Արքայազն Ռուպերթի կաթիլ
| Ենթակատեգորիա | novelty item, drop | |
|---|---|---|
| Կիրառությունը | Դեմոնստրացիա (մեթոդ) | |
| Կոչվել է ի պատիվ | Հռենոսի Արքայազն Ռուպերտ | |
| Նյութ | Կոփած ապակի | |
| Բնութագրվում է | residual stress | |
| Կազմված է | ավարտ, ավարտ | |
Արքայազն Ռուպերթի կաթիլներ` (անգլ.՝ Prince Rupert's drops), (հայտնի են նաև որպես հոլանդական կամ բատավյան արցունքներ)[1][2] կոփած ապակու կաթիլներ են, որոնք ստացվում են հալված ապակին կաթեցնելով սառը ջրի մեջ։ Այդ գործընթացի արդյունքում ձևավորվում է ձվաձև գլխիկով և երկար, բարակ պոչիկով կաթիլ։ Այս կաթիլների ներսում առաջանում են շատ բարձր լարվածություններ, որոնք նրանց տալիս են հակասական հատկություններ. օրինակ՝ կաթիլի գլխիկը կարող է դիմակայել մուրճի կամ գնդակի հարվածին և չկոտրվել, սակայն եթե բարակ պոչիկը թեկուզ մի փոքր վնասվի, ամբողջ կաթիլը ակնթարթորեն պայթում է մանր բեկորների։ Բնության մեջ նմանատիպ կառուցվածքներ ձևավորվում են որոշակի պայմաններում հրաբխային լավայի մեջ և հայտնի են որպես Պելեի արցունքներ։
Պատմություն
[խմբագրել | խմբագրել կոդը]Ապակուց պատրաստված նման կաթիլները, ամենայն հավանականությամբ, ապակեգործներին հայտնի էին դեռ շատ հին ժամանակներից, սակայն գիտնականների ուշադրությունը գրավեցին միայն 17-րդ դարի կեսերին[3]։ Կաթիլները Եվրոպայում հայտնվել են տարբեր աղբյուրների համաձայն՝ Նիդերլանդներում, Դանիայում կամ Գերմանիայում։ Անգլիա դրանք բերել է Պֆալցի արքայազն Ռուպերթը։ Կաթիլների պատրաստման տեխնոլոգիան երկար ժամանակ պահվում էր գաղտնի, սակայն պարզվեց, որ այն չափազանց պարզ է։
Փորձ
[խմբագրել | խմբագրել կոդը]Եթե հալված ապակին կաթեցվի սառը ջրի մեջ և այն չպայթի, այլ սկսի կարծրանալ[4], կստացվի փոքրիկ կաթիլ՝ գլխիկով և երկար, կորացած պոչիկով, որը հիշեցնում է շերեփուկի։ Կաթիլի «գլխիկը» ունի բացառիկ ամրություն, կարելի է ամբողջ ուժով մուրճով հարվածել դրան, և կախված կաթիլի չափից՝ այն կարող է դիմակայել մինչև 30 տոննա ճնշման՝ նույնիսկ պողպատի վրա հետք թողնելով։
Սակայն բավական է անգամ փոքր-ինչ վնասել կամ կոտրել պոչիկը, ամբողջ կաթիլը ակնթարթորեն պայթում է մանր բեկորների՝ այդ գործընթացը սկսվում է պոչիկից և շարժվում դեպի գլխիկ[5]։ Այդ պատճառով պոչիկը կոտրելը ցանկալի է իրականացնել հեղուկի շերտի տակ՝ հատուկ գործիքի, օրինակ՝ մետաղյա ունելիքի միջոցով, քանի որ նման փորձի ժամանակ ոչ միայն ապակու բեկորներից կա վտանգ, այլ նաև ջրում առաջանում է հզոր հիդրոհարված՝ պայմանավորված բեկորների շատ արագ տարածմամբ։ Բարձր արագությամբ նկարահանման ժամանակ երևում է, որ «պայթյունի» ալիքը շարժվում է կաթիլում մեծ արագությամբ՝ մոտ 1,2 կմ/վ (համեմատության համար՝ օդում ձայնի արագությունը 0,34 կմ/վ է, իսկ պայթուցիկի դետոնացիայի արագությունը՝ 2-9 կմ/վ)։
Եթե փորձը կատարվում է մթության մեջ, նկատվում է նաև տրիբոլյումինեսցենցիա (մեխանիկական ազդեցությունից առաջացող լույս)։ Բևեռացված լույսի տակ ակնհայտ է, որ կաթիլը իզոտրոպ չէ, այլ ունի ուժեղ ներքին լարվածություններ, որոնք էլ պայմանավորում են դրա յուրահատուկ հատկությունները։
Ֆիզիկական բացատրություն
[խմբագրել | խմբագրել կոդը]Երբ հալված ապակու ջերմաստիճանը նվազում է, այն չի բյուրեղանում, այլ անցնում է ապակենման վիճակի․ այսինքն՝ կարծրացող ապակու ատոմները չեն հասցնում զբաղեցնել իրենց «ճիշտ» դիրքերը, և առաջացնում են մի կառուցվածք, որն ավելի շատ նման է հեղուկի կառուցվածքին։ Այս վիճակում ապակու հատկությունները, մասնավորապես՝ ծավալը, զգալիորեն կախված են հալվածքի սառեցման արագությունից։
Երբ 400–600 °C ջերմաստիճանում հալված ապակուց կաթիլը ընկնում է ջրի մեջ, արտաքին շերտը շատ արագ է սառչում՝ այնպես, որ ապակու կառուցվածքը չի հասցնում վերադասավորվել, և համապատասխան ծավալի փոփոխությունը (նվազումը) փոքր է։ Միևնույն ժամանակ, կաթիլի միջուկը դանդաղ է սառչում, որի արդյունքում ապակու կառուցվածքը փոփոխվում է շատ ավելի զգալիորեն, քան արտաքին շերտինը։ Սակայն միջուկի ծավալը չի կարող համապատասխան կերպ փոփոխվել իր կառուցվածքի փոփոխությանը, քանի որ արտաքին շերտը խոչընդոտում է այդ գործընթացին։ Արդյունքում՝ միջուկում առաջանում է ձգողական լարվածություն, իսկ արտաքին շերտում՝ սեղմման։ Այլ կերպ ասած, սառած կաթիլի ներքին հատվածում գործում են ձգողական, իսկ արտաքին շերտում՝ սեղմման մեխանիկական լարվածություններ[6]։ Սեղմված պատյանը շատ ամուր է (նման կառուցվածք ունեն, օրինակ, աերոզոլային բալոնների հատակները կամ մետրոյի բետոնե թունելները), սակայն եթե պատյանը վնասվում է, բոլոր լարվածությունները միանգամից ազատվում են, և կաթիլը պայթում է։
Նույն սկզբունքով նաև ստանում են կոփած ապակի, սակայն այդ դեպքում չկա այնպիսի պոչիկ, որի միջոցով հնարավոր լինի կոտրել պատյանը (դրա «պոչիկներ» կարելի է համարել միայն ամենամեծ կորություն ունեցող անկյունները)։ Եթե պատյանը հաջողվի կոտրել (օրինակ՝ նման ապակուց բաժակը տեղադրել մյուսի մեջ և տաքացնել, կամ հարվածել ապակու թերթի ծայրին), հնարավոր է նույնպիսի «պայթյուն»։
Կիրառություն
[խմբագրել | խմբագրել կոդը]Չնայած կաթիլի գլխիկի բարձր ամրությանը, դրա կիրառական նշանակությունը փաստագրված չէ։ Կաթիլի թույլ կողմը պոչիկն է, որը շատ հեշտ է կոտրել։ Պոչիկի վնասման դեպքում ամբողջ կաթիլը փշրվում է, ինչի պատճառով դրանք գրեթե չունեն գործնական արժեք[7]։
Արդեն 19-րդ դարից հայտնի է, որ որոշակի պայմաններում հրաբխային լավան կարող է ձևավորել կառուցվածքներ, որոնք նման են Արքայազն Ռուպերթի կաթիլներին[8]։ Վերջին շրջանում Բրիստոլի համալսարանի և Իսլանդիայի համալսարանի հետազոտողները լաբորատոր պայմաններում ուսումնասիրել են կաթիլների պայթյունային քանդման արդյունքում առաջացող ապակու մասնիկները՝ ավելի խորությամբ հասկանալու մագմայի բեկորացման և մոխրի ձևավորման մեխանիզմները, որոնք պայմանավորված են ակտիվ հրաբուխներում կուտակված ջերմային լարվածություններով[9]։
Ծանոթագրություններ
[խմբագրել | խմբագրել կոդը]- ↑ The Forces of Nature: A Popular Introduction to the Study of Physical Phenomena. MacMillan & Co. 1873. էջ 435.
- ↑ Aben, H.; Anton, J.; Õis, M.; Viswanathan, K.; Chandrasekar, S.; Chaudhri, M. M. (2016). «On the extraordinary strength of Prince Rupert's drops». Appl. Phys. Lett. 109 (23): 231903. Bibcode:2016ApPhL.109w1903A. doi:10.1063/1.4971339.
- ↑ Beckmann, 1846, էջ 241—242
- ↑ «Гидравлический Пресс Против Капель Руперта Продолжение - Youtube». Արխիվացված օրիգինալից 2021 թ․ ապրիլի 16-ին. Վերցված է 2021 թ․ ապրիլի 16-ին.
- ↑ Транковский, 2006
- ↑ Самоцкая В. Взрывающаяся капля принца Руперта Արխիվացված 2016-07-11 Wayback Machine
- ↑ «Парадокс Капли Руперта». Արխիվացված օրիգինալից 2023 թ․ սեպտեմբերի 6-ին. Վերցված է 2023 թ․ սեպտեմբերի 6-ին.
- ↑ Goodrich, Joseph (1829). «Real and supposed effect of igneous action». The American Journal of Science and Arts. 16: 349. Արխիվացված օրիգինալից 2017 թ․ նոյեմբերի 3-ին. Վերցված է 2014 թ․ սեպտեմբերի 27-ին.
- ↑ Nicholson, Emma; Rust, Alison; Gislason, Sigurdur (2010 թ․ օգոստոսի 5). «Breaking magma: Controls on magma fragmentation and ash formation» (PDF). Արխիվացված (PDF) օրիգինալից 2014 թ․ հոկտեմբերի 6-ին. Վերցված է 2014 թ․ սեպտեմբերի 27-ին.
{{cite web}}: Missing|author1=(օգնություն)
Արտաքին հղումներ
[խմբագրել | խմբագրել կոդը]- Раскрыта загадка стеклянных слез принца Руперта // lenta.ru, 10 мая 2017
- «Mystery of Prince Rupert's Drop at 130,000 fps (видео)» (անգլերեն). Վերցված է 2016 թ․ հուլիսի 6-ին.
- «Prince Rupert's Drop» (անգլերեն). Corning Museum of Glass. Վերցված է 2016 թ․ հուլիսի 6-ին.
- «Интересное свойство капли принца Руперта». Վերցված է 2016 թ․ հուլիսի 6-ին.
- «Bullet vs Prince Rupert's Drop at 150,000 fps (видео)» (անգլերեն). Վերցված է 2016 թ․ դեկտեմբերի 29-ին.