鲁珀特之泪，熔化的玻璃在重力下自然滴入冰水中，形成的蝌蚪状的“玻璃泪滴”，俗称为“鲁珀特之泪”。

简介

直译“鲁珀特亲王之滴”——Prince Rupert's Drop

将熔化的玻璃靠重力自然滴入冰水中，就会形成这些蝌蚪状的“玻璃泪滴”。被俗称为“鲁珀特之泪”的这种玻璃有着奇妙的物理特性：泪珠本身比一般玻璃坚硬很多，能在 8 吨压力下不碎 [1][]() ，然而，若是抓住其纤细的尾巴、稍微施加一些压力，那么整颗玻璃泪就会瞬间爆裂四溅、彻底粉碎。

原理

鲁珀特之泪碎裂的原理叫做“裂纹扩展”，源于其内部不均衡的压力：当熔化的玻璃滴入冰水中时，玻璃表面迅速冷却形成外壳，而壳下的玻璃还仍然是液态。等到核部的玻璃也冷却凝结体积变小时，液态的玻璃自然而然地拉着已经是固态的外壳收缩，导致靠近表面的玻璃受到很大的拉应力， [2][]() 当外部遭到破坏时，这些残余应力迅速释放出来，使得裂纹瞬间传遍全体、支离破碎，据高速摄影技术观测，其裂纹的传递速度可达秒速 1450 米 -1900 米。

此外，用交叉偏振光镜可以看到压力的分布：

故事

为什么蝌蚪状的 **“鲁珀特之泪”（Prince Rupert's drops）** 如此坚硬？这个问题自 17 世纪初以来，就一直困扰着科学家，如今终于得到解答。

在 17 世纪，德国的鲁珀特亲王送给英国国王查理二世一些蝌蚪状的玻璃泪滴。这些玻璃物体有着奇妙的特性：泪滴头部可以经受锤子的敲砸，但如果抓住泪滴尾部，稍微施力整颗玻璃泪滴就会立刻碎成粉末

一个悬而未决的问题是，“鲁珀特之泪”内的这些应力是如何分布的。 理解了应力分布就能充分解释泪滴头部为何如此坚硬。

为此，钱德拉塞克兰和乔杜里开始和塔林理工大学（Tallinn University of Technology）教授希勒·阿边（Hillar Aben）合作。阿边是研究透明物体三维残留应力的专家。

将融化的玻璃依靠重力自然滴入水中，就会形成“鲁珀特之泪”。多年来，研究人员一直试图解开“鲁珀特之泪”的奥秘，但直到最近，科学家才在现代科技的帮助下得到答案。

1994 年，普渡大学的 S·钱德拉塞克兰和剑桥大学的 M·M·乔杜里 ** 用高速摄影技术观察了泪滴的碎裂过程。** 他们通过实验得出结论：** 玻璃泪滴表面具有很很强的压应力，而内部具有很强的拉应力，** 所以，泪滴处于不稳定的平衡态，尾部则是“鲁珀特之泪”的七寸。

阿边他们用透射偏光显微镜分析了“鲁珀特之泪”应力分布，并将研究结果发表在《Applied Physics Letters》上。透射偏光显微镜可以测量轴对称透明物体的双折射。** 在实验中，研究人员将“鲁珀特之泪”悬浮在透明液体中，然后用红色 LED 照亮玻璃泪滴。** 他们借助偏光显微镜测量到光通过玻璃滴的光延迟，并用这些数据构建了整个玻璃滴的应力分布。

结果表明，玻璃滴头部表明的压应力高达 700 兆帕，近乎大气压的 7000 倍——这要比之前的预期高得多。而这些压应力的分布却很薄，约占玻璃滴直径的 10%。

表面压应力让“鲁珀特之泪”拥有很高的结构强度。要使“鲁珀特之泪”破碎，必须在玻璃滴内部拉伸区形成裂纹，而表面裂纹只会沿着玻璃滴表面发展，不会深入内部拉伸区。但尾部却是“鲁珀特之泪”的阿喀琉斯之踵，因为尾部碎裂会使裂纹传入玻璃滴拉伸区，并迅速从内部土崩瓦解。

至此，“鲁珀特之泪”的硬度问题终于得到解答。“我们的研究成分解释了玻璃滴头部硬度为何如此之大”，乔杜里说。“我们已经解决了‘鲁珀特之泪’的主要谜团，但或许还会有出乎意料的是新问题出现。”