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鲁珀特之泪的秘密

  玻璃,是生活中常见的材料,主要由石英砂、硼砂以及石灰石等原料,再添加少量辅助材料,高温熔融而成。玻璃是我们生活中一种常见的易碎品,然而有一种玻璃制品——鲁珀特之泪,却能承受住液压机8吨压力的锤击,且丝毫不受影响。

  

  相传在17世纪,鲁珀特亲王将一块玻璃高温熔化后自然滴落在冷水中,最终形成了一枚如眼泪般的透明物。一个名为“鲁珀特之泪”的名字便由此而来。鲁珀特之泪虽然坚固无比,但它也有弱点。鲁珀特之泪尖锐的顶端,只要稍有损伤便可爆裂。这又是为什么呢?

  为了更好地解释鲁珀特之泪圆滑的底端具有超高强度的原因,就不得不提到钢化玻璃的结构。钢化玻璃又称为强化玻璃,是普通玻璃经过热处理、化学处理等工艺制成的。钢化玻璃表面存在着一层薄薄的压应力层,这便是其本身具有高抗压强度的原因。在压应力层的作用下,玻璃的结构更加紧密,尤其是其表层的内缺陷会被挤压,避免了裂纹的扩散。当钢化玻璃受到外部压缩力时,其内部的拉应力得到了抵消,从而能够承受更大的压缩力;当钢化玻璃受到拉伸力时,其表层的压应力得到了释放,从而提高了承受拉伸力的强度。

  

  鲁珀特之泪的应力分布与钢化玻璃相似。融化的玻璃在接触水的瞬间,其外部最先冷却凝固,而内部却还是处于熔融状态。由于热胀冷缩的原理,随着玻璃由外向内逐渐冷凝,内部体积收缩变小,对外层形成了拉力,而外层也会对内部形成向外的拉力。但是鲁珀特之泪的尾部质量很小,其外层和内部的冷凝时间几乎相同,导致鲁珀特之泪的头部和尾部冷却时间不均衡,整体受力不均。

  从物理定律上来说,压应力和张应力是同时存在的,两者大小相当,方向相反。鲁珀特之泪内部一旦出现应力不平衡的情况,哪怕是其尖端稍微出现一点凹陷,整体就会发生连锁反应。当内部超高张应力获得了释放空间时,玻璃就会发生炸碎。

  鲁珀特之泪美丽坚硬又独特,不仅在外观上使人赏心悦目,在内部构造方面也让人叹为观止。

  本文由北京市第六十五中学一级教师胡晓艳进行科学性把关。

  本作品为“科普中国-科学原理一点通”原创,转载时务请注明出处。

  作者: 田维

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