Lasikyynelten paljastama tieteen arvoitus! Koe järisyttävä hetki ‘Hollannin kyynelen’ kanssa

Hei, olen tiedekouluttaja Ken Kuwako. Joka päivä on uusi koe.

Tänään esittelen teille mystisen ja kauniin kokeen, jonka tein tiedekerhon oppilaiden kanssa: ”Hollannin kyynel”. Tämä koe on todella kiehtova, sillä siinä käytetään arkista materiaalia, lasia, ja se näyttää meille, kuinka sen ominaisuudet voivat ylittää mielikuvituksemme. Lasin sulaminen lämmössä ja sen putoaminen veteen näyttää taideteokselta. Tämän kauneuden takana piilee kuitenkin kiinteän ja nestemäisen olomuodon muutosten sekä materiaalin sisällä olevien jännitysten draama.

Shokki ja kauneus! Lähde syvemmälle lasin salaisuuksiin ”Hollannin kyynel” -kokeella

Kun lasitankoa kuumennetaan ja pudotetaan veteen, syntyy kyynelen muotoinen lasipisara. Tätä kutsutaan ”Hollannin kyyneliksi (Prince Rupert’s Drop)”. Tämän kokeen viehätys piilee sen kauniissa muodostumisprosessissa ja valmiin tuotteen odottamattomassa tuhoutumisessa.

Mitä Hollannin kyynel on? Tiedettä lasin ominaisuuksien kautta

Hollannin kyynel valmistetaan pudottamalla sulanutta lasia kylmään veteen. Tällöin lasille syntyy erittäin erikoinen sisäinen rakenne.

Mekanismi muistuttaa ”paahdetun lasikuulan” ilmiötä. Kun sulanut lasi putoaa veteen, se jäähtyy ja kovettuu ensin ulkopuolelta nopeasti. Nestemäisestä tilasta kiinteäksi muuttuessaan lasin tilavuus pienenee hieman. Koska pinta kovettuu ensin, sisällä vielä sulana oleva lasi ”puristuu kasaan” ulkopuolelta tulevan kutistusvoiman vuoksi.

Tämän jälkeen sisäosa jäähtyy ja kovettuu hitaasti, mutta koska ulkokuori on jo kovettunut, sisäinen lasi kovettuu voimakkaiden vetojännitysten alaisena, aivan kuin sitä vedettäisiin ulospäin. Tuloksena Hollannin kyynelen pinta on erittäin voimakkaasti puristettu ja sisällä on voimakas jännitys. Tämä erikoinen voimatasapaino on Hollannin kyynelen tärkein ominaisuus.

Tämän sisäisen jännityksen ansiosta Hollannin kyynelen pallomainen osa on erittäin kestävä. Se on niin kestävä, ettei se murru helposti edes vasaralla lyötäessä. Mutta yllättävää kyllä, jos tämän kyynelen muotoisen lasin ”häntää” hieman särkee tai katkaisee esimerkiksi pihdeillä, koko kappale hajoaa hetkessä palasiksi. Uskotaan, että hännän pään pieni vaurio laukaisee sisällä olevan voimakkaan vetojännityksen vapautumisen ja tuho leviää.

Laita se muovipussiin ja käytä suojalaseja. Kääri se muovipussiin ja kokeile taittaa kärki pihdeillä. Koko esine hajoaa kerralla.

Viittasin tähän sivustoon:

Ei hajoa edes vasaralla lyötäessä?! Valmista hämmästyttävää lasia

30. lokakuuta 2020, Tsukuba University of Technology, teollisen teknologian tiedekunta

Tiedekerhossa käytännössä! Valmistelu ja kokeen kulku

Tiedekerhossamme haastoimme itsemme tähän ihmeelliseen kokeeseen.

Tarvikkeet

Lasitanko: Tavallinen tiedekokeissa käytettävä lasitanko riittää.
Suihkupoltin (tai kaasupoltin): Lasin sulattamiseen tarvitaan korkeaa lämpötilaa.
Lämmönkestävä keitinlasi tai metalliastia: Kylmää vettä varten, johon lasipisarat pudotetaan.
Kylmä vesi: Lisätään keitinlasiin.
Pihtit: Käytetään valmiin Hollannin kyynelen hännän rikkomiseen.
Suojalasit: Käytä ehdottomasti. Lasinsirpaleita saattaa lentää.
Lämmönkestävät hansikkaat: Turvallinen käyttää lasitankoa pideltäessä.
Työpöytä: Tee koe vakaalla alustalla.

Kokeen vaiheet

Valmistele vesi:
- Valmistele lämmönkestävä keitinlasi tai metalliastia, jossa on riittävästi kylmää vettä. Käytä reilusti vettä.
Kuumenna lasitanko:
- Käytä suojalaseja ja lämmönkestäviä hansikkaita.
- Kuumenna lasitangon kärkeä suihkupoltinliekillä. Voit nähdä lasin muuttuvan punaiseksi ja sitten pehmeästi sulavan. Kuumenna riittävästi, kunnes lasi sulaa ja muodostaa pyöreän pisaran.
- Anna oppilaiden tarkkailla turvallisen etäisyyden päästä ja varo palovammoja.
Pudota veteen:
- Kun lasi on sulanut riittävästi ja pisara on muodostunut, työnnä kuumennetun lasitangon kärki hitaasti kylmään veteen ja anna sulaneen lasin pudota luonnollisesti veteen ”kyynelen tavoin”. Älä ravista sitä väkisin.
- Veteen pudonnut lasi jäähtyy ja kovettuu välittömästi, muodostaen kyynelen kaltaisen muodon.
Tarkkaile muodostunutta kyyneltä:
- Ota veteen muodostunut Hollannin kyynel pois ja tarkkaile sen ainutlaatuista muotoa ja läpinäkyvyyttä. Kun se asetetaan polarisaattorin läpi, näkyy ainutlaatuinen väri. Olisiko tämä merkki sisäisestä jännityksestä?
Shokeeraava hetki! Tuhoamiskoe:
- Käytä ehdottomasti suojalaseja ja tee koe turvallisessa paikassa.
- Purista valmiin Hollannin kyynelen ”hännän kärkeä” pihdeillä ja riko se.
- Silloin kuuluu ”pats!” ja koko kyynel hajoaa hetkessä pieniksi palasiksi. Tämä dramaattinen tuhoutumisilmiö saa oppilaat varmasti hämmästymään.
- Koska sirpaleita saattaa lentää, ole varovainen ympäristösi suhteen ja tee koe paikassa, jossa sirpaleet eivät aiheuta ongelmia, tai läpinäkyvässä kotelossa, jotta se on turvallisempaa.

Mitä tästä kokeesta opitaan

Hollannin kyynelen koe on paitsi visuaalisesti mielenkiintoinen, myös hyvä tilaisuus oppia seuraavia tärkeitä tieteellisiä periaatteita:

Aineen olomuodon muutokset: Tarkkaile, kuinka lasi muuttuu kiinteästä nestemäiseen ja takaisin kiinteään tilaan.
Lämpölaajeneminen ja -kutistuminen: Voidaan selittää, kuinka aineen tilavuuden kutistuminen jäähtyessä aiheuttaa Hollannin kyynelen erikoisen sisäisen jännitysrakenteen.
Sisäinen jännitys ja murtuminen: Voidaan visuaalisesti ymmärtää mekanismi, jossa lasin sisälle varastoitunut jännitys vapautuu ulkoisen voiman vaikutuksesta, aiheuttaen dramaattisen murtuman. Tämä liittyy materiaalitieteen perusajatuksiin.
Aineen ominaisuuksien ja rakenteen suhde: Voidaan ymmärtää, että vaikka kyseessä on sama lasimateriaali, se voi osoittaa täysin erilaisia fysikaalisia ominaisuuksia (kestävyys ja hauraus) riippuen sen valmistustavasta.

Tiedustelut ja pyynnöt

Tiede on ihmeellistä ja hauskaa, ja se on lähempänä kuin uskotkaan! Olen koonnut helposti ymmärrettäviä ohjeita hauskoista kotikokeista ja niiden vinkeistä. Käy etsimässä!
・Tietoa ylläpitäjästä, Ken Kuwakosta, löydät täältä
・Erilaiset pyynnöt (kirjoitukset, luennot, kokeilupajat, TV-valvonta, esiintymiset jne.) täältä
・Artikkelipäivitykset julkaistaan X:ssä!

Tiedevideokanavalla julkaistaan kokeiluvideoita!