Est-il possible de construire une goutte de Prince Rupert ' parfaitement sphérique? Les

Les gouttes de Prince Rupert sont un exemple de composant en verre de silice trempé: sa surface a refroidi plus rapidement que son intérieur. La trempe des verres est importante car elle confère de la ténacité au verre, cest-à-dire une capacité à résister à la rupture sous charge, ce qui explique pourquoi une goutte peut être frappée avec un marteau et survivre. Verre de silice, comme cest courant avec dautres matériaux céramiques, présente une propagation instable des fissures lorsque sa résistance à la rupture est dépassée par son état de contrainte. Contrairement à la plupart des alliages, les céramiques présentent très peu ou pas de déformation plastique. Lorsquelles atteignent leur limite élastique, elles se fracturent. Composant en verre de silice trop dur, il se fracture rapidement et en une seule fois.

Un verre com Le composant peut être tempéré en refroidissant son extérieur plus rapidement que son intérieur de sorte quil y ait une distribution de contrainte résiduelle non uniforme dans le composant. Plus précisément, du fait que lextérieur se solidifie en premier, sa densité augmente et son volume diminue en premier, attirant la matière vers lextérieur de lintérieur. Ensuite, à mesure que lintérieur se solidifie avec moins de matière restante, il tire vers lintérieur sur lextérieur. Létat de contrainte qui en résulte est une tension à lintérieur et une compression à lextérieur.

Les fissures ne se propagent que lorsquil y a une contrainte de traction à travers la fissure. Sil y a une contrainte de compression résiduelle à travers la fissure, celle-ci restera fermée à moins dêtre sollicitée en tension. Comme la contrainte de compression doit être surmontée avant que la fissure ne souvre, il faut une contrainte de traction plus importante pour propager une fissure à travers un composant en verre trempé quun composant non trempé. Si une telle fissure se propageait au-delà de la surface de contrainte neutre entre lextérieur et lintérieur du composant, le fond de fissure serait en tension en raison de létat de contrainte résiduelle de lintérieur. Une telle fissure commencerait à se propager de manière instable car toutes les contraintes résiduelles sont libérées, entraînant une explosion déclats de verre, car ils subissent tous une récupération élastique de la distribution des contraintes non uniforme.

De tous de cela, il devrait être évident quun composant en verre trempé « parfaitement » sphérique est théoriquement possible, car il est seulement nécessaire que lextérieur du verre refroidisse plus rapidement que lintérieur pour obtenir la répartition des contraintes non uniforme requise, tout en maintenant la forme souhaitée. Une combinaison de gravité et de viscosité est la cause de la queue dans une chute traditionnelle de Prince Rupert.Par conséquent, lélimination de chacun de ces composants, par exemple avec une goutte formée en chute libre par relaxation de la tension superficielle de surface libre dune goutte de verre « flottante », peut conduire à une sphère de verre visqueux. La relaxation peut prendre du temps et le verre doit rester visqueux tout le temps. Létape suivante consiste à refroidir rapidement la sphère sans perturber sa forme, ce qui est certes difficile. La pulvériser avec des fluides provoquerait des ondulations dans la surface, et la submersion nécessiterait de la déplacer infiniment lentement, ce qui provoquerait le mauvais type de répartition des contraintes non uniforme. Lexposer au vide de lespace pourrait être suffisant, mais je nai pas fait de calculs de la perte de chaleur rayonnée.

La configuration souhaitée serait probablement un four à rayonnement dans le vide de lespace, avec une goutte de verre flottant dedans, sans vitesse relative. Le four fait fondre le verre qui se détend en une sphère. Le four est éteint, la porte est ouverte et le four séloigne rapidement de la sphère. La sphère émet un rayonnement, refroidissant le surface plus rapidement que lintérieur (ou alors nous lespérons), et le verre est trempé, ce qui entraîne une goutte despace de Prince Rupert.

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• Un aspect clé du verre trempé est que la masse de verre à lintérieur dune partie trempée dune pièce doit être plus petite que si la pièce était simplement recuite. Dans la goutte PR, lorsque lextérieur de la grande partie de la goutte se contracte, la queue fournira un chemin par lequel le verre fondu peut sécouler; la queue se solidifiera alors avant lintérieur de la goutte, empêchant ainsi le verre de refluer à mesure que la goutte refroidit. Si lon devait chauffer tout le verre bien au-dessus du point de recuit, refroidir rapidement lextérieur juste au-dessus du point de recuit, refroidir modérément rapidement juste en dessous …
• … le point de recuit, puis refroidi à partir de là relativement lentement pour éviter que le verre ne se fissure, on pourrait se retrouver avec du verre un peu trempé, mais pas aussi résistant quune goutte de Prince Pupert ‘ car lextérieur de refroidissement ne ‘ ne pourrait  » faire sortir  » le verre du intérieur.
• Je suis un peu sceptique quant à votre hypothèse de vide. Je pense que même dans le verre, le transfert de chaleur par convection bat le transfert de chaleur par rayonnement.
• Un point intéressant. En microgravité, si nous supposons que le verre est autorisé à atteindre léquilibre thermique avec le four, alors la force motrice pour la convection serait un gradient de pression radial. Tout dépendrait de la vitesse à laquelle une enveloppe extérieure de verre hautement visqueux se formerait en raison du rayonnement, par rapport à la formation découlements convectifs. Jimagine que ce serait entièrement dominé par la taille de la goutte. De plus grosses gouttes auraient le temps pour les flux convectifs de se mettre en place (comme avec la catastrophe de fer dans la formation de la Terre ‘), les plus petites gouttes peut-être pas autant. Jaurais aimé avoir le temps de le modéliser!

Je pense que la queue se forme en raison de la façon dont le verre est tombé. Dans la vidéo, le verre fondu se sépare du reste de la masse et sétire – comme du Silly Putty ou du fromage mozzarella fondu. Je pense que vous pourriez au moins raccourcir la queue en coupant le verre gluant – mais il est possible que le résultat explose en refroidissant, comme suggéré dans le commentaire de nivag.

Des billes de verre suffisamment sphériques seraient assez difficile. Peut-être que cela pourrait être fait en utilisant le concept de tour de tir , ou une sorte de méthode de moulage.

Il a été dit précédemment quune sphère « parfaite » ne peut pas exister en termes dingénierie ou de fabrication, mais en ignorant les trivialités, répondons à la question. Une goutte de Prince Rupert est telle que le verre fondu est suffisamment visqueux pour tomber de votre tige et dans un seau deau, ce qui fait refroidir le verre assez rapidement pour créer une tension interne élevée, ce qui provoque le célèbre effet de faire une larme incassable.

Même si vous deviez faire tourner la canne rapidement pour ne pas avoir une longue queue, un léger trainage existerait toujours et ferait une queue. Cest peut-être petit, mais ce serait toujours là. Si vous souhaitez le rendre plus sphérique, vous pourriez penser à raser lextrémité arrière, mais comme vous le savez, une seule entaille ou une seule perturbation à lextrémité arrière entraîne une explosion de verre solide.

Laissez  » Vous dites que vous avez fait tourner la canne dune manière (dans un monde magique) pour quil ny ait pas de queue. Alors vous nauriez pas de goutte de Prince Rupert!

La réponse à votre question est non, il nest pas possible de faire une goutte de Prince Rupert sphérique car soit le verre exploserait, soit vous navez simplement pas la goutte que vous recherchez.

Et à propos de ceci: Créez la goutte comme dhabitude, mais utilisez leau la plus chaude possible afin de ralentir la création des contraintes qui, bien sûr, se produiront toujours.Voici létape critique …… diminuer la profondeur de leau avec lexpérimentation et enfin, relâcher la goutte juste à la surface de leau qui devrait, dans une certaine mesure, réduire la longueur de la queue ou léliminer pratiquement. goutte tombera à un rythme beaucoup plus faible compte tenu de létat semi-apesanteur dans leau. Une autre chose à considérer serait de couper la goutte juste avant quelle ne tombe. En coupant la goutte juste avant quelle ne tombe, la queue, qui refroidit beaucoup plus vite que la tête, est pratiquement éliminée et ainsi la tête avec ses contraintes internes nest pas menacée par la queue cassante.

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• En fait, la queue se forme dans les airs avant que la goutte ne touche leau.

Peut-être pourriez-vous former un sphéroïde de verre fondu en chute libre, puis éteignez-le avec un gaz froid.

Je suggère un gaz froid au lieu dun liquide car vous pouvez le « t » déposer « dans un liquide en chute libre, et léclabousser avec un liquide assez rapidement pour geler rapidement lextérieur impliquerait probablement des forces asymétriques qui déformeraient la sphère, alors quun gaz exercerait une pression égale de tous les côtés. Il faudrait du gaz très froid! Je ne sais pas si un gaz lourd comme largon augmente la conduction thermique, ou quelque chose comme lhydrogène ou lhélium pourrait mieux fonctionner.

La queue ne semble pas être une caractéristique nécessaire. Il me semble quil est formé avant la trempe par la viscosité du verre qui goutte, et non par le passage dans leau. La queue nest pas rapidement extrudée à partir de la goutte de verre à refroidissement rapide; il « est déjà présent, formé par gravitation / étirement avant la trempe, et se refroidit juste dans cette forme de queue.

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• boules de plomb sont faites avec cette technique.

Ce nest pas une sphère parfaite mais aussi proche que je lai obtenue .

Suspendre dans un jet chauffé, puis laisser tomber. Terminé.

Vous devez contrôler la température tempérée avec soin, trop chaude et elle senvole.

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• Peut vous décrivez son comportement par rapport à une goutte typique avec une longue traîne? Pouvez-vous montrer des images ou une vidéo du résultat final?

Eh bien, oubliez la sphère « parfaite », mais je ne vois pas pourquoi elle ne pouvait pas être faite sous aucune forme. Il suffit de refroidir rapidement lextérieur. Je semble me rappeler que le pyrex est fabriqué de cette façon, avec des contraintes intégrées .. mais je nai pas pu trouver de lien. Cela peut être utile.

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• well  » perfect  » as en  » adapté aux roulements à billes « . Mes doutes viennent de la queue, qui semble être un élément clé, et ne semble pas être évitable.
• Je vois que vous êtes en Italie, ici aux États-Unis, McMaster-Carr répertorie un certain nombre de boules de verre, certains dans des roulements à billes, certains en céramique de nitrure de silicium. Il devrait y avoir quelque chose de similaire là où vous êtes. (La queue est juste de la façon dont elle ‘ a été faite … pour une sphère dont vous ‘ besoin dun moule ou autre.)

Une fois que lextérieur dune goutte de Prince Rupert sest solidifiée, elle se contractera rapidement. Au cours de ce processus, sil ny a nulle part pour le verre à lintérieur, cela entraînera une tension importante de lextérieur, garantissant pratiquement quil se fissurera (le verre craquelé est formé en trempant brièvement une pièce de verre entière; la couche extérieure se fissurera. immédiatement, mais si toutes les pièces de verre fissurées sont en contact avec du verre qui est encore fondu, la pièce dans son ensemble restera intacte). Bien quil soit possible de refroidir le verre assez lentement pour éviter la fissuration, réduire suffisamment la charge de traction maximale pour éviter la fissuration réduira également la quantité par laquelle une telle charge peut être déplacée vers la compression.

Cette difficulté peut être surmonté en abaissant le verre relativement lentement dans leau (la queue est toujours attachée à la tige dont il provient). Cela signifie que si une partie de lextérieur du verre sest solidifiée et se contracte, le verre liquide dans le le milieu aura, pendant la majeure partie de cette contraction, un chemin continu de verre liquide qui sétend hors de leau.

À un moment donné, le verre entrant dans leau sera si fin quil ne sera plus possible pour le verre liquide sécoule à travers le centre, mais au moment où cela se produit, les plus grandes parties du verre se seront contractées presque autant quelles vont, donc la quantité de verre liquide qui aurait encore besoin dêtre déplacée pour éviter de créer une tension sera assez petit, et donc la quantité de tension créée par une incapacité à déplacer plus de verre liquide de lintérieur sera également faible.Si la région du verre qui est suffisamment épaisse pour permettre au liquide de sécouler à travers le centre chevauche la région qui « est suffisamment mince pour éviter de se briser lorsquelle refroidit, la goutte peut être refroidie à température ambiante sans défaillance prématurée. Une goutte sphérique uniforme, cependant , naurait nulle part où déplacer le liquide intérieur pour éviter que la pression de ce liquide ne fracture lextérieur.

Pas de queue en apesanteur. Tant que le matériau est maintenu dans un environnement chauffé, vous auriez une sphère « presque parfaite » tant que la pression, la température et labsence de gravité sont constantes. Le refroidissement entraînerait des contraintes uniformes similaires à celles de la goutte de Rupert. bien que leffet de la queue manquerait. Toute distorsion entraînerait un « défaut » et aurait un impact sur la contrainte uniforme et leffet de chute de Rupert nexisterait pas. Dans une idée parfaite, vous vous retrouveriez avec une sphère « votrenom ».

Oui, et sans beaucoup dinformations superflues, faites-le simplement en apesanteur Spacelab, avec un appareil de pulvérisation deau.

Procédure:

1. Faites fondre une goutte de verre flottante au moyen de deux brûleurs à jet de gaz et à la main en utilisant la force aérodynamique du jet pour maintenir la goutte relativement fixe dans lespace,

2. diriger un jet de gouttelettes deau à partir de plusieurs buses deau peut-être précédemment disposées en motif radial avec le jet de pulvérisation dirigé vers le centre de la goutte sphérique.

Détails non essentiels à élaborer par lexpérimentateur compétent.