¿Es posible construir una gota de Prince Rupert ' perfectamente esférica?

Las gotas de Prince Rupert son un ejemplo de un componente de vidrio de sílice templado: su superficie tiene Se ha enfriado más rápidamente que su interior. El templado de los vidrios es importante porque otorga dureza al vidrio, es decir, una capacidad para resistir la fractura bajo carga, lo que explica por qué una gota puede ser golpeada con un martillo y sobrevivir. con otros materiales cerámicos, exhibe una propagación de grietas inestable cuando su resistencia a la fractura es excedida por su estado de tensión. A diferencia de la mayoría de las aleaciones, las cerámicas exhiben muy poca o ninguna deformación plástica. Cuando alcanzan su límite elástico se fracturan. componente de vidrio de sílice demasiado duro, se fractura rápidamente y de una vez.

Un vidrio El componente puede templarse enfriando su exterior más rápidamente que su interior de modo que haya una distribución de tensión residual no uniforme en el componente. Específicamente, debido a que el exterior se solidifica primero, su densidad aumenta y el volumen disminuye primero, arrastrando el material hacia afuera desde el interior. Luego, a medida que el interior se solidifica con menos material restante, tira hacia adentro en el exterior. El estado de tensión resultante es tensión en el interior y compresión en el exterior.

Las fisuras solo se propagan cuando hay una tensión de tracción a través de la fisura. Si hay un esfuerzo de compresión residual a través de la grieta, permanecerá cerrada a menos que se someta a tensión. Debido a que la tensión de compresión debe superarse antes de que se abra la grieta, se necesita una tensión de tracción mayor para propagar una grieta a través de un componente de vidrio templado que un componente no templado. Si tal grieta se propagara más allá de la superficie de tensión neutra entre el exterior y el interior del componente, la punta de la grieta estaría en tensión debido al estado de tensión residual del interior. Dicha grieta comenzaría a propagarse de manera inestable a medida que se liberan todas las tensiones residuales, lo que da como resultado una explosión de fragmentos de vidrio, ya que todos experimentan una recuperación elástica de la distribución de tensiones no uniforme.

De todos de esto, debería ser evidente que un componente de vidrio templado, esférico «perfectamente» es teóricamente posible, ya que solo se requiere que el exterior del vidrio se enfríe más rápidamente que el interior para obtener la distribución de esfuerzos no uniforme requerida, mientras se mantiene la forma deseada. Una combinación de gravedad y viscosidad es la causa de la cola en una caída tradicional de Prince Rupert.Por lo tanto, la eliminación de cada uno de esos componentes, como con una gota formada en caída libre por la relajación de la tensión superficial de la superficie libre de una mancha de vidrio «flotante», puede dar como resultado una esfera de vidrio viscoso. La relajación puede llevar mucho tiempo y el vidrio debe mantenerse viscoso todo el tiempo. El siguiente paso es enfriar la esfera rápidamente sin alterar su forma, lo cual es ciertamente difícil. Rociarlo con fluidos causaría ondulaciones en la superficie, y la inmersión requeriría moverlo infinitesimalmente lentamente, lo que causaría el tipo incorrecto de distribución de tensión no uniforme. Exponerlo al vacío del espacio podría ser suficiente, pero no he hecho ningún cálculo de la pérdida de calor irradiado.

La configuración deseada probablemente sería un horno de radiación en el vacío del espacio, con una gota de vidrio flotando en él, sin velocidad relativa. El horno derrite el vidrio, que se relaja en una esfera. El horno se apaga, la puerta se abre y el horno se aleja rápidamente de la esfera. La esfera emite radiación, enfriando el superficie más rápidamente que el interior (o eso esperamos), y el vidrio se templa, lo que resulta en una gota espacial de Prince Rupert.

Comentarios

• Un aspecto clave del vidrio templado es que la masa de vidrio dentro de una porción templada de una pieza debe ser menor que si la pieza estuviera simplemente recocida. En la caída de PR, cuando el exterior de la mayor parte de la gota se contrae, la cola proporcionará un camino por el cual el vidrio fundido puede fluir; la cola luego se solidificará antes del interior de la gota, evitando así que el vidrio fluya hacia adentro cuando la gota se enfríe. Si uno fuera a calentar todo el vidrio muy por encima del punto de recocido, enfríe rápidamente el exterior hasta justo por encima del punto de recocido, enfríelo moderadamente rápido hasta justo por debajo …
• … el punto de recocido, y luego enfriarlo desde allí relativamente lentamente para evitar que el vidrio se agriete, uno podría terminar con vidrio algo templado, pero no tan fuerte como una gota de Prince Pupert ‘ dado que el exterior de enfriamiento no ‘ no podría » exprimir » vidrio del interior.
• Soy un poco escéptico acerca de su hipótesis de vacío. Creo que incluso en el vidrio, la transferencia de calor por convección supera a la transferencia de calor por radiación.
• Un punto interesante. En microgravedad, si asumimos que se permite que el vidrio alcance el equilibrio térmico con el horno, entonces la fuerza impulsora de la convección sería un gradiente de presión radial. Todo dependería de qué tan rápido se formaría una capa exterior de vidrio altamente viscoso debido a la radiación, en comparación con la formación de flujos convectivos. Me imagino que estaría completamente dominado por el tamaño de la gota. Las gotas más grandes tendrían tiempo para que se establezcan los flujos convectivos (como en la catástrofe del hierro en la formación ‘ de la Tierra), mientras que las gotas más pequeñas quizás no tanto. ¡Ojalá tuviera tiempo para modelarlo!

Creo que la cola se forma como resultado de cómo el vaso se cae. En el video, el vidrio fundido se separa del resto del bulto y se estira, como Silly Putty o queso mozzarella fundido. Espero que al menos puedas acortar la cola cortando el vidrio pegajoso, pero existe la posibilidad de que el resultado explote al enfriarse, como se sugiere en el comentario de nivag.

Serían bolas de vidrio suficientemente esféricas Bastante difícil. Tal vez podría hacerse usando el concepto de torre de tiro , o algún tipo de método de moldeado.

Anteriormente se dijo que una esfera «perfecta» no puede existir en términos de ingeniería o fabricación, pero ignorando las trivialidades, respondamos la pregunta. La caída de Prince Rupert es tal que El vidrio fundido es lo suficientemente viscoso como para caer de la varilla y caer en un balde de agua, lo que hace que el vidrio se enfríe lo suficientemente rápido como para crear una gran cantidad de tensión interna, lo que provoca el famoso efecto de hacer una lágrima irrompible.

Incluso si hiciera girar la caña rápidamente para no tener una cola larga, todavía existiría un arrastre delgado y formaría una cola. Puede que sea pequeño, pero todavía estaría allí. Si estaba interesado en hacerlo más esférico, podría pensar en cortar el final de la cola, pero como sabe, un solo corte o alteración en el final de la cola resulta en una explosión de vidrio sólido.

Vamos a » s digamos que hiciste girar la varilla de una manera (en un mundo mágico) para que no hubiera cola. ¡Entonces no tendrías la gota de Prince Rupert!

La respuesta a tu pregunta es no, no es posible hacer una gota esférica de Prince Rupert porque o el vidrio explotaría, o simplemente no tienes la gota que estás buscando.

¿Qué pasa con esto? Crea la gota como de costumbre, pero usa el agua más caliente que puedas para ralentizar la creación de tensiones que, por supuesto, seguirán ocurriendo.Aquí está el paso crítico … disminuir la profundidad del agua con experimentación y finalmente, soltar la gota justo en la superficie del agua que debería, hasta cierto punto, reducir la longitud de la cola o prácticamente eliminarla. La gota caerá a un ritmo mucho menor considerando la condición de semi-ingrávida en el agua. Otra cosa a considerar sería cortar la gota justo antes de que caiga. Al cortar la gota justo antes de que caiga, la cola, que se enfría mucho más rápido que la cabeza, está prácticamente eliminada y así la cabeza con sus tensiones internas no se ve amenazada por la cola quebradiza.

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• En realidad, la cola se forma en el aire antes de que la gota golpee el agua.

Quizás podrías formar un esferoide de vidrio fundido en caída libre, luego apagarlo con un gas frío.

Sugiero un gas frío en lugar de un líquido porque no puede «dejarlo caer» en un líquido en caída libre y salpicarlo con un líquido lo suficientemente rápido como para congelar rápidamente el exterior probablemente involucraría fuerzas asimétricas que distorsionarían la esfera, mientras que un gas ejercería la misma presión en todos los lados. ¡Tendría que ser un gas muy frío! No sé si un gas pesado como el argón aumenta la conducción térmica, o algo como el hidrógeno o el helio podrían funcionar mejor.

La cola no parece una característica necesaria. Me parece que se forma antes del enfriamiento por la viscosidad del vidrio que gotea, no por el paso a través del agua. La cola no se extruye rápidamente de la mancha de vidrio que se enfría rápidamente; ya está presente, formado por gravitación / estiramiento antes del enfriamiento, y simplemente se enfría en esa forma de cola.

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• se hacen bolas de plomo con esta técnica.

No es una esfera perfecta, pero está tan cerca como he llegado .

Suspenda en un chorro calentado, luego déjelo caer. Listo.

Tienes que controlar la temperatura con cuidado, demasiado calor y se deshace.

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• Puede ¿Describe cómo se comporta en comparación con una caída típica con una cola larga? ¿Puede mostrar alguna imagen o video del resultado final?

Después de que el exterior de una gota de Prince Rupert se solidifica, se contraerá rápidamente. Durante este proceso, si no hay ningún lugar al que pueda ir el vidrio del interior, esto hará que el exterior esté bajo una tensión significativa, lo que prácticamente garantiza que se agrietará (el vidrio crujiente se forma apagando una pieza de vidrio completa brevemente; la capa exterior se agrietará inmediatamente, pero si todas las piezas de vidrio agrietadas están en contacto con vidrio que aún está fundido, la pieza total permanecerá intacta) Si bien es posible enfriar el vidrio lo suficientemente lento para evitar que se agriete, reducir la carga máxima de tracción lo suficiente para evitar el agrietamiento también reducirá la cantidad en la que dicha carga se puede cambiar hacia la compresión.

Esta dificultad puede ser superado bajando el vaso relativamente lentamente en el agua (la cola todavía está unida a la varilla de la que proviene). Hacer esto significará que mientras parte del exterior del vaso se ha solidificado y se contrae, el vaso líquido en el el medio tendrá, durante la mayor parte de esta contracción, una trayectoria continua de vidrio líquido que se extiende fuera del agua.

En algún momento, el vidrio que ingresa al agua será tan delgado que ya no será posible para el vidrio líquido fluya a través del centro, pero para cuando eso suceda, las porciones más grandes del vidrio se habrán contraído casi tanto como van a hacerlo, por lo que la cantidad de vidrio líquido que aún necesitaría ser desplazada para evitar crear tensión será bastante pequeño, por lo que la cantidad de tensión creada por la incapacidad de desplazar más vidrio líquido del interior será igualmente pequeña.Si la región del vidrio que es lo suficientemente gruesa para permitir que el líquido fluya a través del centro se superpone a la región que es lo suficientemente delgada como para evitar romperse cuando se enfría, la gota puede enfriarse a temperatura ambiente sin fallar prematuramente. Sin embargo, una mancha esférica uniforme , no tendría dónde desplazar el líquido interior para evitar que la presión de ese líquido fracture el exterior.

Sin cola en gravedad cero. Siempre que el material se mantenga en un ambiente calentado, tendrá una esfera «casi perfecta» siempre que la presión, la temperatura y la ausencia de gravedad sean constantes. El enfriamiento resultaría en tensiones uniformes similares a las de la gota de Rupert aunque faltaría el efecto de la cola. Cualquier distorsión resultaría en un «defecto» e impactaría la tensión uniforme y el efecto de caída de Rupert no existiría. En una idea perfecta, terminaría con una esfera «yourname».

Sí, y sin mucha información extraña, simplemente hazlo en Spacelab de gravedad cero, con un aparato de rociado de agua.

Procedimiento:

1. Derretir una gota de vidrio flotante por medio de un par de quemadores de chorro de gas, y a mano usando la fuerza aerodinámica del chorro para mantener la gota relativamente fija en el espacio,

2. dirija una pulverización de gotas de agua desde varias boquillas de agua, quizás dispuestas previamente en un patrón radial con la corriente de pulverización dirigida al centro de la mancha esférica.

Detalles no esenciales que debe resolver el experimentador competente.