀特之淚」像極了愛情。

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