Стеклянная капля принца Руперта способна выдержать сильный удар по утолщённой части, но стоит надломить её тонкий хвост — и вся конструкция мгновенно рассыпается на множество фрагментов. Это не трюк с необычным материалом, а результат распределения внутренних напряжений. Физики исследовали такие капли на протяжении столетий и смогли измерить силы, которые обеспечивают их необычное поведение.
По форме капля напоминает головастика: округлая массивная головка постепенно переходит в длинный тонкий хвостик. Её получают при быстром охлаждении расплавленного стекла в воде. Снаружи материал застывает раньше, чем в центре, и именно эта разница создаёт необычное механическое состояние.
Пока наружная оболочка уже твёрдая, более горячая внутренняя часть продолжает остывать и сокращаться в объёме. В результате поверхность оказывается сжатой, а внутренние слои — растянутыми. Эти остаточные напряжения сохраняются и после того, как стекло полностью остыло.
Обычное стекло легко разрушается, когда небольшая трещина начинает расти под действием растягивающей нагрузки. В головке капли ситуация другая: сжатая наружная оболочка препятствует раскрытию поверхностных трещин. Поэтому удар, который разбил бы похожий по размеру кусочек обычного стекла, не обязательно разрушает головку.
В исследовании, опубликованном в Applied Physics Letters, учёные измерили сжимающие напряжения на поверхности капель в диапазоне примерно 400–700 мегапаскалей. Для этого использовали фотоупругость: проходящий через стекло поляризованный свет позволяет увидеть картину напряжений. Полученные данные объяснили, почему головка может выдерживать очень большую нагрузку.
Однако высокая стойкость головки не делает всю каплю безопасной или неразрушимой. Её хвост гораздо тоньше, и надлом способен запустить трещину, которая быстро добирается до растянутых внутренних слоёв. Тогда накопленная в стекле упругая энергия высвобождается почти одновременно по всему объёму.
На скоростных записях разрушение выглядит как волна, бегущая от хвоста к головке. Исследователи наблюдали распространение трещин со скоростью в несколько километров в секунду. Из-за этого капля не просто раскалывается на две части, а распадается на множество мелких осколков.
Необычные свойства связаны именно с режимом охлаждения, а не с секретной добавкой в стекло. Если материал остывает медленно, выраженная разница напряжений между поверхностью и центром не возникает. Если же охлаждение слишком резкое или состав не подходит, заготовка может разрушиться ещё в процессе формирования.
Капли известны в Европе с первой половины XVII века. Принц Руперт привёз образцы к английскому двору, где они заинтересовали короля Карла II и учёных того времени. Впоследствии такие объекты стали классическим примером того, как одна и та же деталь может одновременно обладать высокой прочностью и крайней хрупкостью.
В 2017 году исследователи Университета Пердью, Кембриджского университета и Таллинского технического университета подробно описали распределение напряжений в каплях. Более поздние работы изучали размеры и форму осколков после разрушения. Поэтому интерес к феномену не ограничивается эффектным опытом: он помогает проверять модели распространения трещин в материалах.
Принцип поверхностного сжатия используется и при упрочнении некоторых видов стекла, в том числе в технологиях термической и химической обработки. Но капля принца Руперта не является прямой копией автомобильного закалённого стекла или защитного стекла смартфона. У разных изделий отличаются состав, толщина, способ обработки и распределение напряжений.
Повторять опыт с расплавленным стеклом дома не стоит: при изготовлении возможны ожоги, а при разрушении — разлёт острых частиц. Наблюдать этот эффект безопаснее на лабораторной съёмке. Главный вывод опыта прост: прочность стекла определяется не только составом, но и тем, какие внутренние напряжения остались после изготовления.