È possibile costruire una goccia perfettamente sferica del principe Rupert?

Le gocce di Prince Rupert sono oggetti in vetro creati facendo gocciolare il vetro fuso nell'acqua fredda. Mentre l'esterno della goccia si raffredda rapidamente, l'interno rimane caldo per un tempo più lungo. Quando alla fine si raffredda, si restringe, creando sollecitazioni di compressione molto grandi sulla superficie.

Il risultato è una specie di vetro temperato: puoi martellare la testa di caduta senza danneggiarla, ma un graffio sulla coda porta a una disintegrazione esplosiva. Guarda questo video

Quindi, è possibile costruire le gocce sferiche del principe Rupert? E se sì, come? Un esempio di applicazione è in sostituzione delle sfere tradizionali con cuscinetti a sfera. Ci saranno miglioramenti nella resistenza all'usura e nei carichi massimi tollerabili e una sfera di vetro costerebbe comunque meno.

Le gocce di Prince Rupert sono un esempio di un componente in vetro silice temperato: la sua superficie è stata raffreddata più rapidamente rispetto al suo interno. Il rinvenimento degli occhiali è importante perché conferisce resistenza al vetro, ovvero una capacità di resistere alle fratture sotto carico, il che spiega perché una goccia può essere colpita con un martello e sopravvivere. Il vetro di silice, come è comune con altri materiali ceramici, presenta una propagazione instabile delle crepe quando la sua resistenza alla frattura viene superata dal suo stato di stress. A differenza della maggior parte delle leghe, la ceramica presenta una deformazione plastica molto ridotta o nulla. Quando raggiungono il limite elastico si fratturano. Quindi, se si sollecita un componente di vetro di silice troppo forte, si frattura rapidamente e tutto in una volta.

Un componente di vetro può essere temperato raffreddando l'esterno più rapidamente rispetto al suo interno, in modo tale che vi sia una distribuzione non uniforme delle sollecitazioni residue nel componente. In particolare, poiché l'esterno si solidifica per primo, la sua densità aumenta e il volume diminuisce per primo, attirando il materiale verso l'esterno dall'interno. Quindi, quando l'interno si solidifica con meno materiale rimanente, si tira verso l'interno all'esterno. Lo stato di stress risultante è la tensione all'interno e la compressione all'esterno.

Le crepe si propagano solo in presenza di una tensione di trazione sulla crepa. Se c'è una sollecitazione di compressione residua attraverso la fessura, rimarrà chiusa a meno che non sia sollecitata in tensione. Poiché lo stress di compressione deve essere superato prima dell'apertura della fessura, è necessario uno sforzo di trazione maggiore per propagare una fessura attraverso un componente di vetro temperato rispetto a un componente non temperato. Se tale fessura si propagasse oltre la superficie di sollecitazione neutra tra l'esterno e l'interno del componente, la punta della crepa sarebbe in tensione a causa dello stato di sollecitazione residua dell'interno. Una tale crepa inizierebbe a propagarsi in modo instabile quando tutte le sollecitazioni residue vengono rilasciate, provocando un'esplosione di frammenti di vetro, poiché tutti subiscono un recupero elastico dalla distribuzione non uniforme delle sollecitazioni.

Da tutto ciò, dovrebbe essere evidente che una componente "perfettamente" sferica, in vetro temperato, è teoricamente possibile, poiché è necessario solo che l'esterno del vetro si raffreddi più rapidamente dell'interno per ottenere la distribuzione di sollecitazione non uniforme richiesta, mantenendo la forma desiderata. Una combinazione di gravità e viscosità sono la causa della coda in una tradizionale caduta del Principe Rupert. Pertanto, la rimozione di ciascuno di questi componenti, ad esempio con una goccia formata in caduta libera dal rilassamento della tensione superficiale della superficie libera di una goccia di vetro "fluttuante", può provocare una sfera di vetro viscoso. Il rilassamento può richiedere molto tempo e il vetro deve rimanere viscoso per tutto il tempo. Il prossimo passo è raffreddare rapidamente la sfera senza disturbarne la forma, il che è certamente difficile. Spruzzarlo con fluidi provocherebbe increspature nella superficie e l'immersione richiederebbe di spostarlo lentamente all'infinito, il che provocherebbe un tipo sbagliato di distribuzione non uniforme dello stress. L'esposizione al vuoto dello spazio potrebbe essere sufficiente, ma non ho fatto alcun calcolo della perdita di calore irradiata.

L'impostazione desiderata sarebbe probabilmente un forno di radiazione nel vuoto dello spazio, con una goccia di vetro fluttuante al suo interno, senza velocità relativa. Il forno scioglie il vetro, che si rilassa in una sfera. Il forno viene spento, la porta viene aperta e il forno si allontana rapidamente dalla sfera. La sfera emette radiazioni, raffreddando la superficie più rapidamente dell'interno (o almeno così speriamo), e il vetro viene temperato, provocando una caduta nello spazio del principe Rupert.

Penso che la coda si formi come risultato del modo in cui il vetro viene lasciato cadere. Nel video, il vetro fuso si separa dal resto del grumo e si allunga, come Silly Putty o mozzarella fusa. Mi aspetto che tu possa almeno accorciare la coda tagliando il vetro appiccicoso, ma c'è la possibilità che il risultato esploda con il raffreddamento, come suggerito nel commento di Nivag.

Sfere di vetro sufficientemente sferiche sarebbero piuttosto difficili. Forse potrebbe essere fatto usando il concetto di torre di tiro o una sorta di metodo di stampaggio.

In precedenza era stato affermato che una sfera "perfetta" non può esistere in termini di ingegneria o produzione, ma ignorando le banalità, rispondiamo alla domanda. La goccia di un Prince Rupert è tale che il vetro fuso è abbastanza viscoso da cadere dall'asta e in un secchio d'acqua, facendo raffreddare il vetro abbastanza rapidamente da creare elevate quantità di tensione interna, il che provoca il famoso effetto di creare una lacrima infrangibile.

Anche se dovessi girare la canna rapidamente in modo da non avere una coda lunga, esisterebbero comunque alcuni sottili trascinamenti e fare una coda. Potrebbe essere piccolo, ma sarebbe ancora lì. Se ti interessasse renderlo più sferico, potresti pensare di raderti dall'estremità della coda, ma come sai, un singolo nick o un disturbo all'estremità della coda si traduce in una solida esplosione di vetro.

Diciamo che hai fatto girare la canna in un modo (in un mondo magico) in modo che non ci fosse coda. Quindi non avresti una goccia del Principe Rupert!

La risposta alla tua domanda è no, non è possibile effettuare una goccia sferica del Principe Rupert perché o il vetro esploderà, o semplicemente non hai la goccia che stavi cercando.

Che dire di questo. Crea la goccia come al solito, ma usa l'acqua più calda che puoi per rallentare la creazione degli stress che ovviamente si verificheranno comunque. Ecco il passaggio critico ...... diminuisci la profondità dell'acqua con la sperimentazione e infine, rilascia la goccia proprio sulla superficie dell'acqua che dovrebbe, in una certa misura, ridurre la lunghezza della coda o praticamente eliminarla. La caduta cadrà ad una velocità molto ridotta considerando la condizione semi-leggera in acqua. Un'altra cosa da considerare sarebbe quella di tagliare la goccia appena prima che cada. Agganciando la goccia appena prima che cada, la coda, che si raffredda molto più velocemente della testa, viene praticamente eliminata e quindi la testa con le sue sollecitazioni interne non è minacciata dalla fragile coda.

Forse potresti formare uno sferoide di vetro fuso in caduta libera, quindi spegnerlo con un gas freddo.

Suggerisco un gas freddo invece di un liquido perché non si può "lasciarlo cadere" in un liquido in caduta libera, e spruzzarlo con un liquido abbastanza rapidamente da congelare rapidamente l'esterno comporterebbe probabilmente forze asimmetriche che distorcono la sfera, mentre un gas eserciterebbe la stessa pressione su tutti i lati. Dovrebbe essere un po 'di gas molto freddo! Non so se un gas pesante come l'argon aumenti la conduzione termica, o qualcosa come l'idrogeno o l'elio potrebbe funzionare meglio.

La coda non sembra una caratteristica necessaria. Mi sembra che sia formato prima dell'estinzione dalla viscosità del vetro gocciolante, non dal passaggio attraverso l'acqua. La coda non viene rapidamente estrusa dalla massa di vetro a raffreddamento rapido; è già presente, formato dalla gravitazione / stiramento prima dell'estinzione, e si raffredda proprio in quella forma di coda.

Non è una sfera perfetta ma quanto più mi è arrivata.

Sospendere a getto riscaldato, quindi rilasciarlo. Fatto.

Devi controllare il temperato con attenzione, troppo caldo e vola via.

Beh, dimentica la sfera "perfetta", ma non vedo perché non possa essere realizzata in nessuna forma. Devi solo raffreddare l'esterno velocemente. Mi sembra di ricordare che il pyrex è fatto in questo modo, con sollecitazioni integrate .. ma non sono riuscito a trovare un collegamento. Questo può essere utile.

Dopo che la parte esterna di una goccia di Prince Rupert si solidifica, si contraerà rapidamente. Durante questo processo, se non c'è nessun posto dove andare all'interno del vetro, ciò causerà una tensione significativa all'esterno, garantendo virtualmente che si spezzerà (il vetro del crackle si forma spegnendo brevemente un intero pezzo di vetro; lo strato esterno si spezzerà immediatamente, ma se tutti i pezzi di vetro incrinato vengono a contatto con un vetro ancora fuso, il pezzo complessivo rimarrà intatto). Mentre è possibile raffreddare il vetro abbastanza lentamente da prevenire le fessurazioni, ridurre sufficientemente il carico di trazione di picco per evitare le fessurazioni ridurrà anche la quantità con cui tale carico può essere spostato verso la compressione.

Questa difficoltà può essere superata abbassando il vetro relativamente lentamente nell'acqua (la coda è ancora attaccata all'asta da cui proviene). Ciò significa che mentre parte dell'esterno del vetro si è solidificata e si sta contraendo, il vetro liquido nel mezzo avrà, durante la maggior parte di questa contrazione, un percorso continuo di vetro liquido che si estende dall'acqua.

Ad un certo punto il vetro che entra nell'acqua sarà così sottile che non è più possibile che il vetro liquido scorra attraverso il centro, ma quando accadrà, le parti più grandi del vetro si saranno contratte quasi quanto stanno per , quindi la quantità di vetro liquido che avrebbe ancora bisogno di essere spostata per evitare di creare tensione sarà piuttosto piccola, e quindi la quantità di tensione creata dall'incapacità di spostare più vetro liquido dall'interno sarà ugualmente piccola. Se la regione del vetro che è abbastanza spessa da consentire il flusso di liquido attraverso il centro si sovrappone alla regione abbastanza sottile da evitare la rottura quando si raffredda, la goccia può essere raffreddata a temperatura ambiente senza guasti prematuri. Una chiazza sferica uniforme, tuttavia,

Nessuna coda a gravità zero. Fintanto che il materiale viene mantenuto in un ambiente riscaldato, si avrà una sfera "quasi perfetta" purché la pressione, la temperatura e l'assenza di gravità siano costanti. Il raffreddamento comporterebbe simili sollecitazioni uniformi alla Goccia di Rupert anche se mancherebbe l'effetto della coda. Qualsiasi distorsione comporterebbe un "difetto" e influenzerebbe lo stress uniforme e l'effetto Goccia di Rupert non esisterebbe. In un'idea perfetta , finiresti con una sfera "tuo nome".