Батавские слёзки, легковые машины и Gorilla Glass: о некоторых видах укрепленного стекла

Все мы слышали такие слова, как "закаленное стекло", "Gorilla Glass", "химическая обработка стекла". Тем не менее, в большинстве случаев мы и не задумываемся о том, как все эти вещи устроены, а зря — эта тема содержит в себе множество удивительных фактов и интересной логики, а физика в ней в очередной раз проявляет свою прекрасную и яркую сторону. А физика наиболее прекрасна тогда, когда чрезвычайно простые ее законы сильно нас удивляют.

В этой статье не будет никаких заумных формул или длинных логических цепочек (но ссылки для любопытных, конечно же, обязательно будут). Если вы хотите расслабиться и полюбоваться красотой природы — эта статья для вас. Приглашаю всех под кат!

Немного истории

Далекий 1660-ый год, Англия. Король послал своему Королевскому Обществу на рассмотрение пять "маленьких стеклянных пузырьков". Общество с большой быстротой отчиталось, что смогло произвести еще два крохотных похожих изделия, которые ведут себя точно так же, как и полученные. Находка была тут же занесена в мемуары, а инструкция по изготовлению начала переводиться на иностранные языки и стремительно распространяться по Европе.

Стеклянные капли, именованные впоследствии "каплями принца Руперта" в честь адмирала и ученого Принца Руперта Пфальцского, привезшего капли из Германии на рассмотрение королю Чарльзу Второму, вызвали бурные обсуждения у ученых людей того времени. К изобретению приложили свои усилия такие известные личности, как Роберт Гук, Вильям Томсон (Первый Барон Кельвин — да, тот самый) и другие, но четкое математическое описание всех происходящих в каплях процессов впервые появились в трудах Арнольда Алана Гриффита в 1920-м году.

Принц Руперт, конечно, был далеко не первым, сделавшим это открытие. По Петронию, что-то схожее было известно стеклодувам еще со времен Тиберия: создателя изделия, по словам Петрония, Тиберий приговорил к смертной казни, поскольку боялся, что изобретение может быть более ценно, чем все его сокровища.

В 17-м веке, прежде чем установилось именование "капля принца Руперта", было еще распространено название "Батавские слезы", или "Holland Tears" (Батавия — старое название Голландии), потому что впервые они начали массово изготовляться именно там.

Суть

Что же так будоражило всех, кто видел этот стеклянный феномен, и продолжает удивлять до сих пор?

Процесс изготовления капли принца Руперта чрезвычайно прост: нужно лишь взять ведро холодной воды и капнуть туда расплавленным стеклом. После того, как стекло остынет, получится изделие в виде капельки — оно и называется Батавской слезой. Казалось бы, вся эта процедура крайне проста. Тем не менее, Батавские слезы обладают очень интересным свойством.

Они сочетают в себе парадоксальные, на первый взгляд, качества. Батавская слеза является одновременно невероятно прочной и невероятно хрупкой. "Головка" получившегося головастика на удивление крепкая: ее невозможно разбить молотком или другим ручным средством, а под гидравлическим прессом она может выдержать аж до 20 тонн. Но если хоть чуть-чуть поцарапать хвостик или слишком сильно его потрясти, вся капля взорвется на крохотные кусочки.

Как это работает?

Как написано здесь, во время остывания в воде внешние слои сразу затвердевают и образуют некий "панцирь" для раскаленного стекла внутри. Во время остывания внутреннее стекло сильно сжимается, приводя в конечном итоге к огромному накоплению механического напряжения внутри капли.

Посмотрев на каплю через поляризатор, можно "увидеть" все это накопленное напряжение:

Как вы, наверное, уже догадались, взрыв Батавских слезок связан с высвобождением всего этого напряжения. Процесс похож на цепную реакцию: каждый маленький кусочек, потеряв удерживающую его основу, под большим давлением выбрасывается наружу.

Где же применяется это явление? На самом деле, вы каждый день видите стекла, изготовленные по этому принципу. Например, в легковых машинах это впервые началось применяться с 1930-х годов (да, на появление области применения ушло около 300 лет) в виде закаленного стекла. А еще изобретение стало использоваться в:

• Душевых кабинах;
• Полках холодильников;
• Составе некоторых видов пуленепробиваемого стекла;
• Масках дайверов;
• И много где еще.

В легковушках важно правильно выбрать тип стекла для той или иной части из-за соображения безопасности.

Боковые и заднее стекла

Обычное стекло, как правило, разбивается на крупные, острые куски, которые могут нанести вред водителю в случае аварии. Поэтому здесь нужно такое стекло, которое будет не только крепким, но и рассыпаться на мелкие безопасные кусочки, если уж разбилось.

Для этого используется закаленное стекло. Оно получается вследствие быстрого охлаждения со сторон в процессе производства. Здесь все работает так же, как и Батавских слезах, причем если ударить окно по краю, оно разлетится вдребезги. А после этого еще некоторое время можно слышать тихий хруст: это высвобождается последнее напряжение из осколков.

Переднее стекло

Это стекло имеет особую роль. Оно должно быть не только очень прочным, но оно должно как можно больше препятсвовать попаданию объектов в салон даже в случае поломки. Пуленепробиваемое стекло работает по похожим принципам.

Тут закаленное стекло уже не подходит. Вместо него используют так называемый триплекс, или, как его называют на Западе, "laminated glass". Обычно это три склеенных между собой слоя: внешние изготовлены из обычного (силикатного) стекла, а между ними присутствует полимерная пленка.

Триплекс обычно используется тогда, когда мы хотим сделать стекло чрезвычайно прочным. Он находит применение в:

• Стеклянных зданиях;
• Окнах домов;
• Музеях;
• И др.

В случае, если внешний слой разбивается, он не рассыпается на маленькие кусочки, как было бы, если б он был из закаленного стекла. Вместо этого, он и поддерживающие его слои продолжают защищать пассажиров от опасных и, возможно, довольно крупных твердых объектов. Теперь видно, почему рассказ детектива Хэла Вуковича о том, как человек в трансе пробил переднее стекло автомобился, — самая обычная байка.

Ну и конечно же нельзя не упомянуть всеми нами любимые смартфоны!

Gorilla Glass — это бренд химически закаленного стекла. Это дороже и сложнее в производстве; тем не менее, этот метод укрепления распространен в мобильной индустрии. Почему?

Дело в том, что к стеклу мобильного устройства прибавляется еще спектр требований:

• Стекло должно быть как можно тоньше, а методы укрепления, описанные выше, требуют некоторой толщины;
• Стекло должно как можно слабее преломлять свет;
• Стекло может быть разных форм и иметь искривления (например, на границах — привет, Infinity Display).

Химическая обработка со всем этим отлично справляется: она способна укрепить даже очень тонкое стекло, искривленное стекло, а измеримых изменений в преломлении цвета не возникает.

Конечно, тут есть и свои недостатки. Вот некоторые из них:

• Оно может быть применено только к стеклу, содержащему оксиды щелочных металлов (например, силикатное стекло);
• Дорого.

Помимо мобильных смартфонов и других гаджетов, химическая закалка, изобретенная в 1962-м году, нашла применение и в нескольких других предметах быта:

• Передние стекла кабин пилота в авиатехнике;
• Стекла сканнеров;
• Портативные жесткие диски.

Давайте же разберемся, как это работает.

Принцип работы

Идея заключается в том, чтобы, подменив ионы щелочных металлов в стекле на более крупные, как показано на картинке, сделать стекло более плотным и, соответственно, более прочным.

Для этого стекло опускают на некоторый промежуток времени в специальное электрически нагретое вещество (например, KNO₃). Как правило, чем быстрее происходит процесс обмена ионами, тем глубже в стекло проникают крупные ионы и тем дешевле нам это все обходится. Поэтому выбор температур и веществ довольно важен.

После того, как мы все эти стадии прошли, в стекле как бы "заделаны" маленькие трещины и увеличена плотность внешних слоев, что делает стекло более устойчивым к царапинам и ударам.

Ура! Теперь вы кое-что знаете о некоторых видах укрепления стекла и о том, где каждый из них используется. Как упражнение, сможете сразу сказать, какое стекло ломают Гэв и Дэн в следующем видео? А как оно получается? А где оно используется? И какую ошибку совершает Гэв, когда подводит итоги в конце видео?

Уверен, вы с легкостью справились! Удачи всем и спасибо за просмотр статьи!

Буду рад любой обоснованной критике по содержанию и форме статьи.

Let's block ads! (Why?)