Научно -исследовательская работа "капля Руперта"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя школа №2 с углубленным изучением  физико-математического цикла»научно

Городская научно-практическая конференция

обучающихся 3-4 классов

«Планета эрудитов»

«Секрет прочности капли Принца Руперта»

Окружающий мир

Автор: Симонов Александр Александрович

4 «а» класс МБОУ СШ №2

Наставник: Биляева Ольга Александровна высшая категория, учитель начальных классов

МБОУ СШ №2

г. Дзержинск 2022

Содержание

Введение.................................................................................................................................................. 3

1 Исторические факты о капле Руперта............................................................................................... 3

2 Секрет прочности капли Руперта....................................................................................................... 3

3 Современное применение эффекта капли Руперта.......................................................................... 4

4 Практическая работа по получению капли Руперта в домашних условиях.................................. 4

5 Заключение........................................................................................................................................... 7

Список литературы................................................................................................................................. 7

Введение

Все знают, что основной недостаток многих стёкол — их хрупкость. Огромная масса стеклянных изделий ежедневно превращается в стеклянный бой. Помимо экономических убытков, разбитое стекло представляет опасность, так как свежий скол стекла очень острый. Недаром только что надломленную пластинку стекла можно использовать в качестве режущего инструмента. Но оказывается, стекло можно сделать не только очень прочным, но и не дающим острых осколков.

Эта история началась давно — в XVII веке. Английский принц Руперт (полный титул — пфальцграф Рейнский, герцог Баварский) имел все шансы сделать блестящую военную карьеру.

Но, оставив военную службу, он посвятил последние годы своей жизни искусству и науке. Одно из его открытий — закалённое стекло. Что же это такое я постараюсь разобраться в своей исследовательской работе и получить это стекло в домашних условиях.

1   Исторические факты о капле Руперта.

«Слеза принца Руперта», «батавские или голландские капли», «слеза дьявола» - все это имена одного и того же физического явления.

Мнения касательно происхождения капель принца Руперта весьма разнообразны. В некоторых источниках указано, что изобрели их в 1625 году в Германии. Но их также называют “Батавскими слезами” и вот почему. Некогда в Голландии, незнакомый нам ученый провел некий интересный эксперимент. Он плавил палочку из стекла на мощной горелке, а жидкие расплавленные капельки стряхивал в емкость с обыкновенной водой. Стеклянные капли, застывая в холодной воде, приобретали причудливую форму, напоминающую головастиков с округлой головкой и тоненьким змеевидным хвостом.

Но широкую известность Батавские слёзки получили после того, как британский герцог Руперт Пфальский в 1660 году привез 5 капель   в Великобританию и преподнес их в качестве диковинного подарка королю Карлу II. Карл II поручил Королевскому научному сообществу исследовать таинственную и забавную природу стеклянных капель. В честь принца Пфальского Батавские слезки начали именовать как стеклянные капли принца Руперта.

2   Секрет прочности капли Руперта

Долгое время секрет получения слез Руперта держался в строгом секрете. Это было неудивительно, ведь их с удовольствием покупали на сувениры. 

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.

Роберт Гук, который отвечал за проведение экспериментов перед членами общества, сделал важный прорыв, предположив, что именно охлаждение стекла после погружения в воду вызывало странное свойство капель, хотя более полное понимание механики стало доступным лишь спустя три столетия.

На сегодняшний день уже научно доказаны причины необычного поведения стеклянных капель. Дело в том, что, попадая в холодную воду, стеклянные капли быстро застывают. Наружный слой стекла быстро застывает, уменьшается в объеме и начинает давить на всё еще жидкое ядро». Когда внутренняя часть тоже остывает, ядро начинает сжиматься, однако теперь этому противодействует уже застывший внешний слой. С помощью межмолекулярных сил притяжения он удерживает остывшее ядро, которое теперь вынуждено занимать больший объем, чем если бы оно охладилось свободно. В итоге на границе между внешним и внутренним слоем возникают противоборствующие силы, которые тянут внешний слой внутрь, и в нем образуется напряжение сжатия, а внутреннее ядро — наружу, образуя напряжение растяжения. При этом внутренняя часть может даже оторваться от наружной, и тогда в капле образуется пузырек. Это противостояние делает каплю прочнее стали. Но если все-таки повредить ее поверхность, нарушив внешний слой, скрытая сила напряжения высвободится, и от места повреждения вдоль всей капли прокатится стремительная волна разрушения. Скорость этой волны детонации огромная, около 1,2 км/с — 1,5 км/с, что в пять раз быстрее скорости звука в атмосфере Земли.

3   Современное применение эффекта капли Руперта. 

Сегодня эффект капли принца Руперта успешно применяется в промышленности в самых различных областях. Именно таким способом получают закалённое стекло – путём его нагревания в печах до температур 650-680 ̊С и охлаждением верхних слоёв. 

Уникальные свойства закаленного стекла позволяют применять его в строительстве везде, где необходима прозрачность конструкции, безопасность, прочность и термостойкость:

•   Стеклянные перегородки и двери в промышленных и офисных зданиях, жилых помещениях;

•   Стеклянные фасады;

•   Огне и пожаростойкие двери, перегородки, экраны;

•   Перила лестниц;  Стеклянные полы и лестницы.

Также закаленное стекло используется в автомобильном производстве. Из него могут изготовлять боковые и задние окна машины. Но использование материала для лобовых окон строго запрещено. Мелкие частицы при аварии могут серьезно травмировать органы зрения, поэтому для переднего стекла используется другой материал.  

4   Практическая работа по получению капли Руперта в домашних условиях

•   Цель работы- получению капли Руперта в домашних условиях.

•   Приборы- газовая горелка, стеклянная трубочка (стеклянная часть пипетки), удлиненные плоскогубцы, термометр для измерения температуры воды. 

Эксперимент №1.

Охлаждающая среда-вода 20 °С.

Описание хода работы.

Включаем газовую горелку, зажимаем стеклянную трубочку в плоскогубцы и вносим ее в дальнюю часть пламени (фото 1, 2). Стекло постепенно размякает, а пламя начинает светиться желтым цветом. Через некоторое время стекло начинает плавиться. Кончик палочки становится красным, а потом желтым. На нем собирается капелька, которая постепенно отрывается и быстро падает вниз в банку с холодной водой. Капля в воде разлетается на мелкие частички. 

В ряде работ было показано, чем ниже температура воды, в которую падают «батавские слезки», тем выше вероятность их самопроизвольного разрушения. Результат первого эксперимента на фото не представлен.

            

                                                фото 1                                                                      фото 2

Эксперимент №2.

Охлаждающая среда-вода 24 °С.

Описание хода работы.

Проведем опыт еще раз. Во втором опыте нальем в банку воду температурой 24 °С.

Последовательность действия такая же, как и в первом опыте. В результате получили каплю с коротким хвостиком. А сама капля имеет скол. Эксперимент считаем не до конца удачным.

фото 3

Эксперимент №3.

Охлаждающая среда-машинное масло.

Проведем опыт в третий раз. На этот раз заменим охлаждающую жидкость в банке с воды на масло (фото 4, 5). Последовательность действия такая же, как в первом и во втором опыте. 

 

                                                 фото 4                                                                        фото 5

Результат эксперимента показан на фото 6. Мы получили каплю, похожую на головастика с большой головой и длинным тонким хвостиком.

 

фото 6

5   Заключение

В результате проделанной работы я узнал о существовании капли Принца Руперта, об истории ее происхождения и использовании эффекта капли Руперта в наше время.

В ходе проделанной практической работы я выяснил, что если раскаленное стекло резко охладить, то оно распадется на мелкие частицы (результат первого эксперимента). Но если расплавленное стекло падает в охлаждающую жидкость достаточно долго, то образуется достаточно крепкая капля. При вхождении в охлаждающую жидкость скорость падения капли резко замедляется, тогда как ее полужидкий хвост продолжает двигаться с прежней скоростью.  В результате хвостик у застывшей капли получается в виде змейки. Именно такую каплю я получил в третьем эксперименте.

Также в ходе эксперимента я узнал, что скорость охлаждения в масле значительно меньше чем в воде. Что значительно уменьшает опасность образования трещин на охлаждаемой поверхности. Это способствовало удачному завершению моего эксперимента. Ниже приведена сравнительная таблица скоростей охлаждения при температуре 550650°С, взятая из справочника.

Вода

Список литературы

1.      Информация с ресурсов интернета.

2.      Гуляев А.П. «Металловедение».

3.      Транковский С. «Батавские слёзки»,журнал «Наука и жизнь», 2006г. 4. Леесон И.А. «Занимательная химия», 1996г.