Is het mogelijk om een perfect bolvormige Prince Rupert ' s drop te bouwen?

De druppels van Prince Rupert zijn een voorbeeld van een component van gehard silicaglas: het oppervlak heeft sneller gekoeld dan het inwendige. Het temperen van glas is belangrijk omdat het het glas taai maakt, dwz het vermogen breuk onder belasting te weerstaan, wat verklaart waarom een druppel met een hamer kan worden geraakt en kan overleven. Silicaglas, zoals gebruikelijk met andere keramische materialen, vertoont onstabiele scheurvoortplanting wanneer de breuksterkte wordt overschreden door de spanningstoestand. In tegenstelling tot de meeste legeringen vertoont keramiek zeer weinig of geen plastische vervorming. Wanneer ze hun elastische limiet bereiken, breken ze. Dus als je een component van silicaglas te hard, het breekt snel en in één keer.

Een glascom ponent kan worden getemperd door de buitenkant sneller af te koelen dan de binnenkant, zodat er een niet-uniforme restspanningsverdeling in het onderdeel is. In het bijzonder, omdat de buitenkant eerst stolt, neemt de dichtheid toe en neemt het volume eerst af, waardoor materiaal naar buiten wordt getrokken vanuit de binnenkant. Als het interieur dan stolt met minder achtergebleven materiaal, trekt het aan de buitenkant naar binnen. De resulterende spanningstoestand is spanning aan de binnenkant en compressie aan de buitenkant.

Scheuren planten zich alleen voort als er een trekspanning over de scheur is. Als er een resterende drukspanning over de scheur is, blijft deze gesloten tenzij onder spanning wordt uitgeoefend. Omdat de drukspanning moet worden overwonnen voordat de scheur opent, is er een grotere trekspanning nodig om een scheur door een component van gehard glas te verspreiden dan een niet-geharde component. Als een dergelijke scheur zich voortplant langs het neutrale spanningsoppervlak tussen de buitenkant en de binnenkant van het onderdeel, zou de scheurpunt onder spanning staan vanwege de resterende spanningstoestand van het interieur. Zon scheur zou zich op een onstabiele manier voortplanten als alle resterende spanningen worden opgeheven, wat resulteert in een explosie van glasscherven, aangezien ze allemaal een elastisch herstel ondergaan van de niet-uniforme spanningsverdeling.

Van iedereen. hiervan zou het duidelijk moeten zijn dat een “perfect” bolvormige, geharde glascomponent theoretisch mogelijk is, aangezien het alleen vereist is dat de buitenkant van het glas sneller afkoelt dan het interieur om de vereiste niet-uniforme spanningsverdeling te verkrijgen, met behoud van de gewenste vorm. Een combinatie van zwaartekracht en viscositeit is de oorzaak van de staart in een traditionele Prince Rupert-val.Daarom kan het verwijderen van elk van deze componenten, zoals bij een druppel gevormd in vrije val door relaxatie van de vrije oppervlaktespanning van een “zwevende” klodder glas, resulteren in een bol viskeus glas. Ontspanning kan lang duren en het glas moet de hele tijd stroperig worden gehouden. De volgende stap is het snel afkoelen van de bol zonder de vorm te verstoren, wat weliswaar moeilijk is. Het sproeien met vloeistoffen zou rimpelingen in het oppervlak veroorzaken, en bij onderdompeling zou het oneindig langzaam moeten worden verplaatst, wat de verkeerde soort niet-uniforme spanningsverdeling zou veroorzaken. Blootstelling aan het vacuüm van de ruimte is misschien voldoende, maar ik heb “geen berekeningen gemaakt van het uitgestraalde warmteverlies.

De gewenste opstelling is waarschijnlijk een stralingsoven in het vacuüm van de ruimte, met een klodder glas dat erin drijft, zonder relatieve snelheid. De oven smelt het glas, dat ontspant tot een bol. De oven wordt uitgeschakeld, de deur wordt geopend en de oven beweegt snel weg van de bol. De bol zendt straling uit, waardoor de sneller naar boven komen dan het interieur (zo hopen we), en het glas is gehard, wat resulteert in een Prince Ruperts Space Drop.

Reacties

• Een belangrijk aspect van het harden van glas is dat de massa van het glas in een gehard deel van een stuk kleiner moet zijn dan wanneer het stuk eenvoudig was gegloeid. Bij PR-drop, wanneer de buitenkant van het grootste deel van de druppel samentrekt, zal de staart een pad bieden waardoor gesmolten glas naar buiten kan stromen; de staart zal dan stollen vóór de binnenkant van de druppel, waardoor wordt voorkomen dat het glas terugstroomt als de druppel afkoelt. Als men al het glas ruim boven het gloeipunt zou verwarmen, koel de buitenkant dan snel af tot net boven het gloeipunt, koel het matig snel tot net onder …
• … het gloeipunt, en vervolgens koelde het van daaruit relatief langzaam om te voorkomen dat het glas barstte, men zou kunnen eindigen met glas dat enigszins getemperd was, maar niet zo sterk als een druppel van een Prince Pupert ‘ s aangezien de buitenkant van de koeling ‘ niet ” ” glas uit de interieur.
• Ik ben een beetje sceptisch over uw vacuümhypothese. Ik denk dat zelfs in glas, warmteoverdracht door convectie de warmteoverdracht door straling verslaat.
• Een interessant punt. Als we bij microzwaartekracht aannemen dat het glas thermisch evenwicht bereikt met de oven, dan zou de drijvende kracht voor convectie een radiale drukgradiënt zijn. Het zou allemaal afhangen van hoe snel een buitenschil van hoogviskeus glas zich zou vormen als gevolg van straling, vergeleken met de vorming van convectiestromen. Ik kan me voorstellen dat dat volledig zou worden gedomineerd door de grootte van de druppel. Grotere druppels zouden tijd hebben om convectiestromen op te zetten (zoals bij de ijzerramp in de ‘ formatie van de aarde), kleinere druppels misschien niet zo veel. Ik wou dat ik tijd had om het te modelleren!

Ik denk dat de staart zich vormt als een resultaat van hoe het glas is gevallen. In de video scheidt het gesmolten glas zich van de rest van de brok en rekt het uit, zoals Silly Putty of gesmolten mozzarella. Ik verwacht dat je op zijn minst de staart zou kunnen inkorten door het kleverige glas door te snijden – maar er is een mogelijkheid dat het resultaat explodeert bij afkoeling, zoals gesuggereerd in de opmerking van nivag.

Er zouden voldoende bolvormige glazen bollen zijn aardig moeilijk. Misschien kan het worden gedaan met behulp van het shot tower -concept, of een of andere vormmethode.

Eerder werd gezegd dat een “perfecte” bol niet kan bestaan in termen van engineering of fabricage, maar laat ons de vraag negeren en de trivialiteiten negerend. De drop van een Prince Rupert is zodanig dat gesmolten glas is stroperig genoeg om van je staaf en in een emmer water te hangen, waardoor het glas snel genoeg afkoelt om grote hoeveelheden interne spanning te creëren, wat het beroemde effect van een onbreekbare traan veroorzaakt.

Zelfs als je de hengel snel zou laten ronddraaien om geen lange staart te hebben, zou er nog steeds wat dun gesleep bestaan en een staart vormen. Het is misschien klein, maar het zou er nog steeds zijn. Als je geïnteresseerd was om het meer bolvormig te maken, zou je kunnen denken om het uiteinde af te scheren, maar zoals je weet, resulteert een enkele inkeping of verstoring van het uiteinde in een explosie van massief glas.

Let ” s zeggen dat je de hengel op een bepaalde manier hebt rondgedraaid (in een magische wereld) zodat er geen staart was. Dan zou je de druppel van een Prince Rupert niet hebben!

Het antwoord op je vraag is nee, het is niet mogelijk om een bolvormige druppel van Prince Rupert te maken, omdat ofwel het glas zou ontploffen, of je hebt simpelweg niet de druppel waarnaar je op zoek was.

Hoe zit het hiermee: maak de druppel zoals gewoonlijk, maar gebruik het heetste water dat je kunt om het ontstaan van de spanningen te vertragen die natuurlijk nog steeds zullen optreden.Hier is de cruciale stap …… de diepte van het water met experimenten verkleinen en tenslotte de druppel direct op het wateroppervlak laten vallen, wat tot op zekere hoogte de lengte van de staart zou moeten verminderen of praktisch zou moeten elimineren. gezien de semi-gewichtloze toestand in het water, zal de druppel veel minder snel vallen. Een ander ding om te overwegen is om de druppel af te knippen net voordat deze valt. Door de druppel af te knippen net voordat deze valt, koelt de staart, die veel sneller afkoelt dan de kop, wordt praktisch geëlimineerd en dus wordt de kop met zijn interne spanningen niet bedreigd door de broze staart.

Opmerkingen

• Eigenlijk vormt de staart in de lucht voordat de druppel het water raakt.

Misschien kun je een bolletje van gesmolten glas vormen in vrije val, blus het dan af met een koud gas.

Ik raad een koud gas aan in plaats van een vloeistof, omdat je het in een vrije val niet in een vloeistof kunt laten vallen, en het met een vloeistof die snel genoeg is om de buitenkant snel te bevriezen, zou waarschijnlijk asymmetrische krachten met zich meebrengen die de bol zouden vervormen, terwijl een gas aan alle kanten evenveel druk zou uitoefenen. Het zou een heel koud gas moeten zijn! Ik weet niet of een zwaar gas zoals argon de warmtegeleiding verhoogt, of iets als waterstof of helium beter zou kunnen werken.

De staart lijkt geen noodzakelijk kenmerk. Het lijkt mij dat het vóór het blussen is gevormd door de viscositeit van het druipende glas, niet door de passage door het water. De staart wordt niet snel geëxtrudeerd uit de klodder snel afkoelende glas; het is al aanwezig, gevormd door zwaartekracht / strekken voor de quench, en koelt gewoon af in die staartvorm.

Opmerkingen

• loden ballen worden gemaakt met deze techniek.

Het is geen perfecte bol, maar zo dichtbij als ik heb gekregen .

Hang in verwarmde jet en laat vallen. Klaar.

Je moet de gematigde temperatuur zorgvuldig beheersen, te heet en hij vliegt uit elkaar.

Opmerkingen

• Kan je beschrijft hoe het zich gedraagt in vergelijking met een typische druppel met een lange staart? Kun je afbeeldingen of video van het eindresultaat laten zien?

Vergeet de “perfecte” bol, maar ik begrijp niet waarom hij niet in welke vorm dan ook gemaakt kon worden. Je moet de buitenkant gewoon snel afkoelen. Ik meen me te herinneren dat pyrex is gemaakt op deze manier, met ingebouwde spanningen .. maar ik kon geen link vinden. Dit kan nuttig zijn.

Reacties

• nou ja ” perfect ” als in ” geschikt voor kogellagers “. Mijn twijfels komen uit de staart, dat lijkt een belangrijk onderdeel te zijn, en lijkt niet te vermijden.
• Ik zie dat je in Italië bent, hier in de VS somt McMaster-Carr een aantal glazen bollen op, sommige in kogellagers, sommige gemaakt van siliciumnitride keramiek. Er zou iets soortgelijks moeten zijn waar je bent. (De staart is precies van hoe het ‘ is gemaakt … voor een bol heb je ‘ een mal of zoiets nodig.)

Nadat de buitenkant van een Prince Rupert-druppel stolt, zal deze snel samentrekken. Als het glas tijdens dit proces nergens heen kan, zal dit ervoor zorgen dat de buitenkant onder aanzienlijke spanning komt te staan, waardoor het vrijwel zeker zal barsten (craquelé-glas wordt gevormd door een heel stuk glas kort te blussen; de buitenste laag zal barsten onmiddellijk, maar als alle gebarsten glasstukken in contact komen met glas dat nog gesmolten is, blijft het gehele stuk intact). Hoewel het mogelijk is om glas langzaam genoeg af te koelen om barsten te voorkomen, zal het voldoende verminderen van de maximale trekbelasting om barsten te voorkomen ook de mate waarin een dergelijke belasting kan worden verschoven naar compressie, verminderen.

Deze moeilijkheid kan worden overwonnen door het glas relatief langzaam in het water te laten zakken (de staart zit nog vast aan de staaf waar het vandaan kwam). Dit betekent dat terwijl een deel van de buitenkant van het glas is gestold en samentrekt, het vloeibare glas in de het midden zal, gedurende het grootste deel van deze contractie, een ononderbroken baan van vloeibaar glas hebben dat uit het water steekt.

Op een gegeven moment zal het glas dat het water binnenkomt zo dun zijn dat het niet langer mogelijk is om vloeibaar glas om door het midden te stromen, maar tegen de tijd dat dat gebeurt, zullen de grotere delen van het glas bijna net zo sterk zijn samengetrokken als ze gaan, dus de hoeveelheid vloeibaar glas die nog moet worden verplaatst om spanning te voorkomen zal vrij klein zijn, en zo de hoeveelheid spanning die wordt opgewekt door het onvermogen om nog meer vloeibaar glas uit het interieur te verplaatsen, zal eveneens klein zijn.Als het gebied van het glas dat dik genoeg is om vloeistof door het midden te laten stromen het gebied overlapt dat dun genoeg is om te voorkomen dat het breekt wanneer het afkoelt, kan de druppel worden afgekoeld tot kamertemperatuur zonder voortijdig falen. Een gelijkmatige bolvormige klodder echter , zou nergens zijn om de inwendige vloeistof te verplaatsen om te voorkomen dat de druk van die vloeistof de buitenzijde breekt.

Geen staart in gewichtloosheid. Zolang het materiaal in een verwarmde omgeving wordt gehouden, zou je een bijna perfecte bol hebben zolang de druk en temperatuur en afwezigheid van zwaartekracht constant zijn. Afkoelen zou resulteren in gelijkaardige gelijkmatige spanningen als de Ruperts Drop hoewel het effect van de staart zou ontbreken. Elke vervorming zou resulteren in een “fout” en een impact hebben op de uniforme spanning en het Ruperts Drop-effect zou niet bestaan. In een perfect idee zou je eindigen met een “jouwnaam” -bol.

Ja, en zonder veel externe informatie, doe het gewoon in een Spacelab zonder zwaartekracht, met een watersproei-apparaat.

Procedure:

1. smelt een zwevende glazen klodder door middel van een paar gasstraalbranders en met de hand met behulp van aërodynamische straalkracht om de klodder relatief gefixeerd in de ruimte te houden,

2. richt een straal waterdruppels uit verschillende watersproeiers die misschien eerder in een radiaal patroon waren gerangschikt met de sproeistraal naar het midden van de bolvormige klodder.

Niet-essentiële details die door de competente experimentator moeten worden uitgewerkt.