Ist es möglich, einen perfekt kugelförmigen Prince Rupert-Tropfen zu bauen?

Prince Ruperts Drops sind Glasobjekte, die durch Tropfen von geschmolzenem Glas in kaltes Wasser hergestellt werden. Während die Außenseite des Tropfens schnell abkühlt, bleibt die Innenseite länger heiß. Wenn es schließlich abkühlt, schrumpft es und erzeugt sehr große Druckspannungen auf der Oberfläche.

Das Ergebnis ist eine Art gehärtetes Glas: Sie können den Fallkopf hämmern, ohne ihn zu beschädigen, aber ein Kratzer am Schwanz führt zu einem explosiven Zerfall. Schauen Sie sich dieses Video an.

Ist es also möglich, kugelförmige Tropfen von Prinz Rupert zu bauen? Und wenn ja, wie? Ein Anwendungsbeispiel ist ein Ersatz für herkömmliche Kugellagerkugeln. Die Verschleißfestigkeit und die maximal tolerierbaren Belastungen werden verbessert, und eine Glaskugel würde sowieso weniger kosten.

Die Tropfen von Prince Rupert sind ein Beispiel für eine Komponente aus gehärtetem Quarzglas: Die Oberfläche wurde schneller abgekühlt als das Innere. Das Tempern von Gläsern ist wichtig, da es dem Glas Zähigkeit verleiht, dh die Fähigkeit, einem Bruch unter Last zu widerstehen, was erklärt, warum ein Tropfen mit einem Hammer geschlagen werden kann und überlebt. Kieselglas zeigt wie andere keramische Werkstoffe eine instabile Rissausbreitung, wenn seine Bruchfestigkeit durch seinen Spannungszustand überschritten wird. Im Gegensatz zu den meisten Legierungen weisen Keramiken nur eine sehr geringe oder keine plastische Verformung auf. Wenn sie ihre Elastizitätsgrenze erreichen, brechen sie. Wenn Sie also eine Quarzglaskomponente zu stark beanspruchen, bricht sie schnell und auf einmal.

Eine Glaskomponente kann getempert werden, indem ihre Außenseite schneller abgekühlt wird als ihre Innenseite, so dass eine ungleichmäßige Restspannungsverteilung in der Komponente vorliegt. Da sich das Äußere zuerst verfestigt, nimmt insbesondere seine Dichte zu und das Volumen nimmt zuerst ab, wodurch Material vom Inneren nach außen gezogen wird. Wenn sich das Innere mit weniger Material verfestigt, zieht es das Äußere nach innen. Der resultierende Spannungszustand ist Spannung im Inneren und Kompression im Äußeren.

Risse breiten sich nur aus, wenn über den Riss eine Zugspannung herrscht. Liegt eine Restdruckspannung über dem Riss vor, bleibt dieser geschlossen, es sei denn, er wird unter Spannung gesetzt. Da die Druckspannung überwunden werden muss, bevor sich der Riss öffnet, ist eine größere Zugspannung erforderlich, um einen Riss durch eine vorgespannte Glaskomponente auszubreiten, als bei einer nicht vorgespannten Komponente. Wenn sich ein solcher Riss an der spannungsneutralen Oberfläche zwischen der Außenseite und der Innenseite des Bauteils vorbei ausbreitet, würde die Rissspitze aufgrund des Restspannungszustands der Innenseite unter Spannung stehen. Ein solcher Riss würde sich instabil ausbreiten, wenn alle Restspannungen freigesetzt werden, was zu einer Explosion von Glassplittern führt, da sich alle von der ungleichmäßigen Spannungsverteilung elastisch erholen.

Aus alledem sollte ersichtlich sein, dass eine "perfekt" kugelförmige, getemperte Glaskomponente theoretisch möglich ist, da es nur erforderlich ist, dass die Außenseite des Glases schneller abkühlt als die Innenseite, um die erforderliche ungleichmäßige Spannungsverteilung zu erhalten. unter Beibehaltung der gewünschten Form. Eine Kombination aus Schwerkraft und Viskosität ist die Ursache für den Schwanz eines traditionellen Prince Rupert-Tropfens. Daher kann das Entfernen jeder dieser Komponenten, beispielsweise mit einem Tropfen, der im freien Fall durch die Entspannung eines "schwebenden" Glaskörpers durch die freie Oberflächenspannung gebildet wird, zu einer Kugel aus viskosem Glas führen. Die Entspannung kann lange dauern und das Glas muss die ganze Zeit dickflüssig bleiben. Der nächste Schritt besteht darin, die Kugel schnell abzukühlen, ohne ihre Form zu stören, was zugegebenermaßen schwierig ist. Das Besprühen mit Flüssigkeiten würde Wellen in der Oberfläche verursachen, und das Untertauchen würde ein infinitesimal langsames Bewegen erfordern, was die falsche Art der ungleichmäßigen Spannungsverteilung zur Folge hätte. Es mag ausreichen, es dem Vakuum des Weltraums auszusetzen, aber ich habe keine Berechnungen für den Strahlungswärmeverlust durchgeführt.

Der gewünschte Aufbau wäre wahrscheinlich ein Strahlungsofen im Vakuum des Weltraums mit einem darin schwebenden Glasklumpen ohne Relativgeschwindigkeit. Der Ofen schmilzt das Glas, das sich zu einer Kugel entspannt. Der Ofen wird ausgeschaltet, die Tür geöffnet und der Ofen bewegt sich schnell von der Kugel weg. Die Kugel strahlt Strahlung aus und kühlt die Oberfläche schneller ab als das Innere (wie wir hoffen), und das Glas wird gehärtet, was zu einem Space Drop von Prince Rupert führt.

Ich denke, der Schwanz entsteht durch das Fallenlassen des Glases. Im Video löst sich das geschmolzene Glas vom Rest des Klumpens und dehnt sich aus - wie Silly Putty oder geschmolzener Mozzarella. Ich gehe davon aus, dass Sie den Schwanz zumindest verkürzen könnten, indem Sie das klebrige Glas zerschneiden - aber es besteht die Möglichkeit, dass das Ergebnis beim Abkühlen explodiert, wie in nivags Kommentar vorgeschlagen.

Ausreichend sphärische Glaskugeln wären ziemlich schwierig. Vielleicht könnte man es mit dem tun Shot Tower- Konzept oder einer Art Spritzgussverfahren gemacht werden.

Es wurde zuvor festgestellt, dass eine "perfekte" Sphäre in Bezug auf Technik oder Fertigung nicht existieren kann. Lassen Sie uns die Frage beantworten, indem wir Kleinigkeiten ignorieren. Der Tropfen eines Prinzen Rupert ist so dickflüssig, dass das geschmolzene Glas von Ihrem Stab in einen Eimer mit Wasser tropft und das Glas schnell genug abkühlt, um eine hohe innere Spannung zu erzeugen.

Selbst wenn Sie die Rute schnell drehen würden, um keinen langen Schwanz zu haben, würde noch etwas dünnes Ziehen vorhanden sein und einen Schwanz bilden. Es mag klein sein, aber es wäre immer noch da. Wenn Sie daran interessiert sind, es sphärischer zu machen, könnten Sie sich überlegen, das hintere Ende abzurasieren, aber wie Sie wissen, führt ein einzelner Einschnitt oder eine Störung des hinteren Endes zu einer massiven Glasexplosion.

Nehmen wir an, Sie haben die Rute so gedreht (in einer magischen Welt), dass es keinen Schwanz gab. Dann hätten Sie keinen Prince Rupert's Drop!

Die Antwort auf Ihre Frage lautet Nein. Es ist nicht möglich, einen kugelförmigen Prince Rupert-Tropfen zu erzeugen, da entweder das Glas explodieren würde oder Sie einfach nicht den Tropfen haben, den Sie gesucht haben.

Was ist damit? Erstellen Sie den Tropfen wie gewohnt, aber verwenden Sie das heißeste Wasser, das Sie können, um die Erzeugung der Spannungen zu verlangsamen, die natürlich noch auftreten werden. Hier ist der entscheidende Schritt ...... Verringern Sie die Wassertiefe durch Experimentieren und lassen Sie den Tropfen schließlich direkt an der Wasseroberfläche ab, wodurch die Länge des Schwanzes in gewissem Maße verringert oder praktisch beseitigt werden sollte. In Anbetracht des halbgewichtlosen Zustands im Wasser wird der Tropfen mit einer viel geringeren Geschwindigkeit fallen. Eine andere zu berücksichtigende Sache wäre, den Tropfen kurz bevor er fällt zu schneiden. Durch das Abschneiden des Tropfens kurz vor dem Herunterfallen wird der Schwanz, der viel schneller als der Kopf abkühlt, praktisch beseitigt, und der Kopf mit seinen inneren Spannungen wird nicht durch den spröden Schwanz gefährdet.

Vielleicht könnten Sie im freien Fall einen Sphäroid aus geschmolzenem Glas formen und ihn dann mit einem kalten Gas abschrecken.

Ich schlage vor, ein kaltes Gas anstelle einer Flüssigkeit zu verwenden, da man es im freien Fall nicht in eine Flüssigkeit "fallen lassen" kann. Wenn man es schnell genug mit einer Flüssigkeit bespritzt, um das Äußere schnell einzufrieren, würde dies wahrscheinlich asymmetrische Kräfte verursachen, die die Kugel verzerren würden. wohingegen ein Gas auf alle Seiten den gleichen Druck ausüben würde. Es müsste ein sehr kaltes Gas sein! Ich weiß nicht, ob ein schweres Gas wie Argon die Wärmeleitung erhöht oder etwas wie Wasserstoff oder Helium besser funktioniert.

Der Schwanz scheint kein notwendiges Merkmal zu sein. Mir scheint, es wird vor dem Abschrecken durch die Viskosität des tropfenden Glases gebildet, nicht durch den Durchgang durch das Wasser. Der Schwanz wird nicht schnell aus dem Tropfen schnell abkühlenden Glases herausgedrückt. Es ist bereits vorhanden, wird durch Gravitation / Dehnung vor dem Abschrecken gebildet und kühlt nur in dieser Schwanzform ab.

Es ist keine perfekte Kugel, aber so nah wie ich gekommen bin.

Im erhitzten Strahl suspendieren und dann fallen lassen. Getan.

Sie müssen das Klima sorgfältig kontrollieren, zu heiß und es fliegt auseinander.

Nun, vergiss die "perfekte" Kugel, aber ich verstehe nicht, warum sie nicht in irgendeiner Form hergestellt werden konnte. Sie müssen nur die Außenseite schnell abkühlen. Ich scheine mich zu erinnern, dass Pyrex auf diese Weise hergestellt wird, mit eingebauten Spannungen. Aber ich konnte keinen Link finden. Dies kann hilfreich sein.

Nachdem sich die Außenseite eines Prince Rupert-Tropfens verfestigt hat, zieht er sich schnell zusammen. Wenn das Glas während dieses Vorgangs nirgends hineingelangen kann, wird die Außenseite stark gespannt, was praktisch garantiert, dass es reißt sofort, aber wenn alle zerbrochenen Glasstücke mit noch geschmolzenem Glas in Berührung kommen, bleibt das Gesamtstück intakt). Während es möglich ist, Glas langsam genug abzukühlen, um ein Reißen zu verhindern, verringert eine ausreichende Verringerung der Spitzenzuglast, um ein Reißen zu verhindern, auch den Betrag, um den eine solche Last in Richtung auf eine Druckbelastung verschoben werden kann.

Diese Schwierigkeit kann überwunden werden, indem das Glas relativ langsam ins Wasser gesenkt wird (der Schwanz ist immer noch an der Stange befestigt, von der es stammt). Dies bedeutet, dass während ein Teil der Außenseite des Glases erstarrt ist und sich zusammenzieht, das flüssige Glas in der Mitte während des größten Teils dieser Kontraktion einen kontinuierlichen Weg des flüssigen Glases aufweist, der sich aus dem Wasser heraus erstreckt.

Irgendwann wird das Glas, das ins Wasser gelangt, so dünn sein, dass flüssiges Glas nicht mehr durch die Mitte fließen kann, aber bis dahin werden sich die größeren Teile des Glases fast so stark zusammengezogen haben, wie sie werden Daher ist die Menge an flüssigem Glas, die noch verdrängt werden müsste, um Spannungen zu vermeiden, ziemlich gering, und die Menge an Spannung, die durch die Unfähigkeit erzeugt wird, noch mehr flüssiges Glas aus dem Inneren zu verdrängen, ist ebenfalls gering. Wenn der Bereich des Glases, der dick genug ist, um einen Flüssigkeitsfluss durch die Mitte zu ermöglichen, den Bereich überlappt, der dünn genug ist, um ein Brechen beim Abkühlen zu vermeiden, kann der Tropfen ohne vorzeitiges Versagen auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Ein einheitlicher kugelförmiger Fleck jedoch

Kein Schwanz in der Schwerelosigkeit. Solange das Material in einer erhitzten Umgebung aufbewahrt wird, hätte man eine "nahezu perfekte" Kugel, solange Druck und Temperatur sowie die Abwesenheit der Schwerkraft konstant sind. Das Abkühlen würde zu ähnlichen gleichmäßigen Spannungen führen wie der Rupert-Tropfen, obwohl die Wirkung des Schwanzes fehlen würde. Jede Verzerrung würde zu einem "Fehler" führen und die gleichmäßige Spannung beeinflussen, und der Rupert-Tropfen-Effekt würde nicht existieren. In einer perfekten Idee Sie würden mit einer "yourname" Kugel enden.