Pregled posta

Kad je staklo poput ljudi

Negdje u 17. stoljeću živio je jedan od onih ljudi koje je sve živo zanimalo. Princ Rupert od Bavarije, nećak Charlesa II., engleskog kralja.

Priča kaže da je 1640-ih kralju na dvor donio neobične staklene predmete - staklene suze toliko čvrste da ih ni udarac maljem nije mogao zdrobiti, a toliko delikatne da su se rasprskavale u staklenu prašinu kad bi im puknuo repić.
Kralj je novost objeručke prihvatio i uživao u zbunjenim licima dvorjana kada bi im u šaku stavio staklenu kap i odvalio rep. Na engleskom se zovu "Prince Rupert's Drops". Kako ih mi zovemo, ne znam, ali ako netko zna, nek' se javi.

skica iz knjige firentinskog svećenika Antonija Nerija, 1662.

Igračka bi se dobila tako što se komad stakla rastalio i bućnuo u hladnu vodu, gdje bi se skrutnuo u obliku suze dugog repa. Većina bi se odmah raspala, no među staklenim kršem na dnu vode, našla bi se po koja netaknuta kap.

Znatiželja je uvijek gurala čovjeka naprijed, pa je kralj postavio zadatak Kraljevskom društvu da otkrije u čemu je tajna. Nisu uspjeli. Još je svojevremeno kemičar Robert Boyle pokušao proniknuti u tajnu te pojave. Slijepio bi kapi ljepilom, svezao komadom kože, otkinuo repić i onda promatrao pukotine mikroskopom.

U međuvremenu, kako su se razvijale znanost i tehnologija, razvijalo se i staklo. Od loših smjesa koje su se otapale u vodi i nisu mogle izdržati veće promjene u temperaturi, došlo se do cijele palete specijalnih stakala.
Fenomen kapi tvrđih od čelika, a dobivenih od mekog stakla nekako je usput i razjašnjen, a najviše je tome doprinijela fizika materijala svojim novim metodama eksperimentalnog proučavanja, te teorijska, matematička rješenja.

Tajna je u naprezanju. Staklo, kao i gotovo svi materijali, širi se povišenjem temperature, a skuplja sniženjem. Što je učinak veći, to staklo lakše puca. Osim toga, staklo dosta loše vodi toplinu. Uzmete li običnu čašu i stavite je na plamen, neki dijelovi se jako zagriju, a neki slabo. Nejednoliko se šire i nastaje stres. Kada sile između slojeva premaše sile koje drže čestice na okupu, staklo puca.
Zato se stakleni predmeti, posebno ako su deblji, trebaju polako zagrijavati i polako hladiti. Poput čelika, i toplinska obrada stakla može biti kaljenje i napuštanje. Kaljenje koristi brzu promjenu temperature, napuštanje sporu.
Primjerice, laboratorijsko staklo mora proći proces napuštanja, gdje mu se temperatura digne dovoljno visoko da popuste naprezanja, a dovoljno nisko da se ne smekša, i zatim se polako spušta na sobnu. Što je staklo deblje, napuštanje traje dulje. Debeli komadi stakla korišteni u povijesnim teleskopima morali su godinama mirovati prije uporabe.

Kaljeno staklo je ono koje se zagrijalo i naglo ohladilo, a vjerojatno prvi doticaj čovjeka s njim bile su upravo ove suze. Inače, postoje slični prirodni fenomeni, a odnose se na komade nekih minerala koji su nakon formiranja nekako ostali napregnuti. Povijest pamti nesreće u rudnicima izazvane njihovim eksplozijama nakon što bi ih udario pijuk rudara.

Izrada je jednostavna. Rastali se vrh staklenog štapa, ili se čeličnim štapom zagrabi nešto taline iz peći, i kapne u veliku posudu s vodom.

taljenje stakla u plamenu propan-butana

Rastaljena kap se skrutne na površini, koja tako postane čvrsti oklop koji se želi stisnuti, ali ne može jer mu smeta nestlačiva talina u sredini. Taj oklop time prelazi u stanje tlačnog naprezanja.

hlađenje rastaljene kapi u hladnoj vodi; ©Mike Walker, popsci.com

S druge strane, još tekuće staklo u unutrašnjosti također se želi stisnuti, ali je zalijepljeno za svodove oklopa i nema kuda. Kako se hladi, tako u njemu raste vlačno naprezanje.

Dakle, izvana tlak, iznutra vlak. Kaplja postane prenapregnuta, a slojevi naprezanja putuju od sredine prema kraju repa, gdje se smiruju.
Naprezanje se može čak i vidjeti, uz pomoć fenomena fotoelastičnosti, za što kap kap treba staviti između dva ukrižena polarizatora.

fotoelastični prikaz naprezanja u relativno simetričnoj kapi

Pod uvjetom da se ne ošteti rep, kaplju se može udarati čekićem, stiskati u kliještima i škripcu bez da pukne. Nisam isprobao hidrauličku prešu, ali moguće je da ni to ne bi uspjelo, sudeći po brojkama. Naime, ove suze su 4-5 puta čvršće od čelika i relativno su bliske teoretskoj čvrstoći stakla.

Oštetimo li rep, stvar se rasprskava u krupne čestice. Pucanje repa unosi početni poremećaj u taj svojevrsni metastabilni sustav, i potpuno rasipanje se ne može zaustaviti.

brza fotografija rasprskavanja kapi; ©Mike Walker, popsci.com

Slično ponašanje imamo kod svakog kaljenog stakla, primjerice stakla na postajama javnog prijevoza, koje je vrlo tvrdo, ali na kvalitetan i odmjeren udarac rasipa se u mnoštvo komadića, doduše neopasnih, jer ne dolazi do detonacije, a i komadići su kockasti.
Iskustvo govori da su kapi uglavnom ovako metastabilne ako prežive hlađenje do kraja. Moje iskustvo govori da to "uglavnom" znači da se tijekom rukovanja njima uvijek moraju nositi zaštitne naočale, jer mi je jedna nakon više od sat vremena mirovanja uspjela eksplodirati u kutijici. Srećom, ništa me nije pogodilo u oči, ali jest u lice.
Dakle, ako namjeravate napraviti svoje kapi, pamet u glavu i zaštitne naočale na oči dok god ih ne štiti kutijica. I naravno, nipošto ih ne dajte djeci.


Post je objavljen 27.08.2010. u 01:40 sati.