É possível construir uma queda de Prince Rupert ' s perfeitamente esférica?

As gotas de Prince Rupert “são um exemplo de um componente de vidro de sílica temperado: sua superfície tem foi resfriado mais rapidamente do que seu interior. O temperamento dos vidros é importante porque confere tenacidade ao vidro, ou seja, uma capacidade de resistir à fratura sob carga, o que explica por que uma gota pode ser atingida com um martelo e sobreviver. Vidro de sílica, como é comum com outros materiais cerâmicos, apresenta propagação de fissuras instável quando a sua resistência à fractura é excedida pelo seu estado de tensão. Ao contrário da maioria das ligas, as cerâmicas apresentam muito pouca ou nenhuma deformação plástica. Quando atingem o seu limite elástico, fracturam. Portanto, se estressar um componente de vidro de sílica muito duro, ele se quebra rapidamente e de uma vez.

Um vidro com O componente pode ser temperado pelo resfriamento de seu exterior mais rapidamente do que seu interior, de modo que haja uma distribuição não uniforme de tensões residuais no componente. Especificamente, como o exterior se solidifica primeiro, sua densidade aumenta e o volume diminui primeiro, puxando o material para fora do interior. Então, conforme o interior se solidifica com menos material restante, ele puxa para dentro no exterior. O estado de tensão resultante é a tensão no interior e a compressão no exterior.

As rachaduras só se propagam quando há uma tensão de tração através da rachadura. Se houver uma tensão residual de compressão na fissura, ela permanecerá fechada, a menos que esteja sob tensão. Como a tensão de compressão deve ser superada antes da abertura da fissura, é necessária uma tensão de tração maior para propagar uma trinca através de um componente de vidro temperado do que um componente não temperado. Se essa rachadura se propagasse além da superfície de tensão neutra entre o exterior e o interior do componente, a ponta da rachadura estaria em tensão devido ao estado de tensão residual do interior. Tal rachadura começaria a se propagar de forma instável à medida que todas as tensões residuais fossem liberadas, resultando em uma explosão de cacos de vidro, uma vez que todos eles sofreram recuperação elástica da distribuição não uniforme de tensões.

De todos disto, deve ser aparente que um componente de vidro temperado “perfeitamente” esférico é teoricamente possível, uma vez que é apenas necessário que o exterior do vidro esfrie mais rapidamente do que o interior para obter a distribuição de tensão não uniforme necessária, mantendo a forma desejada. Uma combinação de gravidade e viscosidade é a causa da cauda em uma queda tradicional de Prince Rupert.Portanto, a remoção de cada um desses componentes, como uma gota formada em queda livre pelo relaxamento da tensão superficial da superfície livre de uma bolha “flutuante” de vidro, pode resultar em uma esfera de vidro viscoso. O relaxamento pode demorar muito e o copo deve ser mantido viscoso o tempo todo. O próximo passo é resfriar a esfera rapidamente sem alterar sua forma, o que é reconhecidamente difícil. Pulverizá-lo com fluidos causaria ondulações na superfície, e a submersão exigiria movê-lo infinitesimalmente devagar, o que causaria o tipo errado de distribuição não uniforme de tensão. Expor ao vácuo do espaço pode ser suficiente, mas eu não fiz nenhum cálculo da perda de calor irradiado.

A configuração desejada provavelmente seria um forno de radiação no vácuo do espaço, com uma bolha de vidro flutuando nele, sem velocidade relativa. O forno derrete o vidro, que relaxa em uma esfera. O forno é desligado, a porta é aberta e o forno se afasta rapidamente da esfera. A esfera emite radiação, resfriando o superfície mais rapidamente do que o interior (ou assim esperamos), e o vidro é temperado, resultando em uma queda no espaço do Príncipe Rupert.

Comentários

• Um aspecto chave do vidro temperado é que a massa de vidro dentro de uma parte temperada de uma peça deve ser menor do que se a peça fosse simplesmente recozida. Na queda de PR, quando a parte externa da grande parte da queda se contrai, a cauda fornecerá um caminho pelo qual o vidro derretido poderá fluir; a cauda então se solidificará antes do interior da gota, evitando que o vidro flua de volta à medida que a gota esfria. Se fosse para aquecer todo o vidro bem acima do ponto de recozimento, resfrie rapidamente o exterior logo acima do ponto de recozimento, resfrie moderadamente rápido até logo abaixo …
• … do ponto de recozimento, e depois resfrie-o a partir daí relativamente devagar para evitar que o vidro quebre, pode-se acabar com um vidro um pouco temperado, mas não tão forte quanto uma gota de Prince Pupert ‘ uma vez que o exterior de resfriamento não ‘ seria capaz de ” espremer ” vidro do interior.
• Estou um pouco cético quanto à sua hipótese do vácuo. Acho que mesmo no vidro, a transferência de calor por convecção supera a transferência de calor por radiação.
• Um ponto interessante. Na microgravidade, se assumirmos que o vidro pode atingir o equilíbrio térmico com o forno, então a força motriz para a convecção seria um gradiente de pressão radial. Tudo dependeria da rapidez com que uma camada externa de vidro altamente viscoso se formaria devido à radiação, em comparação com a formação de fluxos convectivos. Eu imagino que isso seria inteiramente dominado pelo tamanho da queda. Gotas maiores teriam tempo para os fluxos convectivos se instalarem (como com a catástrofe do ferro na formação da ‘ da Terra), gotas menores talvez não tanto. Queria ter tempo para modelá-lo!

Acho que a cauda se forma como resultado de como o copo caiu. No vídeo, o vidro derretido se separa do resto do pedaço e se estica – como Silly Putty ou queijo mussarela derretido. Espero que você possa pelo menos encurtar a cauda cortando o vidro pegajoso – mas há uma possibilidade de que o resultado exploda ao resfriar, como sugerido no comentário de nivag.

Bolas de vidro suficientemente esféricas seriam bastante difícil. Talvez isso pudesse ser feito usando o conceito de torre de tiro ou algum tipo de método de moldagem.

Foi afirmado anteriormente que uma esfera “perfeita” não pode existir em termos de engenharia ou manufatura, mas ignorando as trivialidades, vamos responder à pergunta. A queda de Príncipe Rupert é tal que O vidro derretido é viscoso o suficiente para cair de sua haste em um balde de água, fazendo com que ele esfrie rápido o suficiente para criar grandes quantidades de tensão interna, o que causa o famoso efeito de fazer uma lágrima inquebrável.

Mesmo que você girasse a haste rapidamente para não ter uma cauda longa, ainda existiria um arrasto fino e faria uma cauda. Pode ser pequeno, mas ainda estaria lá. Se você estiver interessado em torná-lo mais esférico, pode pensar em raspar a ponta da cauda, mas, como você sabe, um único entalhe ou distúrbio na ponta da cauda resulta em uma explosão de vidro sólido.

Vamos ” Digamos que você girou a haste de uma forma (em um mundo mágico) de forma que não houvesse cauda. Então você não teria uma queda do Príncipe Rupert!

A resposta à sua pergunta é não, não é possível fazer uma gota esférica do Príncipe Rupert porque o vidro explodiria ou você simplesmente não tem a gota que estava procurando.

Que tal isso. Crie a queda como de costume, mas use a água mais quente que puder para retardar a criação de tensões que, claro, ainda ocorrerão.Aqui está o passo crítico …… diminuir a profundidade da água com a experimentação e, por fim, liberar a gota bem na superfície da água que deve, em certa medida, reduzir o comprimento da cauda ou praticamente eliminá-lo. a gota cairá a uma taxa muito reduzida, considerando a condição de semi-peso na água. Outra coisa a considerar seria cortar a gota imediatamente antes de cair. Ao cortar a gota antes de cair, a cauda, que esfria muito mais rápido do que a cabeça, é praticamente eliminada e assim a cabeça com suas tensões internas não são ameaçadas pela cauda quebradiça.

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• Na verdade, a cauda se forma no ar antes que a gota atinja a água.

Talvez você pudesse formar um esferóide de vidro fundido em queda livre, em seguida, apague-o com um gás frio.

Eu sugiro um gás frio em vez de um líquido porque você não pode “t” soltá-lo em um líquido em queda livre e espirrar nele um líquido com rapidez suficiente para congelar rapidamente o exterior provavelmente envolveria forças assimétricas que distorceriam a esfera, enquanto um gás exerceria pressão igual em todos os lados. Teria que ser um gás muito frio! Não sei se um gás pesado como o argônio aumenta a condução térmica ou se algo como hidrogênio ou hélio pode funcionar melhor.

A cauda não parece um recurso necessário. Parece-me que é formado antes da têmpera pela viscosidade do vidro que goteja, não pela passagem pela água. A cauda não é expulsa rapidamente da bolha de vidro que resfria rapidamente; já está presente, formado por gravitação / alongamento antes da têmpera, e apenas esfria nessa forma de cauda.

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• bolas de chumbo são feitas com esta técnica.

Não é uma esfera perfeita, mas o mais próximo que cheguei .

Suspenda em jato aquecido e solte. Feito.

Você tem que controlar o clima temperado com cuidado, muito quente e ele se dispersa.

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• Pode você descreve como ele se comporta em comparação com uma queda típica com cauda longa? Você pode mostrar alguma imagem ou vídeo do resultado final?

Bem, esqueça a esfera “perfeita”, mas não vejo por que ela não poderia ser feita em qualquer formato. Você só precisa resfriar o exterior rapidamente. Parece que me lembro que o pirex é feito desta forma, com estresses embutidos .. mas eu não consegui encontrar um link. Isso pode ser útil.

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• bem ” perfeito ” como em ” adequado para rolamentos de esferas “. Minhas dúvidas vêm da cauda, que parece ser um componente chave, e parece não ser evitável.
• Vejo que você está na Itália, aqui nos EUA o McMaster-Carr lista uma série de bolas de vidro, alguns em rolamentos de esferas, alguns feitos de cerâmica de nitreto de silício. Deve haver algo semelhante onde você está. (A cauda vem de como ‘ é feito … para uma esfera que você ‘ precisaria de um molde ou algo assim.)

Depois que a parte externa de uma queda do Príncipe Rupert solidificar, ela irá se contrair rapidamente. Durante este processo, se não houver nenhum lugar para o vidro interno ir, isso fará com que o exterior fique sob tensão significativa, virtualmente garantindo que ele irá rachar (o vidro estaladiço é formado pela têmpera de uma peça inteira de vidro brevemente; a camada externa irá rachar imediatamente, mas se todas as peças de vidro rachado estiverem em contato com o vidro que ainda está fundido, a peça total permanecerá intacta). Embora seja possível resfriar o vidro devagar o suficiente para evitar rachaduras, reduzir a carga de tração de pico o suficiente para evitar rachaduras também reduzirá a quantidade pela qual essa carga pode ser deslocada para ser compressiva.

Essa dificuldade pode ser superado abaixando o copo relativamente lentamente na água (a cauda ainda está presa à haste de onde veio). Isso significa que, embora parte do lado de fora do vidro tenha se solidificado e esteja se contraindo, o vidro líquido no O meio terá, durante a maior parte dessa contração, um caminho contínuo de vidro líquido que se estende para fora da água.

Em algum ponto, o vidro que entra na água será tão fino que não será mais possível para vidro líquido flua através do centro, mas quando isso acontece, as porções maiores do vidro terão se contraído quase tanto quanto estão indo, então a quantidade de vidro líquido que ainda precisaria ser deslocada para evitar a criação de tensão será bem pequeno, e então a quantidade de tensão criada pela incapacidade de deslocar mais nenhum vidro líquido do interior será igualmente pequena.Se a região do vidro que é espessa o suficiente para permitir o fluxo de líquido através do centro se sobrepõe à região que é fina o suficiente para evitar quebrar quando ele esfria, a gota pode ser resfriada à temperatura ambiente sem falha prematura. Uma bolha esférica uniforme, entretanto , não teria para onde deslocar o líquido interno para evitar que a pressão desse líquido fraturasse o exterior.

Sem cauda em gravidade zero. Contanto que o material seja mantido em um ambiente aquecido, você teria uma esfera “quase perfeita”, desde que a pressão, a temperatura e a ausência de gravidade fossem constantes. O resfriamento resultaria em tensões uniformes semelhantes à queda de Rupert embora o efeito da cauda estaria faltando. Qualquer distorção resultaria em uma “falha” e impactaria a tensão uniforme e o efeito Queda de Rupert não existiria. Em uma ideia perfeita, você acabaria com uma esfera “seunome”.

Sim, e sem muitas informações estranhas, basta fazer no Spacelab de gravidade zero, com um aparelho de pulverização de água.

Procedimento:

1. derreter uma bolha de vidro flutuante por meio de dois queimadores a jato de gás e manualmente usando a força aerodinâmica do jato para manter a bolha relativamente fixa no espaço,

2. direcionar um spray de gotículas de água de vários bicos de água, talvez previamente dispostos em um padrão radial com o jato de spray direcionado para o centro da bolha esférica.

Detalhes não essenciais a serem trabalhados pelo experimentador competente.