尻尾を切ると全体が砕け散るガラス「プリンス・ラパートの滴」で何が起きているか、スローモーションで見るとこんな感じ

融解したガラスを冷水に落として作るガラス「プリンス・ラパートの滴」は形状からオランダの涙とも呼ばれますが、その頭部は非常に硬く、ハンマーによる打撃にも耐えられる一方で、尻尾の部分を少しでも折ると全体が爆発するかのように砕け散ります。「Mystery of Prince Rupert's Drop at 130,000 fps」は粉砕が起こる瞬間をハイスピードカメラPhantom V1610を使って撮影、スローモーションで再生し、この不思議な現象がどのように起こっているのかを明らかにしています。

Mystery of Prince Rupert's Drop at 130,000 fps - Smarter Every Day 86 - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=xe-f4gokRBs&hd=1

ということで今回はガラス工場で実験します。

パイプの先にガラスの材料をつけ、熱した釜の中に入れます。

釜の中からガラスを取り出しました。

冷たい水の中に投入。

ジュワッという音と共にガラスの細い部分から固まっていきます。

ガラスが冷え、完全に固まるとこんな感じ。オタマジャクシの尾が長く伸びたような滴型です。

ガラスのうち最も大きく、丸くなっている頭部を強くたたいてみます。

頭部はかなり硬く、鋭利なもので強くたたいても割れることはありません。

次に尻尾の部分をペンチで挟みます。

パチン、と尻尾の端を折ると、あっという間にガラス全体が粉々になってしまいました。

スローモーションで見てみても、ガラス全体が一瞬にして砕け散っている様子が映し出されます。

「何が起こっているのか、通常のカメラで見てもよく分からない」ということで、今度は1秒1万6000コマの超高速撮影が可能なハイスピードカメラPhantom V1610を使って撮影を行います。

プリンス・ラパートの滴の尾をペンチで挟みます。

力を入れると、まずは尾の先が砕けて……

徐々に衝撃が全体に伝わっていきます。

透明だった滴のうち3分の2が白く変化。

そして滴全体が白くなり……

滴全体がぱりーんと砕け散りました。

さらに偏光器を使ってガラスの内部がどのようになっているのか見てみます。

外側と内側で光の屈折の仕方が異なっていることを確認。熱したガラスを冷たい水の中に落とし急激に冷やすことによって、内側と外側で違った固まり方をし、ガラス内部に張力を生み出すのです。

どういうことか？という詳細な説明は以下から。灰色のTシャツを着た男性が硬化したガラス、水色のTシャツは冷却中のガラス、赤いTシャツは熱したガラスです。熱したガラスは硬いガラスよりも膨張しており、冷却中のガラスは膨張した熱いガラスを硬化する最中にあるため、収縮しています。

まず、熱したガラスの中を占めているのは赤いTシャツの男性。

水に入れると、まずは外側が冷却され、徐々に硬化が始まります。

そして外側が全て硬化、中だけはまだ熱い、という状態に変化。

写真でガラスの状態を見るとこんな感じ。真ん中が赤く、外側だけが透明になっています。

そして徐々に内側まで冷却されていきます。

この時、冷却中のガラスは硬化したガラスに押されるため、外側から内側に向かって収縮し、その圧縮によってガラスが強化します。

そして圧縮が加わったまま硬化することで表面は非常に硬いガラスが完成するわけです。これは強化ガラスの原理と同じ。

偏光器で見た時にガラスが2層に分かれていたのはこれが理由です。

しかしガラス内部は緊張状態を保ちつつ存在しているのも事実で、一度内部に衝撃が伝わってしまうと連鎖的に壊れてしまうのです。

最後に、どれくらいの速さで衝撃が伝わっているのか？ということを調べてみます。

先ほどと同様に、プリンス・ラパートの滴の尻尾を切断。

カメラで衝撃が伝わる様子を撮影すると、まずAの範囲においては15マイクロ秒につき2.54cmで衝撃が伝わりました。

さらにBの範囲でも15マイクロ秒につき2.54cm。

最後にCの範囲では16マイクロ秒につき2.54cmの速さ。

これらの数値からプリンス・ラパートの滴に衝撃が伝わる速さは秒速1658メートルと測定。

なお、この実験ではプリンス・ラパートの滴を素手で掴んで粉砕させていますが、ガラスは粉々になるため破片で怪我をすることはないそうです。ただ、実験をガラス容器内で行うと容器が破損して手を切る恐れがあるため、実験は厚手のビニール袋の中で行うことがオススメされています。