Är det möjligt att bygga en perfekt sfärisk Prince Rupert ' droppe?

Prince Ruperts droppar är ett exempel på en härdat kiseldioxidkomponent: dess yta har har kylts snabbare än dess inre. Temperering av glas är viktigt eftersom det ger glaset seghet, dvs. en förmåga att motstå sprickor under belastning, vilket förklarar varför en droppe kan träffas med en hammare och överleva. Silikaglas, som är vanligt med andra keramiska material, uppvisar instabil sprickutbredning när dess spänningsstyrka överskrids av dess spänningstillstånd. Till skillnad från de flesta legeringar uppvisar keramik mycket liten eller ingen plastisk deformation. När de når sin elastiska gräns spricker de. Så om du stressar en kiseldioxidkomponenten för hård, den spricker snabbt och på en gång.

En glaskom ponenten kan härdas genom att kyla dess utsida snabbare än dess inre så att det finns en icke-enhetlig restspänningsfördelning i komponenten. Specifikt, eftersom utsidan först stelnar, ökar densiteten och volymen minskar först och drar materialet utåt från det inre. När interiören stelnar med mindre kvarvarande material drar den sedan inåt på utsidan. Det resulterande spänningstillståndet är spänning i det inre och kompression på utsidan.

Sprickor sprids bara när det finns en dragspänning över sprickan. Om det finns en återstående kompressionsspänning över sprickan förblir den stängd om den inte är stressad i spänning. Eftersom kompressionsspänningen måste övervinnas innan sprickan öppnas krävs det en större dragspänning för att sprida en spricka genom en härdad glaskomponent än en ohärdad komponent. Om en sådan spricka sprider sig förbi den neutrala spänningsytan mellan komponentens yttre och inre, skulle sprickspetsen vara i spänning på grund av det återstående spänningstillståndet i det inre. En sådan spricka skulle börja spridas på ett instabilt sätt när alla återstående spänningar frigörs, vilket resulterar i en explosion av glasskärvor, eftersom de alla genomgår elastisk återhämtning från den icke-enhetliga spänningsfördelningen.

Från alla av detta bör det vara uppenbart att en ”perfekt” sfärisk, härdat glaskomponent teoretiskt är möjlig, eftersom det endast krävs att glasets utsida svalnar snabbare än det inre för att erhålla den erforderliga ojämna spänningsfördelningen, samtidigt som den bibehålls önskad form. En kombination av gravitation och viskositet är orsaken till svansen i en traditionell Prince Ruperts droppe.Därför kan avlägsnande av var och en av dessa komponenter, såsom med en droppe som bildas i fritt fall genom fri ytspänning av en ”flytande” glasbit, resultera i en sfär av visköst glas. Avkoppling kan ta lång tid och glaset måste hållas visköst hela tiden. Nästa steg är att kyla sfären snabbt utan att störa dess form, vilket visserligen är svårt. Sprutning med vätskor skulle orsaka krusningar i ytan, och nedsänkning skulle kräva att den flyttas oändligt långsamt, vilket skulle orsaka fel typ av icke-enhetlig spänningsfördelning. Att exponera det för rymdens vakuum kan vara tillräckligt, men jag har inte gjort några beräkningar av den utstrålade värmeförlusten.

Den önskade inställningen skulle sannolikt vara en strålningsugn i rymdens vakuum, med en blob av glas som flyter i den, utan relativ hastighet. Ugnen smälter glaset, som slappnar av i en sfär. Ugnen stängs av, dörren öppnas och ugnen rör sig snabbt bort från sfären. Sfären avger strålning, kyler ytan snabbare än det inre (eller så hoppas vi) och glaset härdat, vilket resulterar i en Prince Ruperts rymdfall.

Kommentarer

• En viktig aspekt av anlöpningsglas är att massan av glas inuti en härdad del av en bit måste vara mindre än om den helt enkelt glödgades. I PR-fall, när utsidan av den stora delen av droppen dras samman, kommer svansen att ge en väg genom vilken smält glas kan rinna ut; svansen stelnar sedan före droppens insida, vilket förhindrar att glaset flyter tillbaka när droppen svalnar. Om man skulle värma upp hela glaset väl över glödgningspunkten, kyla snabbt utsidan till precis ovanför glödgningspunkten, kyla det måttligt snabbt till strax under …
• … glödgningspunkten, och kyldes sedan därifrån relativt långsamt för att förhindra att glaset spricker, man kan sluta med glas som var något härdat, men inte så starkt som en Prince Pupert ’ droppe eftersom kylningens exteriör inte skulle kunna ’ t ” pressa ut ” glas från interiör.
• Jag är lite skeptisk till din vakuumhypotes. Jag tror att även i glas slår värmeöverföring genom konvektion värmeöverföring genom strålning.
• En intressant punkt. I mikrogravitation, om vi antar att glaset får nå termisk jämvikt med ugnen, skulle drivkraften för konvektion ha en radiell tryckgradient. Allt skulle bero på hur snabbt ett yttre skal av mycket visköst glas skulle bildas på grund av strålning jämfört med bildandet av konvektiva flöden. Jag antar att det skulle vara helt dominerat av droppens storlek. Större droppar skulle ha tid för konvektiva flöden att sättas upp (som med järnkatastrofen i jorden ’ s bildning), mindre droppar kanske inte lika mycket. Jag önskar att jag hade tid att modellera det!

Jag tror att svansen bildas som ett resultat av hur glaset tappas. I videon skiljer sig det smälta glaset från resten av klumpen och sträcker sig – som Silly Putty eller smält mozzarellaost. Jag förväntar mig att du åtminstone kunde förkorta svansen genom att skära det kladdiga glaset – men det finns en möjlighet att resultatet skulle explodera vid kylning, vilket föreslås i nivags kommentar.

Tillräckligt sfäriska glaskulor skulle vara ganska svårt. Kanske kan det göras med shot tower -konceptet eller någon form av gjutningsmetod.

Det påstods tidigare att en ”perfekt” sfär inte kan existera när det gäller teknik eller tillverkning, men utan att ignorera trivialiteter, låt oss svara på frågan. En prins Ruperts droppe är sådan att smält glas är tillräckligt visköst för att släppa av din stav och in i en hink med vatten, vilket får glaset att svalna tillräckligt snabbt för att skapa stora mängder inre spänning, vilket orsakar den berömda effekten av att göra en obrytbar dropp.

Även om du skulle snurra stången snabbt för att inte ha en lång svans, skulle det fortfarande finnas något tunt drag och göra en svans. Det kan vara litet, men det skulle fortfarande vara där. Om du var intresserad av att göra det mer sfäriskt kan du tänka dig att raka av svansänden, men som du vet resulterar ett enda nick eller störningar i svansänden i en solid glasexplosion.

Låt ” s säger att du snurrade stången på ett sätt (i en magisk värld) så att det inte fanns någon svans. Då skulle du inte tappa en prins Rupert!

Svaret på din fråga är nej, det är inte möjligt att göra en sfärisk Prince Ruperts droppe eftersom antingen glaset skulle explodera, eller så har du enkelt inte droppen du letade efter.

Vad sägs om detta. Skapa droppen som vanligt, men använd det hetaste vattnet du kan för att sakta ner spänningen som naturligtvis fortfarande kommer att uppstå.Här är det kritiska steget …… minska vattendjupet med experiment och slutligen släpp droppen direkt vid vattenytan, vilket till viss del bör minska svanslängden eller praktiskt taget eliminera den. droppe kommer att falla i en mycket reducerad takt med tanke på det halvviktiga tillståndet i vattnet. En annan sak att tänka på är att klippa droppen strax innan den faller. Genom att klippa droppen strax innan den faller, svansen, som svalnar mycket snabbare än huvudet elimineras praktiskt taget så att huvudet med dess inre spänningar inte hotas av den spröda svansen.

Kommentarer

• Faktiskt bildar svansen i luften innan droppen träffar vattnet.

Du kanske kan bilda en sfäroid av smält glas i fritt fall, sedan släcka den med en kall gas.

Jag föreslår en kall gas istället för en vätska eftersom du kan ”t” släppa den i en vätska i fritt fall och stänka den med en vätska snabbt nog för att snabbt frysa utsidan skulle antagligen involvera asymmetriska krafter som skulle snedvrida sfären, medan en gas skulle utöva lika stort tryck på alla sidor. Det måste vara mycket kall gas! Jag vet inte om en tung gas som argon ökar värmeledningen eller något som väte eller helium kan fungera bättre.

Svansen verkar inte som en nödvändig funktion. Verkar för mig att den bildas före släckningen av det droppande glasets viskositet, inte genom vattnet. Svansen extruderas inte snabbt från klumpen av snabbt kylande glas; den är redan närvarande, bildad av gravitation / stretching före släckningen, och svalnar bara i den svansformen.

Kommentarer

• blybollar görs med den här tekniken.

Det är inte en perfekt sfär utan så nära jag har blivit .

Stäng av i uppvärmd stråle och släpp sedan. Klar.

Du måste kontrollera det tempererade noggrant, för varmt och det flyger ifrån varandra.

Kommentarer

• Kan du beskriver hur det beter sig jämfört med en typisk droppe med en lång svans? Kan du visa några bilder eller video av slutresultatet?

När utsidan av en Prince Rupert-droppe stelnar kommer den snabbt att krympa. Om det inte finns någonstans för glaset inuti att gå under detta förfarande kommer utsidan att vara under betydande spänning, vilket nästan garanterar att det kommer att spricka (sprakglas bildas genom att släcka en hel glasbit kort, det yttre skiktet spricker omedelbart, men om alla spruckna glasstycken är i kontakt med glas som fortfarande är smält kommer den totala delen att förbli intakt). Medan det är möjligt att svalna glas tillräckligt långsamt för att förhindra sprickbildning, minskar den maximala dragbelastningen tillräckligt för att förhindra sprickbildning också den mängd med vilken en sådan belastning kan förskjutas mot att vara komprimerande. genom att sänka glaset relativt långsamt i vattnet (svansen är fortfarande fäst vid stången från vilken den kom). Om du gör detta kommer det att innebära att medan en del av utsidan av glaset har stelnat och dras samman, kommer det flytande glaset i mitt kommer under större delen av denna sammandragning att ha en kontinuerlig väg av flytande glas som sträcker sig ut ur vattnet.

Vid någon tidpunkt kommer glaset som kommer in i vattnet att vara så tunt att det inte längre är möjligt för flytande glas som strömmar genom mitten, men när det händer kommer de större delarna av glaset att ha dragits samman nästan lika mycket som de kommer att, så mängden flytande glas som fortfarande skulle behöva förskjutas för att undvika att skapa spänning kommer att vara ganska liten, och så mängden spänning som skapas av en oförmåga att förskjuta mer flytande glas från det inre kommer också att vara liten.Om det område av glaset som är tillräckligt tjockt för att tillåta vätskeflöde genom mitten överlappar det område som är tillräckligt tunt för att undvika att det går sönder när det svalnar, kan droppen kylas till rumstemperatur utan för tidigt fel. , skulle inte ha någonstans att förskjuta den inre vätskan för att undvika att trycket från den vätskan spricker utsidan.

Ingen svans i tyngdkraft noll. Så länge materialet bibehålls i en uppvärmd miljö skulle du ha en ”nästan perfekt” sfär så länge tryck och temperatur och frånvaron av tyngdkraften är konstant. Kylning skulle resultera i liknande enhetliga spänningar som Ruperts droppe även om effekten av svansen skulle saknas. Varje snedvridning skulle resultera i en ”brist” och påverka den enhetliga spänningen och Ruperts Drop-effekt skulle inte existera. I en perfekt idé skulle du sluta med en ”ditt namn” -sfär.

Ja, och utan mycket extern information, gör det helt enkelt i mellanslag med noll tyngdkraft, med en vattensprutapparat.

Tillvägagångssätt:

1. smälta en flytande glaskolv med hjälp av ett par gasstrålebrännare, och för hand med aerodynamisk kraft för att hålla klumpen relativt fast i rymden,

2. rikta en spray av vattendroppar från flera vattenmunstycken, kanske tidigare anordnade i ett radiellt mönster med sprayströmmen riktad mot mitten av den sfäriska klumpen.

Oviktig information som ska utarbetas av den behöriga experimentören.