Bologneser Träne
Bologneser Tränen (auch Bologneser Glastränen oder Batavische Tropfen oder Prince Rupert’s Drop auf Englisch) sind kleine Glastropfen mit einem Kopf, der sich zu einem Schwanz verjüngt. Sie stehen durch die Art ihrer Herstellung derart unter Eigenspannung, dass der Kopf der Träne eine hohe mechanische Belastbarkeit aufweist und Hammerschläge aushält, der komplette Tropfen aber beim Abbrechen seines Schwanzes zu Glasstaub zerspringt.[1]
Geschichte
Im Mittelalter wurde Glas erhitzt, lang ausgezogen und anschließend schnell abgekühlt, sodass es in sehr feinen Glasstaub zersprang. Manche Ärzte und Apotheker gaben ihren Patienten Wasser vermischt mit diesem Glasstaub unter dem Namen Glaswasser als Medizin, was jedoch keinerlei medizinische Wirkung hatte. 1625 wurde das Phänomen, dass Glas plötzlich „in tausend winzige Stücke zerspringt“, erstmals genauer betrachtet und 1642 wurden die Batavischen Tropfen zusammen mit der Bologneser Glasflasche in Bologna neu erfunden.
Herstellung
Heißes, flüssiges Glas wird tröpfchenweise in einen Behälter mit Wasser oder Öl zum Abkühlen gegeben.
Thermomechanische Begründung
Das dicke Ende einer Bologneser Glasträne kann man bis zu einer bestimmten Druckkraft belasten; sobald man aber das dünne Ende auch nur etwas beschädigt, bringt die starke innere Spannung die Träne zum Zerspringen. Die Zerfallsfront breitet sich dabei etwa mit 1.600 m/s (5.760 km/h) aus, was über der Abbrandgeschwindigkeit von Schwarzpulver liegt.[2] Die starken Spannungen innerhalb der Träne resultieren aus der schnellen Abkühlung bei der Herstellung, da der Tropfen von außen nach innen erhärtet. Die durch die inhomogene Abkühlung induzierten thermischen Spannungen können weiter innen oberhalb der Vitrifikation noch relaxieren, wohingegen nach der Vitrifikation keine Relaxierung mehr möglich ist. Dieses inhomogene Verhalten führt zu Zugeigenspannungen im Inneren und Druckeigenspannungen außen.[3]
Ähnliche Phänomene
Einscheibensicherheitsglas, das bei Beschädigung in zahlreiche kleine Teile mit wenigen spitzen Winkeln zerspringt, funktioniert nach dem gleichen Prinzip. Auch hier wird die Vorspannung durch eine Wärmebehandlung erzeugt.
Bologneser Flaschen funktionieren ebenfalls nach diesem Prinzip. Es handelt sich dabei um dickwandige Glaskolben, die so stabil sind, dass man mit ihnen einen Nagel in ein Holzstück schlagen kann. Lässt man jedoch einen Nagel in die Flasche hineinfallen, zerspringt diese. Grund sind auch hier die starken Zugeigenspannungen in der Innenseite des Kolbens, die sich beim Verletzen der Oberfläche durch das Auftreffen der Nagelspitze durch Rissausbreitung entladen.
Trivia
Literarische Behandlung haben Bologneser Tränen in der gleichnamigen Erzählung Gustav Meyrinks (etwa 1905) und in Peter Careys 1988 veröffentlichtem Roman Oscar und Lucinda gefunden.
Literatur
- H. Aben et al.: On the extraordinary strength of Prince Rupert's drops. In: Applied Physics Letters. Bd. 109 (2016), Nr. 23, doi:10.1063/1.4971339.
Weblinks
Einzelnachweise
- Geheimnis der Bologneser Tränen gelüftet – Ungewöhnliches Verhalten der Glastropfen gab 400 Jahre lang Rätsel auf. In: Scinexx. Das Wissensmagazin. 2017 (scinexx.de).
- YouTube-Video mit Herstellung, Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, Berechnungen, Erklärungen (englisch)
- Narayanaswamy, O.S.; Gardon, Robert: Calculation of residual stresses in glass. In: Journal of the American Ceramic Society. Band 52, Nr. 10. Wiley Online Library, 1969, S. 554–558 (wiley.com [PDF]).