プリンス・ルパートのドロップ

プリンス・ルパートの滴（オランダの涙、バタビアの涙とも呼ばれる）^[1]^[2]は、溶融ガラスを冷水に滴下して作られる強化ガラスビーズで、細長い尾を持つオタマジャクシ型の滴に凝固します。これらの滴は、内部に非常に高い残留応力を特徴としており、球根状の端にハンマーや銃弾が当たっても壊れない一方で、尾の端が少しでも損傷すると爆発的に崩壊するなど、直感に反する特性を引き起こします。自然界では、同様の構造が特定の条件下で火山の溶岩に生成され、ペレの涙として知られています。

このガラス滴は、1660年にイギリスに持ち込んだライン公ルパートにちなんで名付けられましたが、17世紀初頭にはオランダで生産されていたと伝えられており、ガラス職人の間ではおそらくそれよりずっと前から知られていました。王立協会によって科学的珍奇物として研究され、その珍しい特性の原理が解明されたことが、おそらく1874年に特許を取得した強化ガラスの製造工程の開発につながったと考えられます。20世紀と21世紀に行われた研究により、このガラス滴の相反する特性の理由がさらに明らかになりました。

説明

プリンスルパートの雫は、溶けたガラスの雫を冷水に落とすことで作られます。ガラスは水中で外側から内側に向かって急速に冷えて固まります。この熱による急冷は、急速に冷却された球の簡略化されたモデルで説明できます。^[3]プリンスルパートの雫は、2 つの珍しい機械的特性のため、400 年近く科学的な好奇心の対象となっています。^{[4]尾部を切り取ると、雫は爆発的に粉々に砕けますが、球根状の頭部は最大 664,300 ニュートン (67,740 kg}_f )の圧縮力に耐えることができます。

爆発的な崩壊は、尾部が切断されたときに複数の亀裂分岐イベントによって発生します。単一の亀裂は尾部中央の引張残留応力場で加速され、1,450〜1,900メートル/秒（3,200〜4,300マイル/時）の臨界速度に達した後に分岐します。^[5]^[6]これらの高速を考えると、亀裂の分岐による崩壊プロセスは、尾部を覗き込み、高速画像化技術を使用することによってのみ推測できます。これが、滴のこの奇妙な特性が何世紀にもわたって説明されなかった理由です。^[7]

雫の2つ目の珍しい特性、つまり頭部の強度は、頭部の外表面付近に存在する最大700メガパスカル（100,000 psi）の大きな圧縮残留応力の直接的な結果^{です。 [2]この応力分布は、ガラスの}応力誘起複屈折という自然な特性と、3D 光弾性技術を使用して測定されます。残留圧縮応力による高い破壊靭性により、プリンスルパートの雫は強化ガラスの最も初期の例の1つとなっています。

歴史

ガラス滴の製造方法はローマ帝国時代からガラス職人の間で知られていたとされている。^[8]

この滴はオランダの発明家コルネリス・ドレベルに由来すると考えられており、同時代の記録ではラクリマ・ボルシカエ（プロイセンの涙）またはラクリマ・バタヴィカエ（オランダの涙）と呼ばれることが多かった。 ^[9]

北ドイツのメクレンブルクで発見されたこの滴に関する記録は、1625年には既に確認されている。 ^[10]滴の作り方の秘密は、しばらくの間メクレンブルク地方に残されていたが、滴はそこからヨーロッパ全土に広まり、玩具や珍品として販売された。

オランダの科学者コンスタンティン・ホイヘンスは、ニューカッスル公爵夫人マーガレット・キャベンディッシュに滴の性質を調べるよう依頼した。実験を行った後の彼女の意見は、少量の揮発性液体が内部に閉じ込められているというものだった。^[11]

プリンス・ルパートは滴を発見したわけではないが、1660年に英国に持ち帰ったことで歴史に一役買った。彼は滴をチャールズ2世に渡し、チャールズ2世は1661年に科学的研究のため、前年に設立された王立協会に寄贈した。王立協会の初期の出版物には滴に関する記述や行われた実験がいくつかある。 ^[12]これらの出版物の中には、後にフックの法則を発見するロバート・フックによる1665年の『ミクログラフィア』がある。^[4]彼の出版物は、当時存在していた弾性（フック自身も後にこれに貢献した）や脆性材料の亀裂の伝播による破壊についてのより完全な理解なしに、プリンス・ルパートの滴について言えることのほとんどを正しく説明した。亀裂の伝播に関するより完全な理解は、1920年のA・A・グリフィスの研究まで待たなければならなかった。^[13]

プリンス・ルパートの落下の物理を説明するスリニヴァサン・チャンドラセカル

1994年、パデュー大学の工学教授スリニヴァサン・チャンドラセカル氏とケンブリッジ大学の材料グループの責任者ムナワール・チャウドリ氏は、高速フレーミング写真法を用いて水滴の粉砕過程を観察し、水滴の表面は強い圧縮応力を受けるが、内部は高い張力を受けるため、尾部が破壊されると簡単に不均衡な平衡状態が崩れると結論付けた。しかし、プリンス・ルパートの滝全体に応力がどのように分散されるかという疑問が残った。

2017年に発表されたさらなる研究では、研究チームはエストニアのタリン工科大学のヒラー・アベン教授と共同研究を行い、透過型偏光計を使用して赤色LEDの光がガラス滴を通過する際の光学的遅延を測定し、そのデータを使用して滴全体の応力分布を構築した。これにより、滴の頭部の表面圧縮応力は最大700メガパスカル（100,000psi）と、これまで考えられていたよりもはるかに高いことが示されたが、この表面圧縮層も薄く、滴の頭部の直径の約10％にすぎない。これにより表面に高い破壊強度が与えられ、液滴を破壊するには内部の張力ゾーンに入る亀裂を作る必要があることを意味する。表面の亀裂は表面と平行に成長する傾向があるため、張力ゾーンに入ることはできないが、尾部の乱れにより亀裂が張力ゾーンに入ることができる。^[14]

プリンス・ルパートの滴の初期の歴史に関する学術的な記述は、滴の初期の科学的研究の多くが行われたロンドン王立協会の記録と記録^{に記載されています。 [8]}

科学的用途

滴の研究は、おそらく急冷による強化ガラスの製造法にインスピレーションを与えた。この方法は、V. ドゥルイネスが実験結果を公表したわずか1年後の1874年に、パリのフランソワバルテルミーアルフレッドロワイエドゥラバスティーによってイギリスで特許取得された。^[8]

少なくとも19世紀以来、プリンス・ルパートの雫に似た構造が、特定の条件下で火山の溶岩中に生成されることが知られていました。^[15]最近では、ブリストル大学とアイスランド大学の研究者が、プリンス・ルパートの雫の爆発的な破砕によって生成されたガラス粒子を実験室で研究し、活火山に蓄積された熱応力によって引き起こされるマグマの破砕と灰の形成をより深く理解しようとしています。 ^[16]

文学的参照

パーティーの飾りとして使われていたため、プリンス・ルパートの雫は17世紀後半に今日よりはるかに広く知られるようになった。当時の文学作品で使われていたことから、教養のある人々（または「社交界」の人々）は雫をよく知っていたことが分かる。サミュエル・バトラーは1663年に詩『ヒューディブラス』の中で雫を比喩として使い、^[17]^[18]ピープスは日記の中で雫について言及している。^[19]

この雫は、匿名の『グレシャム・カレッジのバラッド』（1663年）の詩に永遠に刻まれています。

そして、彼らの名声をさらに高めているのは、
彼らが大々的に王に披露した、ガラスのボタンを、その裾を絞るだけで
粉々にしてしまうことだ。これがいかにして小さな力で行われたかは、大学に一ヶ月の講演を要した。^[20]

日記作者のジョージ・テンプルトン・ストロングは、1867 年の冬にニューヨーク市のイースト川で歩行者を運ぶ氷が突然崩れて危険な状態になったことについて、「氷はプリンス・ルパートの滝のように一斉に粉々に砕け散った」と書いています (第 4 巻、122 ページ)。

アルフレッド・ジャリの 1902 年の小説『超人』では、超人の体に 11,000 ボルトの電気を流すための装置の故障により、溶けたガラスの滴が落ちる様子を喩えて、この滴について言及しています。

ジークムント・フロイトは、著書『集団心理学と自我の分析』 （1921年）の中で軍隊の集団の解散について論じ、リーダーの喪失から生じるパニックについて次のように述べている。「集団は、ルパート王子のしずくの尾が折れたときのように、塵となって消える。」

ER エディソンの 1935 年の小説「ミストレス・オブ・ミストレス」の最終章では、フィオリンダが一連のドロップを繰り出す場面で、ルパートのドロップについて言及されています。

マイケル・イネス (ジム・スチュワート) の1940 年の探偵小説『霧も雪も降る』では、登場人物が誤って「ヴェローナの雫」と呼んでいますが、この誤りは小説の終盤で探偵のサー・ジョン・アップルビーによって訂正されています。

フリッツ・ライバーは1943 年の中編小説『魔法の妻』で、プリンス・ルパートの落下を、登場人物の性格の不安定さの比喩として使っている。田舎町の大学教員たちは穏やかで冷静に見えるが、ほんの「糸をパチリと弾く」だけで「爆発」してしまう。

ピーター・ケアリーは、1988年の小説『オスカーとルシンダ』の中で、この滝に一章を割いている。

プログレッシブ・ロックバンド、キング・クリムゾンの1970年の3枚目のスタジオアルバム『リザード』のタイトルとなった組曲には、架空のルパート王子に言及した部分と、「ガラスの涙の戦い」と呼ばれる拡張セクションの両方が含まれています。

参照

参考文献

^ ギユマン、アメデ（1873年）。『自然の力：物理現象の研究への一般向け入門』マクミラン社、 435ページ。
^ ab Aben, H.; Anton, J.; Õis, M.; Viswanathan, K.; Chandrasekar, S.; Chaudhri, MM (2016). 「プリンスルパートの滴の並外れた強さについて」. Appl. Phys. Lett. 109 (23): 231903. Bibcode :2016ApPhL.109w1903A. doi :10.1063/1.4971339.
^ Narayanaswamy, OS; Gardon, Robert (1998). 「ガラス球の強化と関連トピック」. Glass Science and Technology . 71 : 120–128. 2017-07-28時点のオリジナルよりアーカイブ。2017-05-09閲覧。
^ ab ロバート・フック、「ミクログラフィア、または拡大鏡による微小物体の生理学的記述と観察およびそれに関する調査」（ロンドン、1665年）、「ガラス滴のいくつかの現象の観察 vii.」、 Wayback Machineに 2016 年 11 月 7 日にアーカイブ、pp. 33–44。
^ Chandrasekar, S; Chaudhri, MM (1994). 「プリンス・ルパートの滴の爆発的崩壊」Philosophical Magazine B . 70 (6): 1195–1218. Bibcode :1994PMagB..70.1195C. doi :10.1080/01418639408240284.
^ Chaudhri, MM (1998). 「プリンスルパートの滴の崩壊における亀裂の分岐」. Philosophical Magazine Letters . 78 (2): 153–158. Bibcode :1998PMagL..78..153C. doi :10.1080/095008398178147.
^ デイビス、エドワード・アーサー（1999年）。サイエンス・イン・ザ・メイキング。イギリス：テイラー＆フランシス。pp. 1994 B70。ISBN 0-7484-07677。
^ abc Brodsley, Laurel; Frank, Charles; Steeds, John W. (1986年10月). 「Prince Rupert's Drops」.ロンドン王立協会記録. 41 (1): 1–26. doi :10.1098/rsnr.1986.0001. JSTOR 531493. S2CID 143527832.
^ Claud, Nic. le Cat (1756). 「ラクリマ・バタヴィカエ、つまりガラスの滴、鋼の焼き入れ、そして発泡は、同じ原理で説明される」。哲学論文集。10 (2)。王立協会: 560–566。2017年1月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。
^ Beckmann, Johann ; Francis, William; Griffith, JW (1846). 「Prince Rupert's Drops – Lacrymae Vitreae」.発明、発見、起源の歴史、第2巻（第4版）。pp. 241–245。2017年1月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。
^ アッカーマン、ナディーン、コーポラル、マルグリット（2004年5月19日）。「お世辞を超えた狂気の科学：マーガレット・キャベンディッシュとコンスタンティン・ホイヘンスの書簡」。初期近代文学研究。 2019年7月13日閲覧。
^ 参照: ネリ、アントニオ、クリストファー・メレット訳『ガラスの芸術ガラス、ペースト、エナメル、レーキ、その他の珍品の作り方と着色方法が紹介されている』/ アントニオ・ネリによってイタリア語で書かれ、著者に関するいくつかの意見とともに英語に翻訳され、グレシャム・カレッジ(ロンドン、イギリス: オクタヴィアン・プーリンのために AW が 1662 年に印刷) で開催された王立協会で作られたガラスの雫に関する説明が追加されている、『ガラスの雫の説明』、pp. 353-362。
^ グリフィス、AA (1921)。「固体の破壊と流動の現象」。ロンドン王立協会哲学論文集。数学的または物理学的性質の論文を含むシリーズA。221 ( 582–593): 163–98。Bibcode : 1921RSPTA.221..163G。doi : 10.1098 / rsta.1921.0006。JSTOR 91192 。
^ Zyga, Lisa (2017年5月9日). 「科学者がプリンス・ルパートの滴の400年来の謎を解明」. phys.org . Science X ネットワーク. 2017年5月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年5月16日閲覧。
^ Goodrich, Joseph (1829). 「火成活動の実際のおよび想定される影響」.アメリカ科学芸術ジャーナル. 16 : 349. 2017年11月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年9月27日閲覧。
^ Cashman, Katharine ; Nicholson, Emma; Rust, Alison; Gislason, Sigurdur (2010-08-05). 「Breaking magma: Controls on magma fractionation and ash generation」(PDF) 。 2014年10月6日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。 2014年9月27日閲覧。
^ バトラー、S.、「Hudibras」（ザカリー・グレイ版、ロンドン、1799年）、第1巻、390ページ、385〜389行目。および391ページの脚注を参照。
^ ジョン・ウィルダース版（オックスフォード大学出版局、1967年）^{[ページが必要]}
^ ピープス、S.：「日記」（ロバート・レイサムとウィリアム・マシューズ編）、第3巻（バークレーおよびロサンゼルス、カリフォルニア大学出版局、1970-76年）、1662年1月13日、9ページ。
^ スティムソン、ドロシー（1932年7月）。「グレシャム・コレッジのバラード」。Isis。18 （1）：103–17。doi ：10.1086 / 346689。JSTOR 224481。S2CID 143882964 。

さらに読む

アルベルゴッティ、クリフトン (1989)。「プリンス・ルパートの文学における雫」。物理学教師。27 (7): 530–2。Bibcode :1989PhTea..27..530A。doi :10.1119/ 1.2342858 。
ロバート・モレー卿 (1661)。「ガラスの滴についての記録」、王立協会(転写、アーカイブ参照)。

外部リンク

「プリンス・ルパートの雫」。ポピュラーサイエンス・マンスリー。第8巻。1876年1月。ISSN 0161-7370 – Wikisource経由。
PrinceRupertsDrop.com 高速スローモーションビデオのデモンストレーション。
ガラス美術館のプリンス・ルパートのドロップスの製作と破壊の様子を示すビデオ
プリンス・ルパートの雫を詳細に説明したビデオ付きのポピュラーサイエンスの記事
コーニング社 (2014年11月19日)。「ガラスの時代、第2部：強くて耐久性のあるガラス」。YouTube。2021年12月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年3月24日閲覧。元ミスバスターズのアダム・サヴェージとジェイミー・ハイネマンが、内部応力の図を含むルパートのドロップを実演する

[1] ギユマン、アメデ（1873年）。『自然の力：物理現象の研究への一般向け入門』マクミラン社、 435ページ。

[:0-2] Aben, H.; Anton, J.; Õis, M.; Viswanathan, K.; Chandrasekar, S.; Chaudhri, MM (2016). 「プリンスルパートの滴の並外れた強さについて」. Appl. Phys. Lett. 109 (23): 231903. Bibcode :2016ApPhL.109w1903A. doi :10.1063/1.4971339.

[3] Narayanaswamy, OS; Gardon, Robert (1998). 「ガラス球の強化と関連トピック」. Glass Science and Technology . 71 : 120–128. 2017-07-28時点のオリジナルよりアーカイブ。2017-05-09閲覧。

[:1-4] ロバート・フック、「ミクログラフィア、または拡大鏡による微小物体の生理学的記述と観察およびそれに関する調査」（ロンドン、1665年）、「ガラス滴のいくつかの現象の観察 vii.」、 Wayback Machineに 2016 年 11 月 7 日にアーカイブ、pp. 33–44。

[5] Chandrasekar, S; Chaudhri, MM (1994). 「プリンス・ルパートの滴の爆発的崩壊」Philosophical Magazine B . 70 (6): 1195–1218. Bibcode :1994PMagB..70.1195C. doi :10.1080/01418639408240284.

[6] Chaudhri, MM (1998). 「プリンスルパートの滴の崩壊における亀裂の分岐」. Philosophical Magazine Letters . 78 (2): 153–158. Bibcode :1998PMagL..78..153C. doi :10.1080/095008398178147.

[7] デイビス、エドワード・アーサー（1999年）。サイエンス・イン・ザ・メイキング。イギリス：テイラー＆フランシス。pp. 1994 B70。ISBN 0-7484-07677。

[Brodsley-8] Brodsley, Laurel; Frank, Charles; Steeds, John W. (1986年10月). 「Prince Rupert's Drops」.ロンドン王立協会記録. 41 (1): 1–26. doi :10.1098/rsnr.1986.0001. JSTOR 531493. S2CID 143527832.

[9] Claud, Nic. le Cat (1756). 「ラクリマ・バタヴィカエ、つまりガラスの滴、鋼の焼き入れ、そして発泡は、同じ原理で説明される」。哲学論文集。10 (2)。王立協会: 560–566。2017年1月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。

[10] Beckmann, Johann ; Francis, William; Griffith, JW (1846). 「Prince Rupert's Drops – Lacrymae Vitreae」.発明、発見、起源の歴史、第2巻（第4版）。pp. 241–245。2017年1月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。

[11] アッカーマン、ナディーン、コーポラル、マルグリット（2004年5月19日）。「お世辞を超えた狂気の科学：マーガレット・キャベンディッシュとコンスタンティン・ホイヘンスの書簡」。初期近代文学研究。 2019年7月13日閲覧。

[12] 参照: ネリ、アントニオ、クリストファー・メレット訳『ガラスの芸術ガラス、ペースト、エナメル、レーキ、その他の珍品の作り方と着色方法が紹介されている』/ アントニオ・ネリによってイタリア語で書かれ、著者に関するいくつかの意見とともに英語に翻訳され、グレシャム・カレッジ(ロンドン、イギリス: オクタヴィアン・プーリンのために AW が 1662 年に印刷) で開催された王立協会で作られたガラスの雫に関する説明が追加されている、『ガラスの雫の説明』、pp. 353-362。

[13] グリフィス、AA (1921)。「固体の破壊と流動の現象」。ロンドン王立協会哲学論文集。数学的または物理学的性質の論文を含むシリーズA。221 ( 582–593): 163–98。Bibcode : 1921RSPTA.221..163G。doi : 10.1098 / rsta.1921.0006。JSTOR 91192 。

[14] Zyga, Lisa (2017年5月9日). 「科学者がプリンス・ルパートの滴の400年来の謎を解明」. phys.org . Science X ネットワーク. 2017年5月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年5月16日閲覧。

[15] Goodrich, Joseph (1829). 「火成活動の実際のおよび想定される影響」.アメリカ科学芸術ジャーナル. 16 : 349. 2017年11月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年9月27日閲覧。

[16] Cashman, Katharine ; Nicholson, Emma; Rust, Alison; Gislason, Sigurdur (2010-08-05). 「Breaking magma: Controls on magma fractionation and ash generation」(PDF) 。 2014年10月6日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。 2014年9月27日閲覧。

[17] バトラー、S.、「Hudibras」（ザカリー・グレイ版、ロンドン、1799年）、第1巻、390ページ、385〜389行目。および391ページの脚注を参照。

[18] ジョン・ウィルダース版（オックスフォード大学出版局、1967年）^{[ページが必要]}

[19] ピープス、S.：「日記」（ロバート・レイサムとウィリアム・マシューズ編）、第3巻（バークレーおよびロサンゼルス、カリフォルニア大学出版局、1970-76年）、1662年1月13日、9ページ。

[20] スティムソン、ドロシー（1932年7月）。「グレシャム・コレッジのバラード」。Isis。18 （1）：103–17。doi ：10.1086 / 346689。JSTOR 224481。S2CID 143882964 。