Ist es möglich, einen perfekt kugelförmigen Tropfen von Prince Rupert ' zu bauen?

Die Tropfen von Prince Rupert sind ein Beispiel für eine gehärtete Quarzglaskomponente: Ihre Oberfläche hat wurde schneller abgekühlt als sein Inneres. Das Tempern von Gläsern ist wichtig, da es dem Glas Zähigkeit verleiht, dh die Fähigkeit, einem Bruch unter Last zu widerstehen, was erklärt, warum ein Tropfen mit einem Hammer getroffen werden und überleben kann. Quarzglas, wie es üblich ist zeigt bei anderen keramischen Werkstoffen eine instabile Rissausbreitung, wenn ihre Bruchfestigkeit durch ihren Spannungszustand überschritten wird. Im Gegensatz zu den meisten Legierungen weisen Keramiken nur eine sehr geringe oder keine plastische Verformung auf. Wenn sie ihre Elastizitätsgrenze erreichen, brechen sie. Wenn Sie also a Die Quarzglaskomponente ist zu hart, sie bricht schnell und auf einmal.

Eine Glaskom Die Komponente kann getempert werden, indem ihre Außenseite schneller als ihre Innenseite abgekühlt wird, so dass eine ungleichmäßige Restspannungsverteilung in der Komponente vorliegt. Insbesondere weil sich das Äußere zuerst verfestigt, nimmt seine Dichte zu und das Volumen nimmt zuerst ab, wodurch Material von innen nach außen gezogen wird. Wenn sich das Innere mit weniger verbleibendem Material verfestigt, zieht es das Äußere nach innen. Der resultierende Spannungszustand ist Spannung im Inneren und Kompression im Äußeren.

Risse breiten sich nur aus, wenn eine Zugspannung über den Riss herrscht. Wenn über dem Riss eine Restdruckspannung besteht, bleibt diese geschlossen, sofern sie nicht unter Spannung steht. Da die Druckspannung überwunden werden muss, bevor sich der Riss öffnet, ist eine größere Zugspannung erforderlich, um einen Riss durch eine gehärtete Glaskomponente auszubreiten als eine nicht getemperte Komponente. Wenn sich ein solcher Riss an der Oberfläche mit neutraler Spannung zwischen der Außenseite und der Innenseite des Bauteils ausbreiten würde, würde die Rissspitze aufgrund des Restspannungszustands des Inneren unter Spannung stehen. Ein solcher Riss würde sich instabil ausbreiten, wenn alle Restspannungen freigesetzt werden, was zu einer Explosion von Glassplittern führt, da sie alle eine elastische Erholung von der ungleichmäßigen Spannungsverteilung erfahren.

Von allen davon sollte ersichtlich sein, dass eine „perfekt“ kugelförmige, gehärtete Glaskomponente theoretisch möglich ist, da es nur erforderlich ist, dass das Äußere des Glases schneller abkühlt als das Innere, um die erforderliche ungleichmäßige Spannungsverteilung zu erhalten, während beibehalten wird die gewünschte Form. Eine Kombination aus Schwerkraft und Viskosität ist die Ursache für den Schwanz eines traditionellen Prince Rupert-Tropfens.Daher kann das Entfernen jeder dieser Komponenten, beispielsweise mit einem Tropfen, der im freien Fall durch Relaxation der Oberflächenspannung der freien Oberfläche eines „schwebenden“ Glasklumpens gebildet wird, zu einer Kugel aus viskosem Glas führen. Die Entspannung kann lange dauern und das Glas muss die ganze Zeit viskos gehalten werden. Der nächste Schritt ist das schnelle Abkühlen der Kugel, ohne ihre Form zu stören, was zugegebenermaßen schwierig ist. Das Besprühen mit Flüssigkeiten würde zu Wellen in der Oberfläche führen, und das Eintauchen würde ein unendlich langsames Bewegen erfordern, was zu einer falschen ungleichmäßigen Spannungsverteilung führen würde. Es könnte ausreichend sein, es dem Vakuum des Weltraums auszusetzen, aber ich habe keine Berechnungen des Strahlungswärmeverlusts durchgeführt.

Der gewünschte Aufbau wäre wahrscheinlich ein Strahlungsofen im Vakuum des Weltraums mit einem Klecks Der Ofen schmilzt das Glas, das sich zu einer Kugel entspannt. Der Ofen wird ausgeschaltet, die Tür wird geöffnet und der Ofen bewegt sich schnell von der Kugel weg. Die Kugel gibt Strahlung ab und kühlt die Oberfläche schneller als das Innere (oder so hoffen wir), und das Glas wird gehärtet, was zu einem Space Drop eines Prinzen Rupert führt.

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in wesentlicher Aspekt beim Anlassen von Glas ist, dass die Glasmasse in einem angelassenen Teil eines Stücks kleiner sein muss, als wenn das Stück einfach geglüht worden wäre. Wenn sich beim PR-Tropfen die Außenseite des großen Teils des Tropfens zusammenzieht, bietet der Schwanz einen Weg, über den geschmolzenes Glas herausfließen kann. Der Schwanz verfestigt sich dann vor der Innenseite des Tropfens und verhindert so, dass das Glas beim Abkühlen des Tropfens zurückfließt. Wenn man das gesamte Glas weit über dem Glühpunkt erhitzen möchte, kühle das Äußere schnell bis knapp über den Glühpunkt ab und kühle es mäßig schnell bis knapp unter …
• … den Glühpunkt. und dann von dort relativ langsam abgekühlt, um zu verhindern, dass das Glas reißt, könnte man ein Glas erhalten, das etwas temperiert ist, aber nicht so stark wie der Tropfen eines Prinzen Pupert ‚ da das kühlende Äußere ‚ nicht in der Lage wäre, “ “ Glas aus dem herauszudrücken Interieur.
• Ich bin etwas skeptisch gegenüber Ihrer Vakuumhypothese. Ich denke, selbst in Glas schlägt die Wärmeübertragung durch Konvektion die Wärmeübertragung durch Strahlung.
• Ein interessanter Punkt. Wenn wir in der Mikrogravitation annehmen, dass das Glas ein thermisches Gleichgewicht mit dem Ofen erreichen kann, wäre die treibende Kraft für die Konvektion ein radialer Druckgradient. Es würde alles davon abhängen, wie schnell sich eine äußere Hülle aus hochviskosem Glas aufgrund von Strahlung im Vergleich zur Bildung konvektiver Strömungen bilden würde. Ich stelle mir vor, dass dies vollständig von der Größe des Tropfens dominiert wird. Größere Tropfen hätten Zeit, um konvektive Strömungen aufzubauen (wie bei der Eisenkatastrophe in der Bildung der Erde ‚), kleinere Tropfen vielleicht nicht so viel. Ich wünschte, ich hätte Zeit, es zu modellieren!

Ich denke, der Schwanz bildet sich aufgrund dessen, wie Das Glas wird fallen gelassen. Im Video trennt sich das geschmolzene Glas vom Rest des Klumpens und dehnt sich – wie Silly Putty oder geschmolzener Mozzarella-Käse. Ich gehe davon aus, dass Sie den Schwanz zumindest durch Schneiden des klebrigen Glases kürzen könnten – aber es besteht die Möglichkeit, dass das Ergebnis beim Abkühlen explodiert, wie in nivags Kommentar vorgeschlagen.

Ausreichend kugelförmige Glaskugeln wären ziemlich schwierig. Möglicherweise könnte dies mit dem Konzept Shot Tower oder einer Formmethode erfolgen.

Es wurde bereits gesagt, dass eine „perfekte“ Kugel in Bezug auf Technik oder Fertigung nicht existieren kann. Wenn wir jedoch Trivialitäten ignorieren, beantworten wir die Frage. Der Tropfen eines Prinzen Rupert ist so, dass geschmolzenes Glas ist viskos genug, um von Ihrem Stab in einen Eimer Wasser zu fallen, wodurch das Glas schnell genug abkühlt, um eine hohe innere Spannung zu erzeugen, was den berühmten Effekt einer unzerbrechlichen Träne hervorruft.

Selbst wenn Sie die Stange schnell drehen würden, um keinen langen Schwanz zu haben, würde immer noch ein dünnes Ziehen vorhanden sein und einen Schwanz bilden. Es mag klein sein, aber es wäre immer noch da. Wenn Sie daran interessiert waren, es sphärischer zu machen, könnten Sie denken, das hintere Ende zu rasieren, aber wie Sie wissen, führt ein einzelner Einschnitt oder eine Störung am hinteren Ende zu einer Explosion aus festem Glas.

Lassen Sie “ s sagen, Sie haben die Rute so gedreht (in einer magischen Welt), dass es keinen Schwanz gab. Dann hätten Sie keinen Tropfen von Prince Rupert!

Die Antwort auf Ihre Frage lautet nein, Es ist nicht möglich, einen kugelförmigen Tropfen von Prince Rupert fallen zu lassen, da entweder das Glas explodieren würde oder Sie einfach nicht den Tropfen haben, den Sie gesucht haben.

Was ist damit? Erstellen Sie den Tropfen wie gewohnt, aber verwenden Sie das heißeste Wasser, das Sie können, um die Entstehung der Spannungen zu verlangsamen, die natürlich immer noch auftreten werden.Hier ist der entscheidende Schritt …… Verringern Sie die Wassertiefe durch Experimentieren und geben Sie schließlich den Tropfen direkt an der Wasseroberfläche frei, der bis zu einem gewissen Grad die Länge des Schwanzes verringern oder ihn praktisch beseitigen sollte Der Tropfen fällt in Anbetracht des halb schwerelosen Zustands im Wasser mit einer viel geringeren Geschwindigkeit ab. Eine andere zu berücksichtigende Sache wäre, den Tropfen kurz vor dem Fallen zu schneiden. Durch Schneiden des Tropfens kurz vor dem Tropfen fällt der Schwanz, der viel schneller abkühlt als Der Kopf wird praktisch eliminiert und so wird der Kopf mit seinen inneren Spannungen nicht durch den spröden Schwanz bedroht.

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• Tatsächlich bildet sich der Schwanz in der Luft, bevor der Tropfen auf das Wasser trifft.

Vielleicht könnten Sie einen Sphäroid aus geschmolzenem Glas bilden im freien Fall, dann löschen Sie es mit einem kalten Gas.

Ich schlage ein kaltes Gas anstelle einer Flüssigkeit vor, da Sie es im freien Fall nicht in eine Flüssigkeit „fallen lassen“ und damit bespritzen können Eine Flüssigkeit, die schnell genug ist, um das Äußere schnell einzufrieren, würde wahrscheinlich asymmetrische Kräfte beinhalten, die die Kugel verzerren würden, während ein Gas auf allen Seiten den gleichen Druck ausüben würde. Es müsste ein sehr kaltes Gas sein! Ich weiß nicht, ob ein schweres Gas wie Argon die Wärmeleitung erhöht oder etwas wie Wasserstoff oder Helium besser funktioniert.

Der Schwanz scheint kein notwendiges Merkmal zu sein. Mir scheint, es wird vor dem Abschrecken durch die Viskosität des tropfenden Glases gebildet, nicht durch den Durchgang durch das Wasser. Der Schwanz wird nicht schnell aus dem Klumpen des schnell abkühlenden Glases extrudiert; Es ist bereits vorhanden, wird durch Gravitation / Dehnung vor dem Abschrecken gebildet und kühlt nur in dieser Schwanzform ab.

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• Bleikugeln werden hergestellt mit dieser Technik.

Es ist keine perfekte Kugel, aber so nah wie ich gekommen bin

In einem erhitzten Strahl suspendieren und dann fallen lassen. Fertig.

Sie müssen das gemäßigte Klima sorgfältig kontrollieren, zu heiß und es fliegt auseinander.

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• Can Sie beschreiben, wie es sich im Vergleich zu einem typischen Tropfen mit einem langen Schwanz verhält. Können Sie Bilder oder Videos des Endergebnisses anzeigen?

Nun, vergessen Sie die „perfekte“ Kugel, aber ich verstehe nicht, warum sie nicht in irgendeiner Form hergestellt werden konnte. Sie müssen nur die Außenseite schnell abkühlen. Ich erinnere mich, dass Pyrex hergestellt wird auf diese Weise mit eingebauten Belastungen .. aber ich konnte keinen Link finden. Dies kann hilfreich sein.

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• gut “ perfekt “ as in “ geeignet für Kugellager „. Meine Zweifel kommen vom Schwanz, der eine Schlüsselkomponente zu sein scheint und nicht vermeidbar zu sein scheint.
• Ich sehe, Sie sind in Italien, hier in den USA listet McMaster-Carr eine Reihe von Glaskugeln auf. einige in Kugellagern, einige aus Siliziumnitridkeramik. Es sollte etwas Ähnliches geben, wo Sie sind. (Der Schwanz ist genau so, wie er ‚ hergestellt wurde … für eine Kugel, für die Sie ‚ eine Form oder etwas anderes benötigen würden.)

Nachdem sich die Außenseite eines Prince Rupert-Tropfens verfestigt hat, zieht er sich schnell zusammen. Wenn während dieses Vorgangs kein Platz für das Glas im Inneren vorhanden ist, wird die Außenseite unter erheblicher Spannung stehen, was praktisch garantiert, dass es reißt (Knistern-Glas entsteht durch kurzes Abschrecken eines ganzen Glasstücks; die äußere Schicht reißt sofort, aber wenn alle rissigen Glasstücke mit noch geschmolzenem Glas in Kontakt kommen, bleibt das Gesamtstück intakt). Während es möglich ist, Glas langsam genug abzukühlen, um ein Reißen zu verhindern, verringert eine ausreichende Verringerung der Spitzenzugbelastung, um ein Reißen zu verhindern, auch den Betrag, um den eine solche Belastung in Richtung Druck verschoben werden kann. Diese Schwierigkeit kann auftreten Überwinden Sie dies, indem Sie das Glas relativ langsam ins Wasser absenken (der Schwanz ist immer noch an dem Stab befestigt, von dem er stammt). Dies bedeutet, dass sich das flüssige Glas im Glas verfestigt und zusammenzieht, während sich ein Teil der Außenseite des Glases verfestigt hat Die Mitte wird während des größten Teils dieser Kontraktion einen kontinuierlichen Weg aus flüssigem Glas haben, der sich aus dem Wasser heraus erstreckt.

Irgendwann wird das in das Wasser eintretende Glas so dünn sein, dass es nicht mehr möglich ist flüssiges Glas fließt durch das Zentrum, aber zu dem Zeitpunkt, an dem dies geschieht, haben sich die größeren Teile des Glases fast so stark zusammengezogen, wie sie es tun werden, so dass die Menge an flüssigem Glas, die noch verdrängt werden müsste, um eine Spannung zu vermeiden wird ziemlich klein sein, und so Die Spannung, die durch die Unfähigkeit erzeugt wird, mehr flüssiges Glas aus dem Innenraum zu verdrängen, ist ebenfalls gering.Wenn der Bereich des Glases, der dick genug ist, um einen Flüssigkeitsfluss durch die Mitte zu ermöglichen, den Bereich überlappt, der dünn genug ist, um ein Brechen beim Abkühlen zu vermeiden, kann der Tropfen ohne vorzeitiges Versagen auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Ein gleichmäßiger kugelförmiger Klumpen , hätte nirgendwo die Möglichkeit, die innere Flüssigkeit zu verdrängen, um zu vermeiden, dass der Druck dieser Flüssigkeit die äußere bricht.

Kein Schwanz in der Schwerelosigkeit. Solange das Material in einer erhitzten Umgebung gehalten wird, hätten Sie eine „nahezu perfekte“ Kugel, solange Druck und Temperatur und Abwesenheit der Schwerkraft konstant sind. Das Abkühlen würde zu ähnlichen gleichmäßigen Spannungen führen wie der Rupert-Tropfen obwohl die Wirkung des Schwanzes fehlen würde. Jede Verzerrung würde zu einem „Fehler“ führen und die gleichmäßige Spannung beeinträchtigen, und der Drop-Effekt von Rupert würde nicht existieren. In einer perfekten Idee würden Sie eine „Ihr Name“ -Kugel erhalten.

Ja, und ohne viele irrelevante Informationen, tun Sie dies einfach im Schwerelosigkeits-Spacelab mit einem Wassersprühgerät.

Verfahren:

1. schmelzen einen schwimmenden Glasklumpen mit Hilfe einiger Gasstrahlbrenner und von Hand unter Verwendung der aerodynamischen Strahlkraft, um den Klumpen im Raum relativ fest zu halten,

2. leiten einen Sprühnebel von Wassertropfen von mehreren Wasserdüsen, die möglicherweise zuvor in einem radialen Muster angeordnet waren, wobei der Sprühstrom auf die Mitte des kugelförmigen Klumpens gerichtet ist.

Nicht wesentliche Details, die vom kompetenten Experimentator ausgearbeitet werden müssen.