¿Es posible construir una caída perfectamente esférica del Príncipe Rupert?

Las gotas del príncipe Rupert son objetos de vidrio creados por goteo de vidrio fundido en agua fría. Mientras que el exterior de la gota se enfría rápidamente, el interior permanece caliente durante más tiempo. Cuando finalmente se enfría, se encoge, creando tensiones de compresión muy grandes en la superficie.

El resultado es una especie de vidrio templado: puede martillar la cabeza de caída sin dañarla, pero un rasguño en la cola conduce a una desintegración explosiva. Mira este video.

Entonces, ¿es posible construir las gotas esféricas del Príncipe Rupert? Y si es así, ¿cómo? Un ejemplo de una aplicación es como reemplazo de las esferas tradicionales con rodamientos de bolas. Habrá mejoras en la resistencia al desgaste y cargas máximas tolerables, y una esfera de vidrio costaría menos de todos modos.

Las gotas del Príncipe Rupert son un ejemplo de un componente de vidrio de sílice templado: su superficie se ha enfriado más rápidamente que su interior. El templado de los vidrios es importante porque le da resistencia al vidrio, es decir, la capacidad de resistir fracturas bajo carga, lo que explica por qué una gota puede golpearse con un martillo y sobrevivir. El vidrio de sílice, como es común con otros materiales cerámicos, exhibe una propagación de grietas inestable cuando su resistencia a la fractura es superada por su estado de tensión. A diferencia de la mayoría de las aleaciones, la cerámica exhibe muy poca o ninguna deformación plástica. Cuando alcanzan su límite elástico se fracturan. Entonces, si estresas demasiado fuerte un componente de vidrio de sílice, se fractura rápidamente y todo de una vez.

Un componente de vidrio puede templarse enfriando su exterior más rápidamente que su interior para que haya una distribución de tensión residual no uniforme en el componente. Específicamente, debido a que el exterior se solidifica primero, su densidad aumenta y el volumen disminuye primero, arrastrando el material hacia afuera desde el interior. Luego, a medida que el interior se solidifica con menos material restante, tira hacia adentro del exterior. El estado de tensión resultante es la tensión en el interior y la compresión en el exterior.

Las grietas solo se propagan cuando hay una tensión de tensión a través de la grieta. Si hay una tensión de compresión residual a través de la grieta, permanecerá cerrada a menos que esté bajo tensión. Debido a que el esfuerzo de compresión debe superarse antes de que se abra la grieta, se necesita un mayor esfuerzo de tracción para propagar una grieta a través de un componente de vidrio templado que un componente no templado. Si dicha grieta se propagara más allá de la superficie de tensión neutral entre el exterior y el interior del componente, la punta de la grieta estaría en tensión debido al estado de tensión residual del interior. Tal grieta comenzaría a propagarse de manera inestable a medida que se liberan todas las tensiones residuales, lo que da como resultado una explosión de fragmentos de vidrio, ya que todas ellas experimentan una recuperación elástica de la distribución de tensiones no uniforme.

De todo esto, debería ser evidente que un componente de vidrio templado "perfectamente" esférico es teóricamente posible, ya que solo se requiere que el exterior del vidrio se enfríe más rápidamente que el interior para obtener la distribución de tensión no uniforme requerida, manteniendo la forma deseada. Una combinación de gravedad y viscosidad es la causa de la cola en una caída tradicional del Príncipe Rupert. Por lo tanto, la eliminación de cada uno de esos componentes, como con una caída formada en caída libre por la relajación de la tensión superficial de la superficie libre de una gota de vidrio "flotante", puede dar como resultado una esfera de vidrio viscoso. La relajación puede llevar mucho tiempo y el vidrio debe mantenerse viscoso todo el tiempo. El siguiente paso es enfriar la esfera rápidamente sin alterar su forma, lo cual es ciertamente difícil. Rociarlo con fluidos causaría ondas en la superficie, y la inmersión requeriría moverlo infinitamente lentamente, lo que causaría el tipo incorrecto de distribución de tensión no uniforme. Exponerlo al vacío del espacio puede ser suficiente, pero no he hecho ningún cálculo de la pérdida de calor radiada.

La configuración deseada probablemente sería un horno de radiación en el vacío del espacio, con una gota de vidrio flotando en él, sin velocidad relativa. El horno derrite el vidrio, que se relaja en una esfera. El horno se apaga, la puerta se abre y el horno se aleja rápidamente de la esfera. La esfera emite radiación, enfriando la superficie más rápidamente que el interior (o eso esperamos), y el vidrio se templa, lo que resulta en una caída espacial del Príncipe Rupert.

Creo que la cola se forma como resultado de la caída del vidrio. En el video, el vidrio fundido se separa del resto del bulto y se estira, como la Masilla Silly o el queso mozzarella fundido. Espero que al menos puedas acortar la cola cortando el vidrio pegajoso, pero existe la posibilidad de que el resultado explote al enfriarse, como se sugiere en el comentario de nivag.

Bolas de cristal suficientemente esféricas serían bastante difíciles. Tal vez podría hacerse utilizando el concepto de torre de tiro , o algún tipo de método de moldeo.

Se dijo anteriormente que una esfera "perfecta" no puede existir en términos de ingeniería o fabricación, pero ignorando las trivialidades, respondamos la pregunta. La caída de un príncipe Rupert es tal que el vidrio fundido es lo suficientemente viscoso como para caerse de la caña y entrar en un balde de agua, lo que hace que el vidrio se enfríe lo suficientemente rápido como para crear grandes cantidades de tensión interna, lo que causa el famoso efecto de hacer una lágrima irrompible.

Incluso si girara la varilla rápidamente para no tener una cola larga, todavía existiría un poco de arrastre y formaría una cola. Puede ser pequeño, pero aún estaría allí. Si estaba interesado en hacerlo más esférico, podría pensar en afeitarse el extremo de la cola, pero como sabe, un solo corte o perturbación del extremo de la cola da como resultado una explosión de vidrio sólido.

Digamos que giró la vara de una manera (en un mundo mágico) para que no hubiera cola. ¡Entonces no tendrías una gota del Príncipe Rupert!

La respuesta a su pregunta es no, no es posible hacer una caída esférica del Príncipe Rupert porque el vidrio explotaría o simplemente no tiene la gota que estaba buscando.

¿Qué hay de esto? Cree la gota como de costumbre, pero use el agua más caliente que pueda para retrasar la creación de las tensiones que, por supuesto, aún ocurrirán. Aquí está el paso crítico ... disminuya la profundidad del agua con la experimentación y finalmente, suelte la gota directamente en la superficie del agua que, en cierta medida, debería reducir la longitud de la cola o prácticamente eliminarla. La caída caerá a un ritmo muy reducido considerando la condición semi-ingrávida del agua. Otra cosa a considerar sería cortar la gota justo antes de que caiga. Al cortar la gota justo antes de que caiga, la cola, que se enfría mucho más rápido que la cabeza, se elimina prácticamente y, por lo tanto, la cabeza con sus tensiones internas no se ve amenazada por la cola quebradiza.

Tal vez podría formar un esferoide de vidrio fundido en caída libre y luego apagarlo con un gas frío.

Sugiero un gas frío en lugar de un líquido porque no se puede "dejar caer" en un líquido en caída libre, y salpicarlo con un líquido lo suficientemente rápido como para congelar rápidamente el exterior probablemente implicaría fuerzas asimétricas que distorsionarían la esfera, mientras que un gas ejercería la misma presión en todos los lados. ¡Tendría que ser un gas muy frío! No sé si un gas pesado como el argón aumenta la conducción térmica, o algo como el hidrógeno o el helio podría funcionar mejor.

La cola no parece una característica necesaria. Me parece que se formó antes del enfriamiento por la viscosidad del vidrio que gotea, no por el paso a través del agua. La cola no se extruye rápidamente de la gota de vidrio que se enfría rápidamente; ya está presente, formado por gravitación / estiramiento antes del enfriamiento rápido, y simplemente se enfría en esa forma de cola.

No es una esfera perfecta, pero lo más cerca que he llegado.

Suspender en chorro caliente, luego dejar caer. Hecho.

Tienes que controlar la temperatura con cuidado, demasiado calor y se desmorona.

Bueno, olvídate de la esfera "perfecta", pero no veo por qué no podría hacerse de ninguna forma. Solo tienes que enfriar el exterior rápidamente. Creo recordar que pyrex está hecho de esta manera, con tensiones incorporadas ... pero no pude encontrar un enlace. Esto puede ser útil.

Después de que el exterior de una caída del Príncipe Rupert se solidifique, se contraerá rápidamente. Durante este proceso, si no hay a dónde ir el vidrio en el interior, esto causará que el exterior esté bajo una tensión significativa, lo que prácticamente garantiza que se agrietará (el vidrio crepitante se forma al enfriar brevemente una pieza de vidrio completa; la capa exterior se agrietará); inmediatamente, pero si todas las piezas de vidrio agrietadas están en contacto con el vidrio que aún está fundido, la pieza en general permanecerá intacta). Si bien es posible enfriar el vidrio lo suficientemente lento como para evitar el agrietamiento, la reducción de la carga de tensión máxima lo suficiente como para evitar el agrietamiento también reducirá la cantidad en que dicha carga puede desplazarse hacia la compresión.

Esta dificultad se puede superar bajando el vaso relativamente lentamente al agua (la cola todavía está unida a la varilla de la que proviene). Hacer esto significará que, si bien parte del exterior del vidrio se ha solidificado y se está contrayendo, el vidrio líquido en el medio tendrá, durante la mayor parte de esta contracción, una trayectoria continua de vidrio líquido que se extiende fuera del agua.

En algún momento, el vidrio que ingresa al agua será tan delgado que ya no será posible que el vidrio líquido fluya a través del centro, pero para cuando eso suceda, las porciones más grandes del vidrio se habrán contraído casi tanto como lo harán. , por lo que la cantidad de vidrio líquido que aún necesitaría ser desplazada para evitar crear tensión será bastante pequeña, por lo que la cantidad de tensión creada por la incapacidad de desplazar más vidrio líquido desde el interior también será pequeña. Si la región del vidrio que es lo suficientemente gruesa como para permitir que el líquido fluya a través del centro se superpone a la región que es lo suficientemente delgada para evitar que se rompa cuando se enfría, la gota puede enfriarse a temperatura ambiente sin falla prematura. Sin embargo, una gota esférica uniforme

Sin cola en gravedad cero. Mientras el material se mantenga en un ambiente calentado, tendrá una esfera "casi perfecta" siempre que la presión y la temperatura y la ausencia de gravedad sean constantes. El enfriamiento daría como resultado tensiones uniformes similares a la caída de Rupert, aunque faltaría el efecto de la cola. Cualquier distorsión provocaría un "defecto" e impactaría la tensión uniforme y el efecto de caída de Rupert no existiría. En una idea perfecta , terminarías con una esfera "tu nombre".