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子弹打不碎的玻璃,我能掰碎?

返朴  · 公众号  ·  · 2019-12-27 09:10

正文

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玻璃由于种类的不同其化学成分差异很大,不过一般可以分为二氧化硅玻璃和特殊玻璃。其中大部分属于前一类。这种玻璃主要 由沙子(主要成分二氧化硅)、石灰石(主要成分碳酸钙)和碳酸钠制成 。虽然熔融的二氧化硅本身就是一种极好的玻璃,但是二氧化硅的熔点是1700多摄氏度,达到如此高的熔点所需要的能量非常大,也就会使玻璃售价非常昂贵 (比如一些熔石英的光学镜片,价格比普通玻璃贵的多)


玻璃瓶生产流水线


所以在制作普通玻璃时加入碳酸钠作为助熔剂是为了 降低二氧化硅的熔点 ,通过向二氧化硅中加入约25%的氧化钠,可以将二氧化硅的熔点从1700多摄氏度降低到850摄氏度,但是这种玻璃又很容易溶于水 (这种溶液叫水玻璃) 。所以要加入氧化钙使玻璃不易溶。 [3 ]


这可能是一种玻璃球的制作过程


给玻璃着色的试剂通常都是金属的氧化物。 相同的氧化物在不同的玻璃混合物中会产生不同的颜色,并且相同金属的不同氧化物也可以产生不同的颜色 。比如钴的蓝紫色,铬的绿色或黄色,氧化亚铁根据与之混合的玻璃产生橄榄绿色或淡蓝色。在玻璃杯中加入细碎的木炭会产生黄色。碲似乎呈现淡粉色。铜会产生孔雀蓝,如果增加氧化铜的比例,则会变成绿色。


带有白色和金色珐琅装饰的蓝色玻璃酒杯,纽约布鲁克林博物馆

鲁珀特之泪有什么奇特之处


鲁珀特之泪的本尊


那么,这个蝌蚪状的玻璃有什么奇特之处呢? (感觉就像一个挂件?)



脆弱的尾部


头部非常坚硬,尾部非常脆弱 。在切断它的尾部时,由于内部张力无法维持而导致爆炸性破碎,鲁珀特之泪在当尾巴被切断时,会爆炸性的分解成粉末。而其第二个特性是头部具有异常的强度,如果单单给其头部施压,可以承受15000牛顿的力。这其实是由于头部外表面附近存在巨大的残余应力导致的,这种应力分布可以通过使用玻璃应力诱发的双折射的特性来测量。甚至子弹打中它都不会碎。


被子弹击中头的鲁珀特之泪


后来,研究人员将荷兰泪悬浮在透明液体中,然后用红色的LED灯照亮该液滴。研究人员使用偏光镜测量了光线穿过玻璃时的光学延迟,然后使用这些数据来解析整个鲁珀特之泪中的应力分布。结果表明, 液滴的头部具有比以前认为的高得多的表面压缩应力,最高可达700兆帕,这是大气压的近7,000倍。 该表面压缩层也很薄,约为液滴头部直径的10%。


来源:H. Aben; Appl. Phys. Lett.  109, 231903 (2016) [4 ]


但是其原理其实很简单。当熔融的玻璃碰到水,外层会很快冷却,而内层仍保持熔融状态。热膨胀的作用使液体在变热时膨胀,在冷却时收缩。这意味着 内部的熔融玻璃正试图在冷的外层向内收缩的同时膨胀 。当整个过程结束时,这些相等的推拉力会在一条长链中累积,该长链从液滴的头部延伸到尾部。水滴冷却后,便会锁定在这种高张力状态下 [4






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