Er det muligt at opbygge en perfekt sfærisk Prince Rupert ' s dråbe?

Prince Ruperts dråber er et eksempel på en hærdet silikaglaskomponent: dens overflade har er afkølet hurtigere end dets indre. Hærdning af briller er vigtig, fordi det giver glasset sejhed, dvs. en evne til at modstå brud under belastning, hvilket forklarer, hvorfor en dråbe kan rammes med en hammer og overleve. Silikaglas, som det er almindeligt med andre keramiske materialer, udviser ustabil spredningsformering, når dens brudstyrke overskrides af dets spændingstilstand. I modsætning til de fleste legeringer udviser keramik meget lidt eller ingen plastisk deformation. Når de når deres elastiske grænse, brister de. Så hvis du stresser komponenten af silicaglas er for hård, den brister hurtigt og alt på én gang.

Et glaskom ponent kan hærdes ved hurtigere afkøling af dets ydre end dets indre, så der er en ikke-ensartet restspændingsfordeling i komponenten. Specifikt, fordi det udvendige størkner først, stiger dens densitet, og lydstyrken falder først, hvilket trækker materiale udad fra det indre. Når interiøret størkner med mindre resterende materiale, trækker det derefter indad på det udvendige. Den resulterende spændingstilstand er spænding i det indre og kompression udvendigt.

Revner udbreder sig kun, når der er trækspænding over revnen. Hvis der er en tilbageværende kompressionsspænding over revnen, forbliver den lukket, medmindre den er stresset i spænding. Da kompressionsspændingen skal overvindes, før revnen åbner, kræver det en større trækspænding for at sprede en revne gennem en hærdet glaskomponent end en uhærdet komponent. Hvis en sådan revne udbredes forbi den neutrale spændingsoverflade mellem det ydre og det indvendige af komponenten, ville revnedysen være i spænding på grund af den resterende spændingstilstand i det indre. En sådan revne vil begynde at udbrede sig på en ustabil måde, da alle de resterende spændinger frigøres, hvilket resulterer i en eksplosion af glasskår, da de alle gennemgår elastisk opsving fra den ikke-ensartede spændingsfordeling.

Fra alt heraf skal det være tydeligt, at en “perfekt” sfærisk, hærdet glaskomponent teoretisk er mulig, da det kun kræves, at det udvendige af glasset afkøles hurtigere end det indvendige for at opnå den krævede ikke-ensartede spændingsfordeling, samtidig med at den ønskede form. En kombination af tyngdekraft og viskositet er årsagen til halen i en traditionel Prince Ruperts dråbe.Fjernelse af hver af disse komponenter, såsom med en dråbe dannet i frit fald ved frit overfladespændingsafslapning af en “flydende” glasflaske, kan derfor resultere i en sfære af viskøst glas. Afslapning kan tage lang tid, og glasset skal holdes tyktflydende hele tiden. Det næste trin er at afkøle kuglen hurtigt uden at forstyrre dens form, hvilket ganske vist er vanskeligt. Sprøjtning med væsker ville forårsage krusninger i overfladen, og nedsænkning ville kræve, at den flyttes uendeligt langsomt, hvilket ville forårsage den forkerte form for ikke-ensartet spredningsfordeling. At udsætte det for rumets vakuum kan være tilstrækkeligt, men jeg har ikke foretaget nogen beregninger af det udstrålede varmetab.

Den ønskede opsætning vil sandsynligvis være en strålingsovn i rumets vakuum med en klat af glas, der flyder i det uden relativ hastighed. Ovnen smelter glasset, der slapper af i en kugle. Ovnen slukkes, døren åbnes, og ovnen bevæger sig hurtigt væk fra kuglen. Kuglen udsender stråling, køler overflade hurtigere end det indre (eller så håber vi), og glasset hærdes, hvilket resulterer i et Prince Ruperts Space Drop.

Kommentarer

• Et nøgleaspekt ved hærdningsglas er, at massen af glas inde i en hærdet del af et stykke skal være mindre, end hvis stykket blot blev udglødet. I PR drop, når ydersiden af den store del af drop kontraherer, vil halen give en sti, hvormed smeltet glas kan strømme ud; halen størkner derefter inden dråbens inderside og forhindrer således glasset i at strømme ind igen, når dråben afkøles. Hvis man opvarmede alt glasset godt over udglødningspunktet, skal man hurtigt afkøle det udvendige til lige over udglødningspunktet, afkøle det moderat hurtigt til lige under …
• … udglødningspunktet, og derefter afkølet det derfra relativt langsomt for at forhindre, at glasset revner, man kunne ende med et glas, der var noget hærdet, men ikke så stærkt som en Prince Pupert ‘ s dråbe da køleudvendigt ikke ville ‘ ikke være i stand til at ” presse ud ” glas fra interiør.
• Jeg er lidt skeptisk over for din vakuumhypotese. Jeg tror, selv i glas slår varmeoverførsel ved konvektion varmeoverførsel ved stråling.
• Et interessant punkt. I mikrogravitation, hvis vi antager, at glasset får lov til at nå termisk ligevægt med ovnen, ville drivkraften for konvektion have en radial trykgradient. Det hele hænger sammen med, hvor hurtigt en ydre skal af stærkt tyktflydende glas dannes på grund af stråling sammenlignet med dannelsen af konvektive strømme. Jeg forestiller mig, at det ville være helt domineret af faldets størrelse. Større dråber ville have tid til at opsætte konvektive strømme (som med jernkatastrofen på jorden ‘ s dannelse), mindre dråber måske ikke så meget. Jeg ville ønske, jeg havde tid til at modellere det!

Jeg tror halen dannes som et resultat af hvordan glasset tabes. I videoen adskiller det smeltede glas sig fra resten af klumpen og strækker sig – som Silly Putty eller smeltet mozzarellaost. Jeg forventer, at du i det mindste kunne forkorte halen ved at skære det klæbrige glas – men der er en mulighed for, at resultatet eksploderer ved afkøling, som foreslået i nivags kommentar.

Tilstrækkelig sfæriske glaskugler ville være ret vanskeligt. Måske kunne det gøres ved hjælp af shot tower -konceptet eller en slags formningsmetode.

Det blev tidligere sagt, at en “perfekt” sfære ikke kan eksistere med hensyn til teknik eller fremstilling, men ignorerer trivialiteter, lad os svare på spørgsmålet. En prins Ruperts dråbe er sådan, at smeltet glas er tyktflydende nok til at hænge din stang ned i en spand vand, hvilket får glasset til at afkøles hurtigt nok til at skabe store mængder intern spænding, hvilket forårsager den berømte effekt af at skabe en ubrydelig dråbe.

Selv hvis du hurtigt drejede stangen for ikke at have en lang hale, ville der stadig eksistere noget tyndt træk og gøre en hale. Det kan være lille, men det ville stadig være der. Hvis du var interesseret i at gøre det mere sfærisk, kan du tænke dig at barbere haleenden, men som du ved, resulterer et enkelt nick eller en forstyrrelse af halen i en solid glaseksplosion.

Lad ” s siger, at du snurrede stangen på en måde (i en magisk verden), så der ikke var nogen hale. Derefter ville du ikke have en Prince Ruperts dråbe!

Svaret på dit spørgsmål er nej, det er ikke muligt at lave en sfærisk dråbe fra Prince Rupert, fordi enten glasset eksploderer, eller hvis du simpelthen ikke har den dråbe, du ledte efter.

Hvad med dette? Opret dråben som sædvanlig, men brug det varmeste vand, du kan, for at bremse oprettelsen af spændingerne, som naturligvis stadig vil forekomme.Her er det kritiske trin …… formindsk vandets dybde med eksperimenter, og til sidst frigør dråben lige ved vandoverfladen, som til en vis grad skal reducere halelængden eller praktisk talt fjerne den. dråbe vil falde med en meget reduceret hastighed i betragtning af den semi-vægtløse tilstand i vandet. En anden ting at overveje er at skære dråben lige før den falder. Ved at klippe dråben lige før den falder ned, halen, der køler meget hurtigere end hovedet er praktisk talt elimineret, så hovedet med dets indre belastninger trues ikke af den skøre hale.

Kommentarer

• Faktisk dannes halen i luften, før dråben rammer vandet.

Måske kan du danne en sfæroid af smeltet glas i frit fald, så sluk den med en kold gas.

Jeg foreslår en kold gas i stedet for en væske, fordi du kan “t” droppe “den i en væske i frit fald og sprøjte den med en væske, der er hurtig nok til hurtigt at fryse det udvendige, ville sandsynligvis involvere asymmetriske kræfter, der ville fordreje kuglen, mens en gas ville udøve lige pres på alle sider. Det skulle være meget kold gas! Jeg ved ikke, om en tung gas som argon øger termisk ledning eller noget som brint eller helium måske fungerer bedre.

Halen virker ikke som en nødvendig funktion. Virker for mig, at det er dannet før slukningen af det dryppende glasses viskositet, ikke gennem vandet. Halen ekstruderes ikke hurtigt fra blob af hurtigt afkølende glas; det er allerede til stede, dannet af tyngdekraft / strækning før slukningen, og køler bare ned i den haleform.

Kommentarer

• blybolde er lavet med denne teknik.

Det er ikke en perfekt sfære, men så tæt som jeg er kommet .

Suspender i opvarmet stråle, og slip derefter. Udført.

Du skal kontrollere det tempererede omhyggeligt, for varmt og det flyver fra hinanden.

Kommentarer

• Kan beskriver du, hvordan det opfører sig i forhold til en typisk dråbe med en lang hale? Kan du vise nogen billeder eller video af slutresultatet?

Når ydersiden af et Prince Rupert-drop stivner, vil det hurtigt trække sig sammen. Hvis der ikke er noget sted, inden glasset går ind under denne proces, vil dette medføre, at ydersiden er under betydelig spænding, hvilket næsten garanterer, at det knækker (knitrende glas dannes ved at slukke et helt glasstykke kort; det udvendige lag knækker straks, men hvis alle de revnede glasstykker er i kontakt med glas, der stadig er smeltet, forbliver det samlede stykke intakt). Selv om det er muligt at afkøle glas langsomt nok til at forhindre revnedannelse, vil reduktion af den maksimale trækbelastning tilstrækkeligt til at forhindre revner også reducere den mængde, hvormed en sådan belastning kan flyttes mod at være komprimerende.

Denne vanskelighed kan overvindes ved at sænke glasset relativt langsomt ned i vandet (halen er stadig fastgjort til stangen, hvorfra den kom). Hvis du gør dette, betyder det, at mens en del af ydersiden af glasset er størknet og trækker sig sammen, vil det flydende glas i midten vil under det meste af denne sammentrækning have en kontinuerlig bane med flydende glas, der strækker sig ud af vandet.

På et tidspunkt vil glasset, der kommer ind i vandet, være så tyndt, at det ikke længere er muligt for flydende glas flyder gennem midten, men når det sker, vil de større dele af glasset have trukket sig sammen lige så meget, som de vil, så den mængde flydende glas, der stadig skal forskydes for at undgå at skabe spænding vil være ret lille, og så mængden af spænding skabt af manglende evne til at fortrænge mere flydende glas fra det indre vil ligeledes være lille.Hvis det område af glasset, der er tykt nok til at tillade væske at strømme gennem midten, overlapper det område, der er tyndt nok til at undgå brud, når det køler ned, kan dråben afkøles til stuetemperatur uden for tidlig svigt. En ensartet sfærisk klat, dog , ville ikke have nogen steder at fortrænge den indvendige væske for at undgå, at væskens tryk brækkes udvendigt.

Ingen hale i nul tyngdekraft. Så længe materialet opretholdes i et opvarmet miljø, ville du have en “næsten perfekt” kugle, så længe tryk og temperatur og fravær af tyngdekraften er konstant. Køling vil resultere i lignende ensartede belastninger som Ruperts dråbe skønt effekten af halen mangler. Enhver forvrængning ville resultere i en “fejl” og påvirke den ensartede stress, og Ruperts Drop-effekt ville ikke eksistere. I en perfekt ide ville du ende med en “dit navn” -kugle.

Ja, og uden meget fremmede oplysninger skal du blot gøre det i nul tyngdekraft med mellemrum med et vandsprøjtningsapparat.

Fremgangsmåde:

1. smelt en flydende glasklap ved hjælp af et par gasstrålebrændere og med hånden ved hjælp af jet aerodynamisk kraft for at holde klodsen relativt fast i rummet,

2. diriger en spray af vanddråber fra flere vanddyser, måske tidligere arrangeret i et radialt mønster med spraystrømmen rettet mod midten af den sfæriske klat.

Ikke-vigtige detaljer, der skal udarbejdes af den kompetente eksperimentator.