Czy możliwe jest zbudowanie idealnie kulistej kropli Prince Rupert '?

Krople Prince Rupert są przykładem hartowanego szkła krzemionkowego: jego powierzchnia ma zostało schłodzone szybciej niż jego wnętrze. Hartowanie szkła jest ważne, ponieważ nadaje szkłu twardość, tj. odporność na pękanie pod obciążeniem, co wyjaśnia, dlaczego kropla może zostać uderzona młotkiem i przetrwać. Szkło krzemionkowe, co jest powszechne z innymi materiałami ceramicznymi wykazuje niestabilną propagację pęknięć, gdy jego wytrzymałość na pękanie jest przekraczana przez stan naprężenia. W przeciwieństwie do większości stopów ceramika wykazuje bardzo małe odkształcenia plastyczne lub nie wykazuje ich wcale. Gdy osiągną granicę sprężystości, pękają. komponent ze szkła krzemionkowego jest zbyt twardy, pęka szybko i wszystko naraz.

Szkło element może być hartowany przez chłodzenie jego zewnętrznej strony szybciej niż jego wnętrza, tak że istnieje nierównomierny rozkład naprężeń szczątkowych w elemencie. W szczególności, ponieważ warstwa zewnętrzna twardnieje jako pierwsza, jej gęstość rośnie, a objętość maleje jako pierwsza, wyciągając materiał na zewnątrz od wnętrza. Następnie, gdy wnętrze zestala się z mniejszą ilością pozostałego materiału, ciągnie się do wewnątrz na zewnątrz. Wynikowym stanem naprężenia jest napięcie wewnątrz i ściskanie na zewnątrz.

Pęknięcia rozprzestrzeniają się tylko wtedy, gdy występuje naprężenie rozciągające w poprzek pęknięcia. Jeśli na pęknięciu występuje szczątkowe naprężenie ściskające, pozostanie ono zamknięte, chyba że zostanie naprężone. Ponieważ naprężenie ściskające musi zostać pokonane, zanim pęknięcie się otworzy, do propagacji pęknięcia przez element ze szkła hartowanego potrzebne jest większe naprężenie rozciągające niż element niehartowany. Gdyby takie pęknięcie rozprzestrzeniło się poza obojętną powierzchnię naprężenia między zewnętrzną a wewnętrzną częścią elementu, końcówka pęknięcia byłaby rozciągana z powodu stanu naprężenia szczątkowego wewnątrz. Takie pęknięcie zaczęłoby się rozprzestrzeniać w sposób niestabilny, ponieważ wszystkie naprężenia szczątkowe zostałyby uwolnione, powodując eksplozję odłamków szkła, ponieważ wszystkie one ulegają elastycznemu regeneracji po nierównomiernym rozkładzie naprężeń.

Ze wszystkich z tego, powinno być oczywiste, że „idealnie” kulisty, hartowany element szklany jest teoretycznie możliwy, ponieważ wymagane jest tylko, aby zewnętrzna strona szkła chłodziła się szybciej niż wnętrze, aby uzyskać wymagany nierównomierny rozkład naprężeń, przy zachowaniu pożądany kształt. Kombinacja grawitacji i lepkości jest przyczyną ogona w tradycyjnym spadku Prince Rupert.Dlatego usunięcie każdego z tych składników, na przykład kropli utworzonej podczas swobodnego spadania w wyniku relaksacji napięcia powierzchniowego na swobodnej powierzchni „pływającej” plamki szkła, może spowodować powstanie kuli lepkiego szkła. Relaksacja może zająć dużo czasu i szkło musi być przez cały czas utrzymywane w lepkości. Następnym krokiem jest szybkie schłodzenie kuli bez naruszania jej kształtu, co wprawdzie jest trudne. Spryskanie go płynami spowodowałoby zmarszczki na powierzchni, a zanurzenie wymagałoby przesuwania go nieskończenie powoli, co spowodowałoby niewłaściwy rodzaj nierównomiernego rozkładu naprężeń. Wystawienie go na działanie próżni kosmicznej może być wystarczające, ale nie wykonałem żadnych obliczeń dotyczących utraty ciepła przez promieniowanie.

Pożądaną konfiguracją byłby prawdopodobnie piec radiacyjny w próżni kosmicznej z kropelką unoszącego się w nim szkła, bez prędkości względnej. Piec topi szkło, które rozluźnia się w kulę. Piec zostaje wyłączony, drzwiczki zostają otwarte, a piekarnik szybko odsuwa się od kuli. Kula emituje promieniowanie, chłodząc powierzchni szybciej niż wnętrze (a przynajmniej mamy taką nadzieję), a szkło jest hartowane, co powoduje Spadek Kosmiczny Księcia Ruperta.

Komentarze

• Kluczowym aspektem hartowania szkła jest to, że masa szkła wewnątrz hartowanej części kawałka musi być mniejsza, niż gdyby kawałek był po prostu wyżarzany. W przypadku spadku PR, gdy zewnętrzna część dużej części kropli kurczy się, ogon zapewni ścieżkę, przez którą może wypływać stopione szkło; ogon następnie zestali się przed wnętrzem kropli, zapobiegając w ten sposób cofnięciu się szkła, gdy kropla ostygnie. Gdyby ogrzać całe szkło znacznie powyżej punktu wyżarzania, szybko schłodzić zewnętrzną powierzchnię do poziomu tuż nad punktem wyżarzania, umiarkowanie szybko schłodzić do nieco poniżej …
• … punkt wyżarzania, a następnie stamtąd stamtąd stosunkowo powoli, aby zapobiec pękaniu szkła, można skończyć z szkłem, które było nieco hartowane, ale nie tak mocne jak upadek Prince Pupert ' s ponieważ chłodzenie na zewnątrz nie ' nie byłoby w stanie ” wycisnąć ” szkła z wnętrze.
• Jestem trochę sceptyczny co do twojej hipotezy próżni. Myślę, że nawet w szkle przenoszenie ciepła przez konwekcję jest lepsze niż przenoszenie ciepła przez promieniowanie.
• Ciekawy punkt. W przypadku mikrograwitacji, jeśli założymy, że szkło może osiągnąć równowagę termiczną z piecem, wówczas siłą napędową konwekcji byłby promieniowy gradient ciśnienia. Wszystko zależy od tego, jak szybko zewnętrzna powłoka z bardzo lepkiego szkła uformuje się pod wpływem promieniowania, w porównaniu z tworzeniem się przepływów konwekcyjnych. Wyobrażam sobie, że byłby całkowicie zdominowany przez wielkość kropli. Większe krople miałyby czas na ustanowienie przepływów konwekcyjnych (jak w przypadku żelaznej katastrofy ' na Ziemi), mniejsze krople może nie aż tak bardzo. Chciałbym mieć czas na modelowanie tego!

Myślę, że ogon tworzy się w wyniku tego, jak szkło jest upuszczone. Na filmie stopione szkło oddziela się od reszty grudki i rozciąga – jak Silly Putty lub stopiony ser mozzarella. Spodziewam się, że możesz przynajmniej skrócić ogon, przecinając lepką szklankę – ale istnieje możliwość, że wynik eksploduje podczas chłodzenia, jak zasugerowano w komentarzu nivag.

Wystarczająco kuliste szklane kulki byłyby dość trudne. Może można by to zrobić przy użyciu koncepcji wieży strzałowej lub jakiejś metody formowania.

Wcześniej zostało powiedziane, że „doskonała” kula nie może istnieć pod względem inżynieryjnym ani produkcyjnym, ale ignorując błahostki, odpowiedzmy na pytanie. Spadek księcia Ruperta jest taki, że stopione szkło jest dostatecznie lepkie, aby opadło z pręta do wiadra z wodą, powodując, że szkło ostygło wystarczająco szybko, aby wytworzyć duże napięcie wewnętrzne, co powoduje słynny efekt tworzenia niezniszczalnej łzy.

Nawet gdybyś szybko kręcił wędką, aby nie mieć długiego ogona, nadal istniałoby cienkie przeciąganie i tworzyłby ogon. Może i jest mały, ale wciąż by tam był. Jeśli chciałbyś uczynić go bardziej kulistym, możesz pomyśleć o ogoleniu końca ogona, ale jak wiesz, pojedyncze nacięcie lub naruszenie w końcu powoduje eksplozję litego szkła.

Pozwól ” Powiedzmy, że obróciłeś pręt w taki sposób (w magicznym świecie), że nie było ogona. Wtedy nie miałbyś kropli księcia Ruperta!

Odpowiedź na twoje pytanie brzmi: nie, nie jest możliwe wykonanie kulistej kropli księcia Ruperta, ponieważ albo szklanka eksploduje, albo po prostu nie masz kropli, której szukałeś.

Co powiesz na to? Utwórz kroplę jak zwykle, ale użyj możliwie najgorętszej wody, aby spowolnić tworzenie się naprężeń, które oczywiście nadal będą występować.Oto krytyczny krok …… zmniejsz głębokość wody poprzez eksperymenty i na koniec wypuść kroplę tuż przy powierzchni wody, co powinno w pewnym stopniu zmniejszyć długość ogona lub praktycznie go wyeliminować. kropla będzie spadać ze znacznie mniejszą szybkością, biorąc pod uwagę stan półważki w wodzie. Inną rzeczą, którą należy wziąć pod uwagę, byłoby odcięcie kropli tuż przed jej opadnięciem. Odcinając kroplę tuż przed jej opadnięciem, ogon ochładza się znacznie szybciej niż głowa jest praktycznie wyeliminowana, więc kruchy ogon nie zagraża głowie z wewnętrznymi naprężeniami.

Komentarze

• W rzeczywistości ogon tworzy w powietrzu, zanim kropla uderzy w wodę.

Być może mógłbyś uformować sferoidę ze stopionego szkła swobodnego spadania, a następnie ugasić zimnym gazem.

Sugeruję zimny gaz zamiast cieczy, ponieważ nie można go wrzucić do cieczy podczas swobodnego spadania i rozpryskiwać ciecz wystarczająco szybko, aby szybko zamrozić zewnętrzną stronę, prawdopodobnie wiązałaby się z asymetrycznymi siłami, które zniekształciłyby kulę, podczas gdy gaz wywierałby równe ciśnienie ze wszystkich stron. Musiałby to być bardzo zimny gaz! Nie wiem, czy ciężki gaz, taki jak argon, zwiększa przewodnictwo cieplne, czy coś takiego jak wodór lub hel może działać lepiej.

Ogon nie wydaje się być niezbędną cechą. Wydaje mi się, że uformował się on przed oziębieniem przez lepkość kapiącego szkła, a nie przejście przez wodę. Ogon nie jest gwałtownie wytłaczany z kropli szybko stygnącego szkła; jest już obecny, utworzony przez grawitację / rozciąganie przed hartowaniem i po prostu stygnie w tym kształcie ogona.

Komentarze

• ołowiane kule są wykonane z tą techniką.

To nie jest doskonała kula, ale tak blisko, jak dotarłem .

Zawieś w podgrzewanym dyszy, a następnie upuść. Gotowe.

Musisz uważnie kontrolować temperaturę, która jest zbyt wysoka i rozpada się.

Komentarze

• Może opisujesz, jak zachowuje się w porównaniu do typowej kropli z długim ogonem? Czy możesz pokazać obrazy lub wideo z końcowym efektem?

Cóż, zapomnij o „idealnej” kuli, ale nie rozumiem, dlaczego nie można jej wykonać w jakimkolwiek kształcie. Musisz tylko szybko schłodzić zewnętrzną powierzchnię. Przypominam sobie, że pyrex jest wykonany w ten sposób, z wbudowanymi naprężeniami … ale nie mogłem znaleźć łącza. To może być pomocne.

Komentarze

• well ” perfect ” as w ” nadaje się do łożysk kulkowych „. Moje wątpliwości wynikają z ogona, który wydaje się być kluczowym elementem i wydaje się, że nie da się go uniknąć.
• Widzę, że jesteś we Włoszech, tutaj w USA McMaster-Carr wymienia kilka szklanych kulek, niektóre w łożyskach kulkowych, inne wykonane z ceramiki z azotku krzemu. Tam, gdzie jesteś, powinno być coś podobnego. (Ogon pochodzi po prostu z tego, jak ' został wykonany … dla kuli, do której ' potrzebowałbyś formy lub czegoś podobnego).

Po zestaleniu się zewnętrznej części kropli Prince Rupert, szybko się skurczy. Podczas tego procesu, jeśli nie ma dokąd skierować się szkło wewnątrz, spowoduje to znaczne naprężenie na zewnątrz, praktycznie gwarantując, że pęknie (pęknięcie szkła powstaje w wyniku szybkiego hartowania całego kawałka szkła; zewnętrzna warstwa pęknie natychmiast, ale jeśli wszystkie popękane kawałki szkła zetkną się ze szkłem, które jest jeszcze stopione, całość pozostanie nienaruszona). Chociaż możliwe jest powolne chłodzenie szkła, aby zapobiec pękaniu, zmniejszenie szczytowego obciążenia rozciągającego na tyle, aby zapobiec pękaniu, zmniejszy również wielkość, o jaką można przesunąć takie obciążenie w kierunku ściskania.

Ta trudność może można pokonać, opuszczając szklankę stosunkowo powoli do wody (ogon jest nadal przymocowany do pręta, z którego wyszedł). Oznacza to, że podczas gdy część zewnętrznej szklanki zestaliła się i kurczy, płynne szkło w środek będzie miał przez większość tego skurczu ciągłą ścieżkę płynnego szkła, która wystaje z wody.

W pewnym momencie szklanka wchodząca do wody będzie tak cienka, że nie będzie już możliwe płynne szkło przepływa przez środek, ale zanim to nastąpi, większe części szkła skurczą się prawie tak samo, jak będą się skurczyły, więc ilość płynnego szkła, która nadal musiałaby zostać przesunięta, aby uniknąć tworzenia napięcia będzie dość mały i tak wielkość naprężenia wywołanego niemożnością wyparcia jakiegokolwiek bardziej płynnego szkła z wnętrza będzie również mała.Jeśli obszar szkła, który jest dostatecznie gruby, aby umożliwić przepływ cieczy przez środek, zachodzi na obszar, który jest wystarczająco cienki, aby uniknąć pęknięcia podczas chłodzenia, kropla może zostać schłodzona do temperatury pokojowej bez przedwczesnego uszkodzenia. Jednorodna kulista kropla , nie miałoby gdzie wyprzeć wewnętrznej cieczy, aby ciśnienie tej cieczy nie pękło na zewnątrz.

Bez ogona przy zerowej grawitacji. Tak długo, jak materiał jest utrzymywany w ogrzewanym środowisku, miałbyś „prawie idealną” kulę, o ile ciśnienie, temperatura i brak grawitacji są stałe. Chłodzenie spowodowałoby podobne jednorodne naprężenia jak spadek Ruperta chociaż brakowałoby efektu ogona. Każde zniekształcenie spowodowałoby „skazę” i wpłynęłoby na jednolity naprężenie, a efekt Upuszczenia Ruperta nie istniałby. W idealnym pomyśle skończyłoby się to ze sferą „twoje imię”.

Tak, i bez wielu dodatkowych informacji, po prostu zrób to w Spacelab o zerowej grawitacji, z rozpylaczem wodnym.

Procedura:

1. stopić pływającą szklaną kroplę za pomocą kilku palników gazowych i ręcznie, używając siły aerodynamicznej strumienia, aby utrzymać ją względnie nieruchomo w przestrzeni,

2. skieruj strumień kropelek wody z kilku dysz wodnych, być może wcześniej rozmieszczonych w układzie promieniowym, ze strumieniem skierowanym na środek kulistej kropli.

Nieistotne szczegóły do opracowania przez kompetentnego eksperymentatora.