В ученическом исследовательском проекте по начальной школе на тему «Секрет прочности капли Принца Руперта» автором была поставлена цель, изготовить каплю в домашних условиях, на практике изучить физические свойства капли Принца Руперта, найти физическое обоснование необычных свойств изучаемого предмета.

Подробнее о проекте:

В рамках детской исследовательской работы по окружающему миру на тему «Секрет прочности капли Принца Руперта» учащимся 4 класса были рассмотрены исторические факты и первые упоминания капли Принца Руперта, а также изучен секрет создания и прочности капли Принца Руперта. Прочитав статьи и просмотрев множество видеороликов об этом, ученик решил сам испытать её необычные свойства.

В исследовательской работе (проекте) на тему «Секрет прочности капли Принца Руперта» предложено подробное описание применения эффекта закаленного стекла в жизни, а также в рамках работы над проектом были проведены эксперименты по изготовлению капли Принца Руперта. В работе перечислены все физические особенности капли Принца Руперта. Об актуальности темы исследования можно судить по широкой сфере применения знаний, полученных в результате изучения предмета данного исследования: в быту, в строительстве, в машиностроении и прочих сферах жизни.

Оглавление

Введение
1. Капля Принца Руперта – история и первые исследования.
2. Исторические факты и первые упоминания капли Принца Руперта.
3. Секрет создания и прочности капли Принца Руперта.
4. Применение эффекта закаленного стекла в жизни.
5. Эксперименты по изготовлению капли Принца Руперта.
Заключение
Список литературы

Однажды, в научной программе я увидел интересный эксперимент. Ведущий брал маленький круглый кусок стекла с тонким хвостиком, и стучал по нему молотком, на молотке образовывались вмятины. Следом по этой стеклянной капле проехались колесом машины и никаких повреждений на ней не оставили. Под конец эксперимента, ведущий слегка задел тонкий хвостик, и она буквально взорвалась в мелкую пыль.

Я заинтересовался и стал искать больше информации об этом. Оказывается, эта капля называется «капля Принца Руперта».

Прочитав статьи и просмотрев множество видеороликов об этом, я захотел сам испытать её необычные свойства. Поэтому я выбрал темой моей научно-исследовательской работы «Секрет прочности капли Принца Руперта».

Цель исследования:

1. Изготовить каплю в домашних условиях.
2. На практике изучить физические свойства капли Принца Руперта.
3. Найти физическое обоснование необычных свойств изучаемого предмета.

Объект исследования: Капля Принца Руперта.

Предмет исследования: Особенности физических свойств Капли Принца Руперта.

Гипотеза: Предположим, что Капля Принца Руперта обладает невиданными пуленепробиваемыми свойствами и она не сложная в изготовлении.

Задачи работы:

1. Узнать историю происхождения капель Принца Руперта.
2. Изучить физические свойства и метод изготовления капли Принца Руперта.
3. Провести собственный эксперимент.

Методы исследования:

1. Сбор и анализ информации из интернета.
2. Проведение эксперимента.

Практическая значимость: Об актуальности данной темы можно судить по широкой сфере применения знаний, полученных в результате изучения предмета моего исследования. В быту, в строительстве, в машиностроении и прочих сферах жизни.

Объект моего исследования назван в честь Принца Руперта (рис.1), кузена короля Англии - Карла II. Принц Руперт был разносторонне развитым и любознательным юношей.

Увлекался военным, морским делом, проявлял интерес к науке и научным экспериментам. Ему была присвоена почетная степень магистра искусств.

Участвовал во многих военных кампаниях в Испании, Германии и Англии. В 1638 году, во время участия в Тридцатилетней Войне (1618-1648), пленён в Австрии и три года находился в заточении.

Известны его эксперименты с производством и усовершенствованием пороха. Как он утверждал, порох его производства в десять раз мощнее, чем обычный. Руперт изобрел сплав металла и поныне называемый «металл принца» - медно-цинковый сплав по цвету как золото, высокопластичный и антикоррозийный.

Также можно найти информацию о его наработках в математике, в шифровании, в мореплавании, в сельском хозяйстве.

Вообще, английская знать 17 века во главе с королем Карлом II, была очень любознательная и охочая до различных наук.

Забавную стеклянную безделушку (рис.2) в форме головастика с длинным изогнутым хвостом, Принц Руперт привез в Англию с континента в середине семнадцатого века. Преподнеся в дар королю Карлу II, для пущей интриги, Руперт назвал их новинкой от немецких мастеров небывалой прочности, с секретным способом производства.

Принц Руперт проявил себя хорошим торговцем, представив новинку обществу, создавая спрос и заработав состояние на продаже забавных капель - сувениров.

В надежде определить, в чем же заключается объяснение необычных физических свойств и технология производства, Карл II поручил Королевскому научному обществу заняться исследованиями.

Так началась известность капель принца Руперта.

Небывалая их прочность удивила ученых. Капля Руперта без повреждений выдерживала удар молотом и попадание пули, оставляя вмятины на металле. Однако не вся поверхность стеклянных капель Руперта была одинаково прочной. Если головка была крепче стали, то хвост - особенно самая тонкая его часть - был очень уязвим. Самое впечатляющее, что легкое повреждение хвостика приводило к настоящему взрыву! Капля мгновенно рассеивалась в мелкую пыль!

Кто же изначально изобрел эти капли? В Англии они появились с легкой руки Принца Руперта, но их авторство он никогда себе не приписывал, он их скорее просто популяризировал и сделал модной забавой для общества.

Необычные стеклянные капли были известны стеклодувам довольно давно. Большого научного или коммерческого интереса они не вызывали. Просто побочный продукт производства изделий из стекла. В связи с этим точно нельзя определить авторство изобретения.

По одним источникам капли начали делать стеклодувы Батавии (Нидерландов) в 1625 году. По другим, они впервые появились в Дании или Германии. Соответственно и названий у стеклянных капель множество - батавские слёзки, прусские слезы, болонские склянки.

Метод изготовления стеклянных капель принца Руперта был строго секретным. Это объясняется их коммерческим успехом у публики. Капли с удовольствием покупали в качестве забавных безделушек. Причины небывалой крепости капель в те времена были совершенно не изучены и, даже в среде ученых они оставались большой загадкой. Именно поэтому необычные свойства капель считались мистичными.

Сделать эти капли совершенно не сложно и со временем многие стеклодувы научились их изготавливать. Что, конечно, совершенно не приблизило к разгадке их «пуленепробиваемости».

Для того чтобы изготовить каплю Принца Руперта нужно просто расплавленным стеклом капнуть в достаточно холодную воду. Стекло в воде застывает в форме головастика с длинным хвостом. Вот и весь секрет.

Физическое объяснение оказалось достаточно интересным. Расплавленная капля стекла капает в очень холодную воду и остывает там. Из-за внешнего воздействия холодной водой – моментально схватывается и сжимается наружный слой.

Внутренний же слой застывает гораздо медленнее. Во время охлаждения внутреннего слоя, так называемого ядра, процессу сжатия сопротивляется уже застывшая оболочка.

В связи с тем, что происходит сопротивление естественному физическому процессу сжатия, ядро занимает большее пространство, чем ему требуется. Из-за этого сердцевина капли имеет слабые межатомные связи и предрасположенность к разрушению.

В итоге, на ядро действует сила растяжения, в то время как на наружную оболочку – сила сжатия (рис.3). Сила сжатия очень велика, по расчетам ученых она в 4000 раз больше атмосферного давления! Любой, даже достаточно сильный удар по головке капли, может вызвать максимум микротрещины на наружном слое.

В то время как разрушение хвостика, не имеющего такую сжимающую силу оболочки, позволяет трещинам проникнуть вглубь ядра. Это вызывает высвобождение напряжения, что и приводит к взрыву капли.

Стекло, произведенное по технологии обжига и последующего охлаждения, называется «закаленное». Оно в 5-6 раз прочнее обычного стекла и более термостойкое. В промышленных масштабах закаленное стекло изготавливают в печах (рис.4), подвергая его термической обработке температурой выше 600 ̊С и резко охлаждая потоками холодного воздуха. В результате стекло способно выдерживать большие нагрузки.

Еще одной особенностью данного стекла является то, что в готовом виде его нельзя резать или просверливать, так как нарушение целостности поверхностного слоя ведет к разрушению самого стекла. Поэтому при закаливании сразу стоит учитывать размеры и расположение отверстий.

Помимо прочности, закаленное стекло является более безопасным в сравнении с незакаленным. При разрушении оно оставляет после себя мелкие осколки с закруглёнными краями, которыми достаточно сложно порезаться. Именно эта особенность очень пригодилась при изготовлении стекол в автомобили, межкомнатных перегородок и дверей в магазинах и офисах. То есть там, где есть вероятность разбития стекла и травмирования людей осколками.

В быту мы пользуемся посудой из закаленного стекла, такую посуду можно ронять на пол, и ей ничего не будет. Но при случайном скалывании, стакан может лопнуть вдребезги. Также закаленное стекло используют для изготовления полок в холодильник, масок для подводного плавания, пуленепробиваемого стекла и т.п.

Начитавшись всевозможной информации, мы с мамой и папой решили попытаться изготовить каплю Принца Руперта собственными силами в домашних условиях.

Для этого вооружились газовой горелкой, газовым баллончиком и плоскогубцами. Мы заказали в интернете специальные стеклянные лабораторные палочки, с помощью которых делались подобные эксперименты, виденные нами на видео.

Пока палочки шли к нам по почте, мы решили не терять время и попробовать провести эксперимент из подручного стекла.

Для этого мы использовали оконное стекло, стекло от лампочки, пузырёк от духов и стекло от банки.

Установив газовую горелку над емкостью с холодной водой, мы начали разогревать стекло. Практически всё стекло при нагревании лопалось, не достигая температуры плавления. Мы пришли к выводу, что имеющееся у нас разбитое стекло имеет микротрещины, из-за которых кусочки стекла рассыпались при нагревании. Только целый пузырек от духов начал немного плавиться.

Первый мой эксперимент можно считать неудавшимся, температуры одной горелки было недостаточно, чтобы стекло расплавилось до жидкого состояния. Стекло просто становилось эластичным.

В следующий раз мы продолжили эксперимент с двумя газовыми горелками и плавили уже стеклянные лабораторные палочки (рис.5). После десяти минут нагрева сформировалась и упала в холодную воду капля. Большинство капель, попадая в воду, взрывались, не успевая застынуть.

В результате экспериментов у нас получилось несколько капель именно такого вида, какими они и должны быть – в форме головастика, с длинным хвостиком.

Следующим этапом эксперимента мы начали проверять прочность изготовленной капли.

Зажав в плоскогубцах круглое основание, по нему начали стучать молотком. Молоток отскакивал, не причиняя ущерба капле.

В крепости капель мы уже не сомневались, осталось только проверить хрупкость хвостика. Во избежание травмирования осколками, каплю завернули в салфетку.

Зажав хвостик в плоскогубцах, мы его переломили.

К сожалению, хвостик отламывался, не причиняя ущерба самой головке капли. Из этого мы сделали вывод, что, либо была нарушена нами технология изготовления закаленного стекла (возможно была недостаточно холодная вода), либо стеклянные палочки содержат в себе посторонние примеси, нарушающие чистоту эксперимента.

При помощи двух горелок мы решили расплавить стекло от бутылки «Кока Колы» (рис. 6). В воду, для поддержания стабильно низкой температуры, мы положили снег. На этот раз никаких проблем с изготовлением капель у нас не возникло. Стекло расплавилось, капли начали капать в холодную воду.

Следующий этап – эксперимент с готовой каплей. Как и прошлый раз, капля показала удивительную прочность, и под ударами молотка на ней образовались только царапины.

Затем, опасаясь осколков, мы завернули ее в пленку и сжали хвостик в плоскогубцах. Капля лопнула, оставив множество мелких неострых кусочков. Эксперимент удался!

В результате проделанной работы мы выяснили происхождение названия капли Принца Руперта, ознакомились с историей первого появления и популяризации этой забавной безделушки.

Мы экспериментально получили каплю Принца Руперта с помощью нагрева стекла и резкого охлаждения готовой капли в воде. Провели эксперименты с готовой каплей, подтверждающие, невероятную крепость головки капли и хрупкость хвостика.

Также мы нашли обоснование необычайной прочности закаленного стекла в физике. Резюмируя собранную информацию, можно сказать что секрет капли Принца Руперта заключается в воздействии на неё двух физических сил. Огромная сила сжатия на поверхности головки капли – не даёт ей разбиться. И сила растяжения в сердцевине, приводящая ко взрыву, при малейшем переломе хвостика капли.

1. Баринова А. «Слезки принца Руперта: почему стекло взрывается», 2017г.
2. Самоцкая В. «Взрывающаяся капля принца Руперта», интернет издание «Элементы большой науки», 2016г.
3. Транковский С. «Батавские слёзки»,журнал «Наука и жизнь», 2006г.
4. H. Aben, J. Anton, M. Õis, K. Viswanathan, S. Chandrasekar, M. M. Chaudhri, «On the extraordinary strength of Prince Rupert's drops», «AppliedPhysicsLetters», 2016г.