Prinz Ruperts Tropfen

Prinz-Ruprecht-Tropfen (auch bekannt als Holländische Tränen oder Batavische Tränen ) [ 1 ] [ 2 ] sind gehärtete Glasperlen , die durch das Eintropfen von geschmolzenem Glas in kaltes Wasser entstehen. Das Glas erstarrt dabei zu einem kaulquappenförmigen Tropfen mit einem langen, dünnen Ende. Diese Tropfen zeichnen sich durch sehr hohe Eigenspannungen aus , die zu kontraintuitiven Eigenschaften führen. So können sie beispielsweise einem Hammerschlag oder einer Kugel am bauchigen Ende standhalten, ohne zu zerbrechen, während sie bei auch nur geringfügiger Beschädigung des Endes explosionsartig zerfallen. In der Natur entstehen ähnliche Strukturen unter bestimmten Bedingungen in vulkanischer Lava und sind als Peles Tränen bekannt .

Die Tropfen sind nach Prinz Ruprecht von der Pfalz benannt , der 1660 Exemplare davon nach England brachte. Berichten zufolge wurden sie jedoch bereits im 17. Jahrhundert in den Niederlanden hergestellt und waren Glasmachern vermutlich schon viel länger bekannt. Die Royal Society untersuchte sie als wissenschaftliche Kuriositäten , und die Aufklärung der Prinzipien ihrer ungewöhnlichen Eigenschaften führte wahrscheinlich zur Entwicklung des Verfahrens zur Herstellung von gehärtetem Glas, das 1874 patentiert wurde. Forschungen im 20. und 21. Jahrhundert brachten weiteres Licht auf die Gründe für die kontraintuitiven Eigenschaften der Tropfen.

Beschreibung

Eine Abbildung, die einen Prinz-Ruprecht-Tropfen beschreibt, aus „ Account of the Glass Drops “ (1661) von Sir Robert Moray

Prinz-Ruprecht-Tropfen entstehen, indem man geschmolzenes Glas in kaltes Wasser tropft. Das Glas kühlt rasch ab und erstarrt im Wasser von außen nach innen. Diese thermische Abschreckung lässt sich mithilfe eines vereinfachten Modells einer schnell abgekühlten Kugel beschreiben. [ 3 ] Aufgrund zweier ungewöhnlicher mechanischer Eigenschaften sind Prinz-Ruprecht-Tropfen seit fast 400 Jahren ein wissenschaftliches Kuriosum. [ 4 ]

Wird der Schwanz abgeschnitten, zerfällt der Tropfen explosionsartig zu Pulver, während der bauchige Kopf Druckkräften von bis zu 664,3 Kilonewton (149.300 lbf) standhält. Die explosive Zersetzung entsteht durch mehrfache Rissverzweigungen beim Abschneiden des Schwanzes:  Ein einzelner Riss wird im Zugspannungsfeld in der Mitte des Schwanzes beschleunigt und verzweigt sich, nachdem er eine kritische Geschwindigkeit von 1.450–1.900 Metern pro Sekunde (3.200–4.300 mph) erreicht hat. [ 5 ] [ 6 ] Aufgrund dieser hohen Geschwindigkeiten lässt sich der Zersetzungsprozess durch Rissverzweigung nur erahnen, indem man in den Schwanz hineinsieht und eine Hochgeschwindigkeitskamera einsetzt . Dies ist wohl der Grund, warum diese ungewöhnliche Eigenschaft der Tropfen jahrhundertelang unerklärt blieb. [ 7 ] Die zweite ungewöhnliche Eigenschaft der Tropfen, nämlich die Festigkeit ihrer Köpfe, ist eine direkte Folge hoher Druckeigenspannungen von bis zu 700 Megapascal (100.000 psi) in der Nähe der äußeren Oberfläche des Kopfes. [ 2 ] Diese Spannungsverteilung wird mithilfe der natürlichen Eigenschaft von Glas, der spannungsinduzierten Doppelbrechung, und durch den Einsatz von 3D-Photoelastizitätstechniken gemessen. Ihre hohe Bruchzähigkeit aufgrund der Druckeigenspannungen macht diePrinz - Rupert - Tropfen zu einem der frühesten Beispiele für gehärtetes Glas.

Geschichte

Abbildung von Glastropfen aus Robert Hookes Micrographia ( 1665)

Es wurde vermutet, dass Methoden zur Herstellung der Tropfen den Glasmachern mindestens seit der Zeit des Römischen Reiches bekannt waren . [ 8 ]

Die Tropfen, die manchmal dem niederländischen Erfinder Cornelis Drebbel zugeschrieben werden, wurden in zeitgenössischen Berichten oft als lacrymae Borussicae (preußische Tränen) oder lacrymae Batavicae (holländische Tränen) bezeichnet . [ 9 ]

Belegbare Berichte über die Tropfen aus Mecklenburg in Norddeutschland finden sich bereits im Jahr 1625. [ 10 ] Das Geheimnis ihrer Herstellung blieb einige Zeit in Mecklenburg, obwohl die Tropfen von dort aus in ganz Europa als Spielzeug oder Kuriositäten verkauft wurden.

Der niederländische Wissenschaftler Constantijn Huygens bat Margaret Cavendish, Herzogin von Newcastle , die Eigenschaften der Tropfen zu untersuchen; nach Durchführung von Experimenten kam sie zu dem Schluss, dass eine geringe Menge flüchtiger Flüssigkeit im Inneren eingeschlossen war. [ 11 ]

Obwohl Prinz Ruprecht die Tropfen nicht entdeckte, brachte er sie 1660 nach Großbritannien. Er übergab sie König Karl II. , der sie 1661 der Royal Society (die im Vorjahr gegründet worden war) zur wissenschaftlichen Untersuchung aushändigte. Mehrere frühe Veröffentlichungen der Royal Society berichten über die Tropfen und beschreiben durchgeführte Experimente. [ 12 ] Zu diesen Veröffentlichungen gehörte Robert Hookes „Micrographia“ von 1665 , der später das Hookesche Gesetz entdeckte . [ 4 ] Seine Veröffentlichung legte das meiste, was über Prinz Ruprechts Tropfen gesagt werden kann, korrekt dar – allerdings ohne ein umfassenderes Verständnis der Elastizität (zu der Hooke später selbst beitrug) oder des Versagens spröder Materialien durch Rissausbreitung als damals üblich. Ein tieferes Verständnis der Rissausbreitung wurde erst durch die Arbeit von A. A. Griffith im Jahr 1920 erreicht . [ 13 ]

Srinivasan Chandrasekar erklärt die Physik der Tropfen, die Prinz Rupert in die Augen trieb.

1994 beobachteten Srinivasan Chandrasekar , Professor für Ingenieurwesen an der Purdue University , und Munawar Chaudhri, Leiter der Materialforschungsgruppe an der Universität Cambridge , mithilfe von Hochgeschwindigkeitsfotografie den Zerfallsprozess von Tropfen. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Oberfläche der Tropfen zwar hohen Druckspannungen ausgesetzt ist, im Inneren jedoch hohe Zugkräfte wirken. Dadurch entsteht ein ungleiches Gleichgewicht, das durch das Abbrechen des Schweifs leicht gestört werden kann. Die Frage, wie sich die Spannungen innerhalb eines Prince-Rupert-Tropfens verteilen, blieb jedoch offen.

In einer weiteren, 2017 veröffentlichten Studie nutzte das Team in Zusammenarbeit mit Hillar Aben, Professor an der Technischen Universität Tallinn in Estland, ein Transmissionspolarisator , um die optische Verzögerung des Lichts einer roten LED beim Durchgang durch einen Glastropfen zu messen. Anhand dieser Daten wurde die Spannungsverteilung im Tropfen ermittelt. Dabei zeigte sich, dass die Tropfenköpfe eine deutlich höhere Oberflächendruckspannung aufweisen als bisher angenommen – bis zu 700 Megapascal (100.000 psi) –, diese Druckschicht jedoch dünn ist und nur etwa 10 % des Durchmessers des Tropfenkopfes ausmacht. Dies verleiht der Oberfläche eine hohe Bruchfestigkeit, sodass ein Riss entstehen muss, der in die innere Zugzone eindringt, um den Tropfen zu zerbrechen. Da sich Risse an der Oberfläche tendenziell parallel zur Oberfläche ausbreiten, können sie nicht in die Zugzone eindringen. Eine Störung im Tropfenende hingegen ermöglicht das Eindringen von Rissen in die Zugzone. [ 14 ]

Eine wissenschaftliche Darstellung der Frühgeschichte der Prinz-Ruprecht-Tropfen findet sich in den „Notes and Records of the Royal Society of London“, wo ein Großteil der frühen wissenschaftlichen Untersuchungen der Tropfen durchgeführt wurde. [ 8 ]

Wissenschaftliche Anwendungen

Die Untersuchung von Tropfen inspirierte vermutlich das Verfahren zur Herstellung von gehärtetem Glas durch Abschrecken. Das Verfahren wurde 1874 in England von dem Pariser François Barthélemy Alfred Royer de la Bastie patentiert, nur ein Jahr nachdem V. De Luynes Berichte über seine Experimente mit den Tropfen veröffentlicht hatte. [ 8 ]

Seit mindestens dem 19. Jahrhundert ist bekannt, dass unter bestimmten Bedingungen in vulkanischer Lava Formationen entstehen, die den Prinz-Ruprecht-Tropfen ähneln . [ 15 ] In jüngerer Zeit haben Forscher der Universität Bristol und der Universität Island die durch explosive Fragmentierung von Prinz-Ruprecht-Tropfen entstehenden Glaspartikel im Labor untersucht, um die durch gespeicherte thermische Spannungen in aktiven Vulkanen bedingte Magmafragmentierung und Aschebildung besser zu verstehen . [ 16 ]

Literarische Anspielungen

Da sie als Partyattraktion verwendet wurden, erlangten Prinz-Ruprecht-Tropfen im späten 17. Jahrhundert weit größere Bekanntheit als heute. Gebildete Menschen (oder Angehörige der „Gesellschaft“) sollten mit ihnen vertraut sein, da sie in der damaligen Literatur Erwähnung fanden. Samuel Butler nutzte sie 1663 in seinem Gedicht „Hudibras“ als Metapher [ 17 ] [ 18 ] , und Pepys erwähnt sie in seinem Tagebuch [ 19 ] .

Die Tropfen wurden in einem Vers der anonymen Ballade des Gresham College (1663) verewigt:

Und was ihren Ruhm noch lauter erklingen ließ, zeigten sie dem König mit viel Getöse , wie man gläserne Knöpfe zu Staub zermahlen kann, wenn man ihnen nur die Bänder abreißt. Wie dies von einer so kleinen Truppe vollbracht wurde , kostete die Universität einen Monat an Reden. [ 20 ]

Der Tagebuchschreiber George Templeton Strong schrieb (Band 4, S. 122) über ein gefährliches plötzliches Aufbrechen des Fußgänger tragenden Eises im East River in New York City im Winter 1867: „Das Eis zerbrach auf einmal in Stücke wie ein Prince Rupert's Drop.“

In Alfred Jarrys Roman „ Supermale“ aus dem Jahr 1902 wird auf die Tropfen Bezug genommen, um sie als Analogie für die geschmolzenen Glastropfen zu verwenden, die von einem defekten Gerät fallen, das elftausend Volt Elektrizität durch den Körper des Übermenschen leiten soll.

Sigmund Freud bemerkt in seinem Werk „Gruppenpsychologie und Analyse des Ichs “ (1921) im Zusammenhang mit der Auflösung militärischer Gruppen die Panik, die aus dem Verlust des Anführers resultiert: „Die Gruppe löst sich in Luft auf, wie ein Tropfen Prinz Ruprecht, wenn ihm der Schwanz abgebrochen wird.“ [ 21 ]

In E. R. Eddisons Roman „ Mistress of Mistresses“ aus dem Jahr 1935 wird im letzten Kapitel auf Ruperts Tropfen angespielt, als Fiorinda eine ganze Reihe davon auslöst.

In dem 1940 erschienenen Detektivroman There Came Both Mist and Snow von Michael Innes ( JIM Stewart ) bezeichnet eine Figur sie fälschlicherweise als „Verona drops“; der Fehler wird gegen Ende des Romans von dem Detektiv Sir John Appleby korrigiert .

In seiner 1943 erschienenen Novelle „ Die beschworene Frau“ verwendet Fritz Leiber Prinz-Ruprecht-Tropfen als Metapher für die Unberechenbarkeit der Persönlichkeiten einiger Figuren. Diese Dozenten einer Kleinstadthochschule wirken ruhig und unnahbar, „explodieren“ aber schon bei der kleinsten Berührung des Heizdrahts.

Peter Carey widmet den Tropfen in seinem 1988 erschienenen Roman Oscar und Lucinda ein ganzes Kapitel .

Die titelgebende Suite zum dritten Studioalbum „Lizard“ der Progressive-Rock- Band King Crimson aus dem Jahr 1970 enthält sowohl Teile, die sich auf eine fiktionalisierte Version von Prinz Rupert beziehen, als auch einen längeren Abschnitt mit dem Titel „The Battle of Glass Tears“.

Siehe auch

  • Bologna-Flasche  – Eine Art Glasflasche, die als wissenschaftliches und magisches Gerät verwendet wurde.
  • Gehärtetes Glas  – Eine Art Sicherheitsglas, das so verarbeitet wird, dass seine Festigkeit erhöht wird.

Referenzen

  1. ^ Guillemin, Amédée (1873). Die Kräfte der Natur: Eine populärwissenschaftliche Einführung in das Studium physikalischer Phänomene . MacMillan & Co. S.  435 .
  2. ^ a b Aben, H.; Anton, J.; Õis, M.; Viswanathan, K.; Chandrasekar, S.; Chaudhri, MM (2016). „Über die außergewöhnliche Festigkeit der Prinz-Rupert-Tropfen“. Appl. Phys. Lett. 109 (23): 231903. Bibcode : 2016ApPhL.109w1903A . doi : 10.1063/1.4971339 .
  3. ^ Narayanaswamy, OS; Gardon, Robert (1998). „Tempering glass spheres and related topics“ . Glass Science and Technology . 71 : 120–128 . Archiviert vom Original am 28.07.2017 . Abgerufen am 09.05.2017 .
  4. ^ a b Robert Hooke , Micrographia or Some Physiological Descriptions of Minute Bodies Made by Magnifying Glasses with Observation and Inquiries Thereupon (London, 1665), "Observation VII. Of Some Phaenomena of Glass Drops", Archiviert 2016-11-07 bei der Wayback Machine , S. 33–44.
  5. ^ Chandrasekar, S.; Chaudhri, M. M. (1994). „Die explosive Zersetzung der Prinz-Ruprecht-Tropfen“. Philosophical Magazine B. 70 ( 6): 1195–1218 . Bibcode : 1994PMagB..70.1195C . doi : 10.1080/01418639408240284 .
  6. ^ Chaudhri, MM (1998). „Crack bifurcation in disintegrating Prince Rupert's drops“. Philosophical Magazine Letters . 78 (2): 153–158 . Bibcode : 1998PMagL..78..153C . doi : 10.1080/095008398178147 .
  7. ^ Davis, Edward Arthur (1999). Science In The Making . Großbritannien: Taylor & Francis. S. 1994 B70. ISBN 0-7484-07677Die
  8. ^ a b c Brodsley, Laurel; Frank, Charles; Steeds, John W. (Oktober 1986). „Prince Rupert’s Drops“. Notes and Records of the Royal Society of London . 41 (1): 1–26 . doi : 10.1098/rsnr.1986.0001 . JSTOR 531493. S2CID 143527832 .  
  9. ^ Claud, Nic. le Cat (1756). „Die Lacrymae Batavicae oder Glastropfen, das Härten von Stahl und das Aufbrausen lassen sich durch dasselbe Prinzip erklären“ . Philosophical Transactions . 10 (2). Royal Society : 560–566 . Archiviert vom Original am 2. Januar 2017.
  10. ^ Beckmann, Johann ; Francis, William; Griffith, JW (1846). „Prince Rupert's Drops – Lacrymae Vitreae“ . Geschichte der Erfindungen, Entdeckungen und Ursprünge, Band II (4. Aufl.). S.  241–245 . Archiviert vom Original am 2. Januar 2017.
  11. ^ Akkerman, Nadine; Corporaal, Marguérite (19. Mai 2004). „Verrückte Wissenschaft jenseits der Schmeichelei: Der Briefwechsel zwischen Margaret Cavendish und Constantijn Huygens“ . Early Modern Literary Studies . Abgerufen am 13. Juli 2019 .
  12. ^ Siehe auch: Neri, Antonio, mit Christopher Merret, Übers., Die Kunst des Glases, worin die Wege zur Herstellung und Färbung von Glas, Pasten, Emaille, Lacken und anderen Kuriositäten gezeigt werden / Geschrieben in Italienisch von Antonio Neri; und übersetzt ins Englische, mit einigen Anmerkungen zum Autor; worin hinzugefügt ein Bericht über die von der Royal Society, Meeting at Gresham College, hergestellten Glastropfen (London, England: Gedruckt von AW für Octavian Pulleyn, 1662), Bericht über die Glastropfen, S. 353–362.
  13. ^ Griffith, A. A. (1921). „Die Phänomene des Bruchs und Fließens in Festkörpern“ . Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical or Physical Character . 221 ( 582–593 ): 163–198 . Bibcode : 1921RSPTA.221..163G . doi : 10.1098/rsta.1921.0006 . JSTOR 91192 . 
  14. ^ Zyga, Lisa (9. Mai 2017). „Wissenschaftler lösen 400 Jahre altes Rätsel um die Prinz-Ruprecht-Tropfen“ . phys.org . Science X Network. Archiviert vom Original am 16. Mai 2017. Abgerufen am 16. Mai 2017 .
  15. ^ Goodrich, Joseph (1829). „Real and supposed effect of igneous action“ . The American Journal of Science and Arts . 16 : 349. Archiviert vom Original am 3. November 2017. Abgerufen am 27. September 2014 .
  16. ^ Cashman, Katharine ; Nicholson, Emma; Rust, Alison; Gislason, Sigurdur (05.08.2010). „Magmazerfall: Einflussfaktoren auf die Magmafragmentierung und Aschebildung“ (PDF) . Archiviert (PDF) vom Original am 6. Oktober 2014. Abgerufen am 27. September 2014 .
  17. ^ Butler, S., Hudibras (Zachary Grey Ausgabe, London, 1799), Bd. 1, S. 390, Zeilen 385–389 ; und siehe Fußnote S. 391.
  18. ^ John Wilders Ausgabe (Oxford University Press, 1967)
  19. ^ Pepys, S.: „The Diary“ (Hrsg. Robert Latham & William Matthews), Bd. III (Berkeley und Los Angeles, University of California Press, 1970-76), 13. Januar 1662, S. 9.
  20. ^ Stimson, Dorothy (Juli 1932). „Ballade vom Gresham College“. Isis . 18 (1 ) : 103–117 . doi : 10.1086/346689 . JSTOR 224481. S2CID 143882964 .  
  21. ^ Freud, Sigmund. Strachey, James (Hrsg.). Sämtliche psychologischen Werke von Sigmund Freud . Band 18. Hogarth Press. S. 97.

Weiterführende Literatur