Este posibil să construim o picătură perfect sferică a lui Prince Rupert '?

Picăturile Prince Rupert sunt un exemplu de componentă din sticlă de silice temperată: suprafața sa are a fost răcit mai repede decât interiorul său. Temperarea ochelarilor este importantă deoarece conferă rezistență sticlei, adică capacitatea de a rezista la fracturi sub sarcină, ceea ce explică de ce o picătură poate fi lovită cu un ciocan și să supraviețuiască. cu alte materiale ceramice, prezintă o propagare instabilă a fisurilor atunci când rezistența la rupere este depășită de starea sa de stres. Spre deosebire de majoritatea aliajelor, ceramica prezintă o deformare plastică foarte mică sau deloc. Când ajung la limita lor elastică se fracturează. componentă din sticlă de siliciu prea tare, se fracturează rapid și dintr-o dată.

O sticlă com ponentul poate fi temperat prin răcirea exteriorului mai rapid decât interiorul său, astfel încât să existe o distribuție neuniformă a tensiunii reziduale în componentă. Mai exact, deoarece exteriorul se solidifică mai întâi, densitatea acestuia crește și volumul scade mai întâi, atrăgând materialul din interior. Apoi, pe măsură ce interiorul se solidifică cu mai puțin material rămas, el trage spre interior spre exterior. Starea de tensiune rezultată este tensiunea în interior și compresia în exterior.

Fisurile se propagă numai atunci când există o tensiune de tracțiune peste fisură. Dacă există o tensiune reziduală de compresie peste fisură, aceasta va rămâne închisă dacă nu este tensionată. Deoarece tensiunea de compresiune trebuie depășită înainte de deschiderea fisurii, este nevoie de o tensiune mai mare pentru a propaga o fisură printr-o componentă de sticlă temperată decât o componentă ne-temperată. Dacă o astfel de crăpătură s-ar propaga peste suprafața cu tensiune neutră între exteriorul și interiorul componentei, vârful fisurii ar fi în tensiune din cauza stării de tensiune reziduală a interiorului. O astfel de crăpătură ar începe să se propage într-un mod instabil, deoarece toate tensiunile reziduale sunt eliberate, rezultând o explozie de cioburi de sticlă, deoarece toate suferă recuperarea elastică din distribuția neuniformă a tensiunii.

Din toate din aceasta, ar trebui să fie evident că o componentă de sticlă „perfect” sferică, temperată este teoretic posibilă, deoarece este necesar doar ca exteriorul sticlei să se răcească mai rapid decât interiorul pentru a obține distribuția de tensiune neuniformă necesară, menținând în același timp forma dorită. O combinație de gravitație și vâscozitate sunt cauza cozii într-o cădere tradițională a lui Prince Rupert.Prin urmare, îndepărtarea fiecăruia dintre aceste componente, cum ar fi cu o picătură formată în cădere liberă prin relaxarea tensiunii superficiale libere a unei pete de sticlă „plutitoare”, poate duce la o sferă de sticlă vâscoasă. Relaxarea poate dura mult timp, iar sticla trebuie păstrată vâscoasă tot timpul. Următorul pas este răcirea rapidă a sferei fără a-i perturba forma, ceea ce este, desigur, dificil. Pulverizarea acestuia cu fluide ar provoca valuri la suprafață, iar scufundarea ar necesita deplasarea infinitesimală lent, ceea ce ar provoca un tip greșit de distribuție neuniformă a stresului. Expunerea la vidul spațiului ar putea fi suficientă, dar nu am făcut niciun calcul al pierderii de căldură radiată.

Configurarea dorită ar fi probabil un cuptor cu radiații în vidul spațiului, cu un blob de sticlă plutind în el, fără nicio viteză relativă. Cuptorul topește sticla, care se relaxează într-o sferă. Cuptorul este oprit, ușa este deschisă și cuptorul se îndepărtează rapid de sferă. Sfera emite radiații, răcind suprafață mai rapid decât interiorul (sau cel puțin așa sperăm), iar sticla este temperată, rezultând o picătură spațială a Prince Rupert.

Comentarii

• Un aspect cheie al sticlei de călire este acela că masa sticlei din interiorul unei porțiuni temperate a unei piese trebuie să fie mai mică decât în cazul în care piesa a fost pur și simplu recuită. În picătură PR, când partea exterioară a părții mari a picăturii se contractă, coada va oferi o cale pe care sticla topită poate curge; coada se va solidifica apoi înainte de interiorul picăturii, împiedicând astfel sticla să curgă înapoi în timp ce picătura se răcește. Dacă cineva ar încălzi toată sticla deasupra punctului de recoacere, răcorește rapid exteriorul până la punctul de deasupra punctului de recoacere, răcorește-l moderat până la punctul de jos …
• … punctul de recoacere, și apoi l-a răcit de acolo relativ încet pentru a preveni crăparea sticlei, s-ar putea ajunge la sticlă oarecum temperată, dar nu la fel de puternică ca o picătură a unui Prince Pupert ‘ deoarece exteriorul de răcire nu ar putea ‘ să fie capabil să ” să stoarcă ” sticla interior.
• Sunt un pic sceptic cu privire la ipoteza voastră de vid. Cred că chiar și în sticlă, transferul de căldură prin convecție bate transferul de căldură prin radiație.
• Un punct interesant. În microgravitație, dacă presupunem că sticlei i se permite să atingă echilibrul termic cu cuptorul, atunci forța motrice pentru convecție ar fi un gradient de presiune radială. Totul ar depinde de cât de repede s-ar forma o coajă exterioară de sticlă foarte vâscoasă datorită radiației, în comparație cu formarea fluxurilor convective. Îmi imaginez că ar fi dominat în totalitate de dimensiunea picăturii. Picăturile mai mari ar avea timp pentru instalarea fluxurilor convective (ca în cazul catastrofei de fier din formarea Pământului ‘), picături mai mici poate nu la fel de mult. Mi-aș dori să am timp să-l modelez!

Cred că coada se formează ca urmare a modului în care paharul este scăpat. În videoclip, sticla topită se separă de restul bucății și se întinde – cum ar fi Silly Putty sau brânza mozzarella topită. Mă aștept ca cel puțin să scurtați coada prin tăierea sticlei gooey – dar există „posibilitatea ca rezultatul să explodeze la răcire, așa cum sugerăm în comentariul nivag.

Bile de sticlă suficient de sferice ar fi destul de dificil. Poate că s-ar putea face folosind conceptul turn turn sau un fel de metodă de turnare.

S-a afirmat anterior că o sferă „perfectă” nu poate exista în termeni de inginerie sau fabricație, dar ignorând trivialitățile, să răspundem la întrebare. Picătura unui Prince Rupert este de așa natură încât sticla topită este suficient de vâscoasă pentru a se lăsa de pe tijă și pentru a ajunge într-o găleată de apă, ceea ce face ca sticla să se răcească suficient de rapid pentru a crea cantități mari de tensiune internă, ceea ce provoacă faimosul efect de a face o lacrimă de neîntrerupt.

Chiar dacă ar fi să învârtiți tija rapid, astfel încât să nu aveți o coadă lungă, ar fi existat încă o tragere subțire și ar face o coadă. Poate fi mic, dar ar fi tot acolo. Dacă ați fi interesat să o faceți mai sferică, s-ar putea să vă gândiți să radeți capătul cozii, dar, după cum știți, o singură porțiune sau o perturbare a capătului cozii are ca rezultat o explozie solidă de sticlă.

Zicem că ai învârtit tija într-un fel (într-o lume magică), astfel încât să nu existe coadă. Atunci nu ai avea picătura unui Prince Rupert!

Răspunsul la întrebarea ta este nu, nu este posibil să creați o picătură sferică a lui Prince Rupert, deoarece fie paharul ar exploda, fie că nu aveți picătura pe care o căutați.

Ce zici de asta. Creează picătura ca de obicei, dar folosește cea mai fierbinte apă pe care o poți pentru a încetini crearea tensiunilor care, desigur, vor apărea.Iată pasul critic … … micșorați adâncimea apei cu experimentarea și, în cele din urmă, eliberați picătura chiar la suprafața apei, care ar trebui, într-o anumită măsură, să reducă lungimea cozii sau practic să o elimine. picătura va scădea cu o rată mult mai redusă, având în vedere starea semi-greutății din apă. Un alt lucru de luat în considerare ar fi să tăiați picătura chiar înainte de a scăpa. capul, este practic eliminat și astfel capul cu solicitările sale interne nu sunt amenințate de coada fragilă.

Comentarii

• De fapt, coada se formează în aer înainte ca picătura să lovească apa.

Poate ai putea forma un sferoid de sticlă topită în cădere liberă, apoi stingeți-l cu un gaz rece.

Vă sugerez un gaz rece în loc de un lichid, deoarece îl puteți „scădea” într-un lichid în cădere liberă și stropindu-l cu un lichid suficient de rapid pentru a îngheța rapid exteriorul ar implica probabil forțe asimetrice care ar distorsiona sfera, în timp ce un gaz ar exercita o presiune egală pe toate părțile. Ar trebui să fie niște gaze foarte reci! Nu știu dacă un gaz greu precum argonul crește conducerea termică sau ceva de genul hidrogen sau heliu ar putea funcționa mai bine.

Coada nu pare o caracteristică necesară. Mi se pare că s-a format înainte de stingere prin vâscozitatea sticlei care picură, nu prin trecerea prin apă. Coada nu este extrudată rapid din blobul sticlei cu răcire rapidă; este deja prezent, format prin gravitație / întindere înainte de stingere, și se răcește doar în acea formă de coadă.

Comentarii

• se fac bile de plumb cu această tehnică.

Nu este o sferă perfectă, dar atât de aproape cât am ajuns .

Suspendați în jet încălzit, apoi aruncați. Gata.

Trebuie să controlați temperatul cu atenție, prea fierbinte și zboară în afară.

Comentarii

• Poate descrieți cum se comportă în comparație cu o picătură tipică cu o coadă lungă? Puteți afișa imagini sau videoclipuri ale rezultatului final?

Ei bine, uită de sfera „perfectă”, dar nu văd de ce nu se poate face în nici o formă. Trebuie doar să răcorești rapid exteriorul. Parcă îmi amintesc că pyrex este făcut în acest fel, cu tensiuni încorporate .. dar nu am putut găsi o legătură. Aceasta poate fi utilă.

Comentarii

• bine ” perfect ” ca în ” potrivit pentru rulmenți cu bile „. Îndoielile mele vin din coadă, care pare a fi o componentă cheie și par să nu fie evitabile.
• Văd că sunteți în Italia, aici în SUA McMaster-Carr enumeră o serie de bile de sticlă, unele în rulmenți cu bile, altele din ceramică cu nitrură de siliciu. Ar trebui să existe ceva similar acolo unde ești. (Coada provine doar din modul în care s-a făcut ‘ … pentru o sferă ‘ ai nevoie de o matriță sau ceva de genul.)

După ce exteriorul unei picături Prince Rupert se solidifică, se va contracta rapid. În timpul acestui proces, dacă sticla din interior nu poate merge, acest lucru va face ca exteriorul să fie sub tensiune semnificativă, garantând practic că se va sparge (sticla crăpată se formează prin stingerea scurtă a unei bucăți întregi de sticlă; stratul exterior se va sparge imediat, dar dacă toate piesele de sticlă crăpate sunt în contact cu sticla care este încă topită, piesa totală va rămâne intactă). Deși este posibil să se răcească sticla suficient de încet pentru a preveni crăparea, reducerea sarcinii de tracțiune suficientă pentru a preveni crăparea va reduce, de asemenea, cantitatea cu care o astfel de sarcină poate fi deplasată spre a fi compresivă.

Această dificultate poate să fie depășite prin coborârea relativ lentă a sticlei în apă (coada este încă atașată de tija din care a provenit). Acest lucru va însemna că, în timp ce o parte din exteriorul sticlei s-a solidificat și se contractă, sticla lichidă din mijlocul, în cea mai mare parte a acestei contracții, va avea o cale continuă de sticlă lichidă care se extinde din apă.

La un moment dat, sticla care intră în apă va fi atât de subțire încât nu mai este posibilă sticla lichidă să curgă prin centru, dar până când se întâmplă, porțiunile mai mari de sticlă se vor contracta aproape la fel de mult pe cât vor merge, astfel încât cantitatea de sticlă lichidă care ar mai trebui deplasată pentru a evita crearea tensiunii va fi destul de mic și așa cantitatea de tensiune creată de incapacitatea de a deplasa orice sticlă lichidă din interior va fi la fel de mică.Dacă regiunea sticlei este suficient de groasă pentru a permite curgerea lichidului prin centru se suprapune regiunii suficient de subțiri pentru a evita ruperea atunci când se răcește, picătura poate fi răcită la temperatura camerei fără defecțiuni premature. O blob sferic uniform, totuși , nu ar avea de unde deplasa lichidul interior pentru a evita presiunea lichidului care fracturează exteriorul.

Fără coadă în greutate zero. Atâta timp cât materialul este menținut într-un mediu încălzit, veți avea o sferă „aproape perfectă”, atâta timp cât presiunea și temperatura și absența gravitației sunt constante. Răcirea ar duce la solicitări uniforme similare cu picătura lui Rupert deși efectul cozii ar lipsi. Orice distorsiune ar avea ca rezultat un „defect” și ar avea un impact asupra stresului uniform, iar efectul Drop al lui Rupert nu ar exista. Într-o idee perfectă, ai avea o sferă „numele tău”.

Da și fără o mulțime de informații străine, pur și simplu faceți-o în spațiu gravitațional zero, cu un aparat de pulverizare a apei.

Procedură:

1. topiți o blobă de sticlă plutitoare cu ajutorul a două arzătoare cu jet de gaz și folosind manual o forță aerodinamică cu jet pentru a menține blobul relativ fix în spațiu,

2. direcționează o pulverizare de picături de apă din mai multe duze de apă, aranjate probabil anterior într-un model radial cu fluxul de pulverizare îndreptat spre centrul blobului sferic.

Detalii neesențiale care vor fi elaborate de experimentatorul competent.