Чи можна побудувати ідеально кулясту краплю принца Руперта?

Краплі принца Руперта - це скляні предмети, що створюються капанням розплавленого скла у холодну воду. У той час як зовнішня крапля швидко охолоджується, всередині залишається гарячим довший час. Коли він з часом охолоне, він скорочується, створюючи на поверхні дуже великі напруги стиску.

Результат - це своєрідне тверде скло: ви можете забити головку краплі, не пошкодивши її, але подряпина на хвості призводить до вибухового розпаду. Перегляньте це відео.

Отже, чи можна побудувати кулясті краплі принца Руперта? А якщо так, то як? Один із прикладів застосування - це заміна традиційних кульових куль. Буде покращено зносостійкість та максимально допустимі навантаження, а скляна сфера все одно обійдеться дешевше.

Краплі принца Руперта є прикладом загартованого компонента з кремнеземного скла: його поверхня охолоджується швидше, ніж внутрішня. Загартовування окулярів важливе, оскільки воно надає міцності склу, тобто здатності чинити опір руйнуванню під навантаженням, що пояснює, чому краплю можна вдарити молотком і вижити. Кремнеземне скло, як це характерно для інших керамічних матеріалів, виявляє нестабільне розповсюдження тріщин, коли його міцність на руйнування перевищує напружений стан. На відміну від більшості сплавів, кераміка проявляє дуже мало або взагалі немає пластичної деформації. Коли вони досягають межі пружності, вони руйнуються. Тож якщо ви напружуєте компонент із силікатного скла занадто сильно, він швидко руйнується та відразу.

Скляний компонент може бути загартований, охолоджуючи його зовнішність швидше, ніж його внутрішній, так що існує нерівномірний розподіл залишкового напруги в складі. Зокрема, оскільки зовнішній вигляд твердне спочатку, його щільність збільшується, а об'єм зменшується спочатку, витягуючи матеріал назовні зсередини. Потім, коли внутрішня частина твердне з меншим залишком матеріалу, вона витягується всередину зовні. Отриманий напружений стан - це напруга в інтер'єрі і стиснення зовні.

Тріщини поширюються лише тоді, коли по всій тріщині є напруження на розрив. Якщо по всій тріщині залишається залишкове напруження стиснення, воно залишатиметься закритим, якщо не буде напружено напружено. Оскільки напруга при стисненні повинна бути подолана до того, як тріщина відкриється, для розповсюдження тріщини через компонент із загартованого скла потрібно більше напруження на розрив, ніж компонент із загартованого скла. Якщо така тріщина пошириться повз поверхню нейтральних напруг між зовнішньою та внутрішньою частиною деталі, наконечник тріщини був би в напрузі через залишковий напружений стан внутрішніх приміщень. Така тріщина почне розповсюджуватися нестабільно, оскільки всі залишкові напруги вивільняються, що призводить до вибуху осколків скла, оскільки всі вони піддаються еластичному відновленню від нерівномірного розподілу напруги.

З усього цього повинно бути очевидним, що "ідеально" сферичний компонент із загартованого скла теоретично можливий, оскільки потрібно лише, щоб зовнішня частина скла охолоджувалася швидше, ніж внутрішня, щоб отримати необхідний нерівномірний розподіл напруг, зберігаючи бажану форму. Поєднання сили тяжіння та в'язкості є причиною хвоста в традиційній краплі принца Руперта. Отже, видалення кожного з цих компонентів, наприклад, із краплі, утвореної при вільному падінні, шляхом розслаблення поверхневого натягу поверхневого натягу «плаваючої» пляшки скла може призвести до сфери в’язкого скла. Релаксація може зайняти тривалий час, і склянку потрібно тримати в'язкою весь час. Наступним кроком є ​​швидке охолодження сфери, не порушуючи її форми, що, очевидно, важко. Розбризкування його рідинами спричиняло б брижі на поверхні, і занурення вимагало б переміщення нескінченно мало повільно, що спричинило б неправильний вид нерівномірного розподілу напруги. Піддаючи його вакууму простору, можливо, буде достатньо, але я не зробив жодних розрахунків випромінюваних втрат тепла.

Бажаною установкою, швидше за все, буде радіаційна піч у вакуумі космосу, з плиткою скла, що пливе в ній, без відносної швидкості. Піч розтоплює скло, яке розслабляється в сферу. Піч вимкнена, дверцята відкриваються і піч швидко відсувається від сфери. Куля випромінює випромінювання, охолоджуючи поверхню швидше, ніж внутрішня (або так ми сподіваємось), і скло загартоване, в результаті чого космічний крапля принца Руперта.

Я думаю, що хвіст утворюється в результаті того, як опускається скло. На відео розплавлений келих відокремлюється від решти грудочки і розтягується - на кшталт Silly Putty або розплавлений сир моцарелла. Я думаю, що ви могли б хоча б вкоротити хвіст, вирізавши гучне скло - але є ймовірність, що результат охолоне при охолодженні, як це запропоновано в коментарі nivag.

Досить складно кулястих скляних кульок було б досить складно. Можливо, це можна зробити за допомогою концепції розстріляної вежі , або якогось методу лиття.

Раніше було заявлено, що "досконала" сфера не може існувати з точки зору інженерії чи виробництва, але ігноруючи дрібниці, давайте відповімо на питання. Крапля принца Руперта така, що розплавлене скло досить в'язке, щоб скинути ваш стрижень і у відро з водою, змусивши склянку досить швидко охолонути, щоб створити велику кількість внутрішнього натягу, що спричиняє знаменитий ефект зробити нерозривну сліз.

Навіть якби ви швидко закручували стрижень, щоб не було довгого хвоста, деякі тонкі перетягування все одно існували б і робили хвіст. Це може бути невеликим, але все одно було б. Якщо вам було цікаво зробити його більш кулястим, ви можете подумати, як відголити кінець хвоста, але, як відомо, одина ніша або порушення хвостового кінця призводить до вибуху суцільного скла.

Скажімо, ви закрутили стрижень таким чином (у чарівному світі), щоб не було хвоста. Тоді у вас не було б краплі принца Руперта!

Відповідь на ваше запитання - ні, неможливо зробити кулясту краплю принца Руперта, бо або скло вибухне, або у вас просто немає краплі, яку ви шукали.

Як що до цього. Створіть краплю, як зазвичай, але використовуйте найгарячішу воду, щоб уповільнити створення напруг, які, звичайно, все ще будуть виникати. Ось критичний крок ...... зменшити глибину води за допомогою експериментів і, нарешті, випустити краплю прямо біля поверхні води, яка повинна певною мірою зменшити довжину хвоста або практично усунути його. Крапля впаде зі значно зниженою швидкістю, враховуючи напіввагомий стан у воді. Ще одна річ, яку слід врахувати, - це обрізати краплю безпосередньо перед тим, як вона впаде. Прикопуючи краплю безпосередньо перед тим, як вона впаде, хвіст, який охолоджується набагато швидше, ніж голова, практично усувається, і тому голові з його внутрішніми напруженнями не загрожує крихкий хвіст.

Можливо, ви могли утворити сфероїд з розплавленого скла при вільному падінні, а потім загасити його холодним газом.

Я пропоную холодний газ замість рідкого, тому що ви не можете «скинути» його в рідину при вільному падінні, а бризок її рідиною досить швидко для швидкого замерзання зовнішньої сторони, ймовірно, залучатиме асиметричні сили, які спотворюватимуть сферу, тоді як газ здійснюватиме однаковий тиск з усіх боків. Це мав би бути якийсь дуже холодний газ! Я не знаю, чи важкий газ, як аргон, збільшує теплопровідність, або щось подібне до водню чи гелію може працювати краще.

Хвіст не здається необхідною особливістю. Мені здається, вона утворюється до гасіння через в'язкість капаючого скла, а не проходження через воду. Хвіст не швидко видавлюється з краплини скла, що швидко охолоджується; вона вже присутня, утворена гравітацією / розтягуванням до гасіння, і просто охолоджується в тій формі хвоста.

Це не ідеальна сфера, але так близько, як я наблизився.

Підвісьте нагрітим струменем, потім опустіть. Зроблено.

Ви повинні контролювати помірного обережно, занадто жарко, і він розлітається.

Добре забудьте "ідеальну" сферу, але я не бачу, чому вона не могла бути виконана в будь-якій формі. Вам просто потрібно швидко охолодити зовнішню сторону. Здається, я згадую, що pyrex зроблений таким чином, із вбудованими напруженнями .. але я не зміг знайти посилання. Це може бути корисним.

Після того як зовнішня крапля принца Руперта затвердіє, вона швидко скоротиться. Під час цього процесу, якщо склянки всередині нікуди не вийде, це призведе до значного натягу зовнішньої сторони, практично гарантуючи, що він трісне (тріскання скла утворюється короткочасним загартуванням цілого шматочка скла; зовнішній шар трісне. негайно, але якщо всі тріщини зі склом стикаються зі склом, яке все ще розплавлено, загальний шматок залишиться цілим). Хоча скло охолоджувати досить повільно для запобігання розтріскування, зменшення пікового навантаження на розрив достатньо для запобігання розтріскування також зменшить кількість, на яке таке навантаження може бути перенесено на стискання.

Цю складність можна подолати, опустивши склянку відносно повільно у воду (хвіст все ще прикріплений до стрижня, з якого він прийшов). Це означатиме, що хоча частина зовнішньої склянки затверділа і стискається, рідке скло посередині протягом більшої частини цього стиснення матиме безперервний шлях рідкого скла, який простягається поза водою.

У якийсь момент стакан, що надходить у воду, буде настільки тонким, що рідке скло вже не витече через центр, але до того часу, коли більші частини склянки скоротяться майже стільки, скільки вони збираються , тому кількість рідкого скла, яке все-таки потрібно буде змістити, щоб уникнути створення напруги, буде досить малим, і тому величина напруженості, створена неможливістю витіснити більше рідкого скла з інтер'єру, буде також невеликою. Якщо область склянки, яка досить товста, що дозволяє протікати рідину через центр, перекриває область, яка досить тонка, щоб уникнути розриву, коли вона охолоне, крапля може охолонути до кімнатної температури без передчасного виходу з ладу. Однак однакова сферична крапка,

Жодного хвоста з нульовою силою тяжіння. До тих пір, поки матеріал підтримується в нагрітому середовищі, у вас буде сфера "майже досконалого", поки тиск, температура і відсутність сили тяжіння постійні. Охолодження спричинило б подібні рівномірні напруги до падіння Руперта, хоча ефект хвоста відсутній. Будь-яке викривлення спричинило б "недолік" і вплине на рівномірний стрес, а ефект Краплина Руппер не існував. Ідеальна ідея , ви отримаєте сферу "своє ім'я".