Можно ли построить идеально сферическую каплю принца Руперта?

Капли принца Руперта - это стеклянные предметы, созданные капанием расплавленного стекла в холодную воду. В то время как внешняя часть капли быстро остывает, внутренняя часть остается горячей в течение более длительного времени. Когда он в конечном итоге остывает, он сжимается, создавая очень большие сжимающие напряжения на поверхности.

В результате получается своего рода закаленное стекло: вы можете забить головку капли, не повредив ее, но царапина на хвосте приводит к взрывному распаду. Проверьте это видео.

Итак, возможно ли построить сферические капли принца Руперта? И если да, то как? Одним из примеров применения является замена традиционных шарикоподшипниковых сфер. Будут улучшены износостойкость и максимально допустимые нагрузки, а стеклянная сфера в любом случае будет стоить дешевле.

Капли принца Руперта являются примером компонента из закаленного кварцевого стекла: его поверхность охлаждалась быстрее, чем его внутренняя часть. Закалка стекол важна, потому что она придает стеклу прочность, то есть способность противостоять разрушению под нагрузкой, что объясняет, почему каплю можно ударить молотком и выжить. Кремнеземистое стекло, как и другие керамические материалы, проявляет нестабильное распространение трещин, когда его прочность на разрыв превышает напряженное состояние. В отличие от большинства сплавов, керамика проявляет очень небольшую пластическую деформацию или ее нет. Когда они достигают своего предела упругости, они разрушаются. Поэтому, если вы слишком сильно напрягаете компонент из кварцевого стекла, он быстро и сразу разрушается.

Стеклянный компонент может быть отпущен путем охлаждения его наружной части быстрее, чем его внутренняя часть, так что существует неравномерное распределение остаточных напряжений в компоненте. В частности, поскольку внешняя поверхность затвердевает первой, ее плотность увеличивается, а сначала уменьшается объем, вытягивая материал наружу из внутренней части. Затем, когда внутренняя часть затвердевает с меньшим количеством оставшегося материала, она тянет внутрь внутрь. Результирующее напряженное состояние - это напряжение внутри и сжатие снаружи.

Трещины распространяются только при наличии растягивающего напряжения на трещине. Если на трещину возникнет остаточное напряжение сжатия, оно останется закрытым, если только оно не будет напряженным. Поскольку сжимающее напряжение должно быть преодолено до раскрытия трещины, для распространения трещины через закаленное стекло требуется большее растягивающее напряжение, чем у закаленного компонента. Если бы такая трещина распространялась мимо поверхности с нейтральным напряжением между наружной и внутренней частью компонента, наконечник трещины находился бы в напряжении из-за остаточного напряженного состояния внутренней части. Такая трещина начнет распространяться нестабильно, так как все остаточные напряжения снимаются, что приводит к взрыву осколков стекла, поскольку все они подвергаются упругому восстановлению от неравномерного распределения напряжений.

Из всего этого должно быть очевидно, что теоретически возможен «идеально» сферический элемент из закаленного стекла, поскольку требуется только, чтобы внешняя поверхность стекла остывала быстрее, чем внутренняя, чтобы получить требуемое неравномерное распределение напряжений, сохраняя желаемую форму. Комбинация силы тяжести и вязкости - причина хвоста в традиционной капле Принца Руперта. Следовательно, удаление каждого из этих компонентов, например, с помощью капли, образованной при свободном падении путем релаксации поверхностного натяжения на свободной поверхности «плавающего» шарика стекла, может привести к образованию сферы вязкого стекла. Релаксация может занять много времени, и стекло должно оставаться вязким все время. Следующим шагом будет быстрое охлаждение сферы без нарушения ее формы, что, по общему признанию, сложно. Опрыскивание его жидкостями может вызвать рябь на поверхности, а погружение в воду потребует его бесконечно медленного перемещения, что приведет к неправильному виду неравномерного распределения напряжений. Может оказаться достаточным подвергнуть его воздействию космического вакуума, но я не провел никаких расчетов потерь тепла.

Желаемой установкой, вероятно, была бы печь для излучения в космическом вакууме с плавающим в нем шариком стекла без относительной скорости. Духовка плавит стекло, которое расслабляется в сферу. Духовка выключена, дверь открыта, и печь быстро отодвигается от сферы. Сфера испускает излучение, охлаждая поверхность быстрее, чем внутренность (или, как мы надеемся), и стекло закаляется, что приводит к космическому падению принца Руперта.

Я думаю, что хвост образуется в результате падения стекла. В видео расплавленное стекло отделяется от остальной части комка и растягивается - как Глупая Замазка или расплавленный сыр моцарелла. Я ожидаю, что вы могли бы по крайней мере укоротить хвост, разрезая клейкое стекло - но есть вероятность, что результат взорвется при охлаждении, как предложено в комментарии Нивага.

Достаточно сферические стеклянные шарики были бы довольно сложными. Может быть, это можно сделать, используя концепцию башни выстрела , или какой-то метод литья.

Ранее было заявлено, что «идеальная» сфера не может существовать с точки зрения техники или производства, но, игнорируя мелочи, давайте ответим на вопрос. Капля принца Руперта такова, что расплавленное стекло является достаточно вязким, чтобы выпасть из стержня в ведро с водой, в результате чего стекло достаточно быстро остынет, чтобы создать высокое внутреннее напряжение, что вызывает знаменитый эффект создания не разбиваемой слезинки.

Даже если бы вам нужно было быстро вращать удочку, чтобы не иметь длинного хвоста, некоторые тонкие перетаскивания все равно существуют и образуют хвост. Это может быть маленьким, но это все еще будет там. Если вы заинтересованы в том, чтобы сделать его более сферическим, вы могли бы подумать, чтобы сбрить хвостовую часть, но, как вы знаете, один надрез или помеха в хвостовой части приводит к взрыву твердого стекла.

Допустим, вы крутили удочку таким образом (в волшебном мире), чтобы не было хвоста. Тогда у тебя не будет капли принца Руперта!

Ответ на ваш вопрос - нет, невозможно сделать сферическую каплю принца Руперта, потому что либо стекло взорвется, либо у вас просто не будет той капли, которую вы искали.

Как насчет этого. Создайте каплю как обычно, но используйте самую горячую воду, какую только можете, чтобы замедлить возникновение стрессов, которые, конечно же, будут возникать. Вот критический шаг - экспериментально уменьшите глубину воды и, наконец, выпустите каплю прямо на поверхности воды, которая должна, в некоторой степени, уменьшить длину хвоста или практически устранить ее. Капля будет падать с гораздо меньшей скоростью, учитывая полувеские условия в воде. Еще одна вещь, которую стоит рассмотреть, - обрезать каплю перед тем, как она упадет. Подрезая каплю непосредственно перед тем, как она упадет, хвост, который остывает намного быстрее, чем голова, практически исключается, и поэтому хрупкому хвосту голова с его внутренними напряжениями не угрожает.

Возможно, вы могли бы сформировать сфероид из расплавленного стекла в свободном падении, а затем погасить его холодным газом.

Я предлагаю холодный газ вместо жидкости, потому что вы не можете «бросить» его в жидкость при свободном падении, и разбрызгивание его жидкостью достаточно быстро, чтобы быстро заморозить внешнюю поверхность, вероятно, будет включать асимметричные силы, которые искажают сферу, в то время как газ будет оказывать одинаковое давление со всех сторон. Это должен быть очень холодный газ! Я не знаю, может ли тяжелый газ, такой как аргон, увеличить теплопроводность, или что-то вроде водорода или гелия, может работать лучше.

Хвост не кажется необходимой особенностью. Мне кажется, он образовался до гашения из-за вязкости капающего стекла, а не прохода через воду. Хвост не быстро выдавливается из капли быстро остывающего стекла; он уже присутствует, образованный гравитацией / растяжением до гашения, и просто остывает в форме этого хвоста.

Это не идеальная сфера, но так близко, как я получил.

Приостановить в нагретой струе, затем уронить. Выполнено.

Вы должны тщательно контролировать температуру, слишком жарко, и она разлетается на части.

Ну, забудьте про «идеальную» сферу, но я не понимаю, почему она не может быть сделана в любой форме. Вам просто нужно быстро остыть снаружи. Кажется, я помню, что пирекс сделан таким образом, со встроенными стрессами ... но я не смог найти ссылку. Это может быть полезно.

После того как капля принца Руперта затвердеет, она быстро сократится. Во время этого процесса, если некуда стекать внутрь, это приведет к значительному натяжению внешней стороны, что практически гарантирует его растрескивание (хрустальное стекло образуется при кратковременном охлаждении всего кусочка стекла; внешний слой растрескивается) немедленно, но если все осколки стекла находятся в контакте со стеклом, которое все еще находится в расплавленном состоянии, вся деталь останется нетронутой). Хотя можно охлаждать стекло достаточно медленно, чтобы предотвратить растрескивание, снижение пиковой растягивающей нагрузки в достаточной степени, чтобы предотвратить растрескивание, также уменьшит величину, на которую такая нагрузка может быть смещена в сторону сжатия.

Эту трудность можно преодолеть, опуская стакан относительно медленно в воду (хвост все еще прикреплен к стержню, из которого он вышел). Это будет означать, что в то время как часть внешней стороны стекла затвердела и сжимается, жидкое стекло в середине будет, в течение большей части этого сокращения, иметь непрерывный путь жидкого стекла, который выходит из воды.

В какой-то момент стекло, попадающее в воду, будет настолько тонким, что жидкое стекло больше не сможет протекать через центр, но к тому времени, когда это произойдет, большие части стекла сжимаются почти так же, как и они. таким образом, количество жидкого стекла, которое все еще необходимо сместить, чтобы избежать создания натяжения, будет довольно небольшим, и поэтому величина напряжения, вызванного невозможностью вытеснить еще какое-либо жидкое стекло изнутри, также будет небольшой. Если область стекла, которая является достаточно толстой, чтобы позволить потоку жидкости проходить через центр, перекрывает область, которая является достаточно тонкой, чтобы избежать разбивания при охлаждении, каплю можно охладить до комнатной температуры без преждевременного выхода из строя. Однородная сферическая капля, однако,

Нет хвоста в невесомости. Пока материал поддерживается в нагретой среде, у вас будет «почти идеальная» сфера, если давление и температура и отсутствие гравитации постоянны. Охлаждение приводило бы к таким же равномерным напряжениям, что и падение Руперта, хотя эффект хвоста отсутствовал бы. Любое искажение приводило бы к «недостатку» и влияло на равномерное напряжение, и эффект падения Руперта не существовал. Идеальная идея , вы бы в конечном итоге сферой "ваше имя".