완전히 구형 인 프린스 루퍼트의 드롭을 만들 수 있습니까?

프린스 루퍼트의 방울 은 녹은 유리를 찬물에 적셔서 만든 유리 물체입니다. 드롭의 외부가 빨리 식히는 동안 내부는 오랫동안 더운 상태를 유지합니다. 결국 냉각되면 수축하여 표면에 매우 큰 압축 응력을 설정합니다.

결과적으로 일종의 강화 유리가 사용됩니다. 드롭 헤드를 손상시키지 않고 망치질 수 있지만 꼬리가 긁 히면 폭발적으로 분해됩니다. 이 비디오를 확인하십시오 .

그렇다면 구형 프린스 루퍼트 방울을 만들 수 있습니까? 그렇다면 어떻게? 응용 분야의 한 예는 전통적인 볼 베어링 구를 대체하는 것입니다. 내마모성 및 허용 가능한 최대 하중이 개선 될 것이며, 유리 구는 어쨌든 비용이 적게 듭니다.

프린스 루퍼트의 방울은 강화 실리카 유리 구성 요소의 예입니다. 표면은 내부보다 빠르게 냉각되었습니다. 유리의 템퍼링은 유리에 견고 함을 부여하기 때문에 중요합니다. 즉, 하중 하에서 파괴에 저항하는 능력이 있는데, 이는 망치로 낙하가 타격을 받아 생존 할 수있는 이유를 설명합니다. 다른 세라믹 재료와 마찬가지로 실리카 유리는 파단 강도가 응력 상태를 초과 할 때 불안정한 균열 전파를 나타냅니다. 대부분의 합금과 달리 세라믹은 소성 변형이 거의 없거나 전혀 없습니다. 탄성 한계에 도달하면 골절됩니다. 따라서 실리카 유리 구성 요소에 너무 딱딱한 응력을 가하면 한 번에 빠르게 파괴됩니다.

유리 구성 요소는 구성 요소에 불균일 한 잔류 응력 분포가 있도록 외부보다 내부보다 더 빠르게 냉각함으로써 템퍼링 될 수있다. 구체적으로, 외부가 먼저 고화되기 때문에, 밀도가 증가하고 부피가 먼저 감소하여 내부로부터 외부로 물질을 끌어 당긴다. 그런 다음 내부가 덜 남은 재료로 고형화되면 외부로 안쪽으로 당깁니다. 결과적인 응력 상태는 내부의 장력과 외부의 압축입니다.

균열은 균열에 걸쳐 인장 응력이있을 때만 전파됩니다. 균열을 가로 질러 잔류 압축 응력이있는 경우, 응력이 가해지지 않으면 닫히지 않습니다. 압축 응력은 균열이 열리기 전에 극복되어야하기 때문에, 강화되지 않은 성분보다 강화 된 유리 성분을 통해 균열을 전파하기 위해서는 더 큰 인장 응력이 필요하다. 그러한 균열이 부품의 외부와 내부 사이의 중성 응력 표면을지나 전파되면, 균열 팁은 내부의 잔류 응력 상태로 인해 장력을 받게된다. 이러한 균열은 모든 잔류 응력이 방출됨에 따라 불안정한 방식으로 전파되기 시작하여 유리 파편이 폭발하여 불균일 응력 분포로부터 탄성 회복됩니다.

이 모든 것으로부터, 요구되는 불균일 한 응력 분포를 얻기 위해 유리의 외부가 내부보다 더 빠르게 냉각 될 필요가 있기 때문에 "완전히"구형의 강화 유리 성분이 이론적으로 가능하다는 것이 명백해야한다. 원하는 모양을 유지하면서. 중력과 점도의 조합은 전통적인 프린스 루퍼트 강하에서 꼬리의 원인입니다. 따라서, "플로팅 (floating)"유리 덩어리의 자유 표면 표면 장력 완화에 의해 자유 낙하에서 형성된 낙하와 같은 각 성분을 제거하면 점성의 유리 구체가 될 수있다. 이완에는 시간이 오래 걸릴 수 있으며 유리는 항상 점성을 유지해야합니다. 다음 단계는 모양을 방해하지 않고 구를 빠르게 냉각시키는 것인데, 이는 어려운 일입니다. 유체를 분무하면 표면에 파문이 생길 수 있으며 침수시 표면을 무한정 천천히 움직여야하므로 잘못된 종류의 불균일 한 응력 분포가 발생합니다. 그것을 공간의 진공에 노출시키는 것만으로도 충분할 수 있지만 방사 열 손실에 대한 계산은하지 않았습니다.

원하는 설정은 공간 속도의 진공 오븐에서 상대적 속도가없는 유리 덩어리가 떠있는 방사 오븐 일 것입니다. 오븐은 유리를 녹여 구체로 이완합니다. 오븐이 꺼지고 문이 열리고 오븐이 구에서 빠르게 멀어집니다. 구는 방사선을 방출하여 내부보다 표면을 더 빨리 냉각 시키며 (또는 우리가 희망하는 것) 유리는 강화되어 프린스 루퍼트의 우주 방울이됩니다.

유리를 떨어 뜨린 결과로 꼬리가 형성된다고 생각합니다. 비디오에서 용융 유리는 나머지 덩어리와 분리되어 Silly Putty 또는 용융 모짜렐라 치즈와 같이 늘어납니다. 나는 끈적 끈적한 유리를 잘라서 꼬리를 적어도 줄일 수 있다고 기대하지만 nivag의 의견에서 제안한 것처럼 냉각시 결과가 폭발 할 가능성이 있습니다.

충분히 구형 유리 볼은 꽤 어려울 것입니다. 샷 타워 개념 또는 어떤 종류의 성형 방법을 사용하여 수행 할 수 있습니다 .

"완벽한"영역은 엔지니어링이나 제조 측면에서 존재할 수 없지만 사소한 것을 무시하고 질문에 대답합시다. 프린스 루퍼트 (Prince Rupert)의 낙하물은 용융 유리가 막대에서 물통으로 떨어질 수있을 정도로 점성이있어서 유리가 빠르게 냉각되어 내부 장력이 많이 발생하여 깨지지 않는 눈물을 흘리는 결과를 초래합니다.

긴 꼬리가 없도록 막대를 빠르게 돌리더라도 약간의 끌기가 여전히 존재하고 꼬리를 만듭니다. 작을 지 모르지만 여전히있을 것입니다. 구를 더 구형으로 만들고 싶다면 꼬리 끝을 깎아내는 것으로 생각할 수 있지만, 꼬리 끝이 하나의 흠이나 교란으로 인해 유리 폭발이 발생합니다.

꼬리가 없도록 마법의 세계에서 막대를 회전 시켰다고 가정 해 봅시다. 그렇다면 당신은 프린스 루퍼트의 드롭이 없을 것입니다!

귀하의 질문에 대한 대답은 아니오입니다. 유리가 폭발하거나 원하는 물방울이 없기 때문에 구형 프린스 루퍼트 방울을 만들 수 없습니다.

이건 어때? 평소와 같이 방울을 만들지 만, 여전히 발생하는 스트레스 생성을 늦추기 위해 가장 뜨거운 물을 사용하십시오. 여기에 중요한 단계가 있습니다 ... 실험으로 물의 깊이를 줄이고 마지막으로 수면에서 물방울을 놓아 어느 정도 꼬리의 길이를 줄이거 나 실제로 제거해야합니다. 물의 반 무게 상태를 고려하면 하락률이 훨씬 감소합니다. 고려해야 할 또 다른 사항은 떨어 뜨리기 직전에 떨어 뜨리는 것입니다. 방울이 떨어지기 직전에 떨어 뜨리면 머리보다 훨씬 빨리 냉각되는 꼬리가 실질적으로 제거되므로 내부 응력이있는 머리가 부서지기 쉬운 꼬리에 의해 위협받지 않습니다.

아마도 자유 낙하에서 녹은 유리의 회전 타원체를 형성 한 다음 차가운 가스로 냉각시킬 수 있습니다.

자유 낙하에서 액체에 액체를 떨어 뜨릴 수 없기 때문에 액체 대신 차가운 가스를 제안하고 외부를 빠르게 얼릴 수있을 정도로 빠르게 액체로 액체를 튀기면 구를 왜곡시키는 비대칭적인 힘이 필요할 수 있습니다. 가스는 모든면에서 동일한 압력을가합니다. 매우 차가운 가스 여야합니다! 아르곤과 같은 무거운 가스가 열전도를 증가시키는 지 또는 수 소나 헬륨과 같은 것이 더 잘 작동하는지 모르겠습니다.

꼬리는 필요한 기능처럼 보이지 않습니다. 물을 통과하는 것이 아니라 물이 떨어지는 유리의 점도에 의해 담금질 전에 형성되는 것 같습니다. 꼬리는 빠르게 냉각되는 유리 덩어리에서 빠르게 압출되지 않습니다. 담금질 전에 중력 / 스트레칭으로 이미 형성되어 있으며 꼬리 모양으로 식습니다.

그것은 완벽한 구체는 아니지만 내가 얻은 것만 큼 가깝습니다.

가열 된 제트에서 정지 한 다음 떨어 뜨립니다. 끝난.

온대를 조심스럽게 통제해야하는데 너무 뜨겁고 날아갑니다.

"완벽한"구체를 잊어 버리십시오. 그러나 그것이 어떤 형태로도 만들어 질 수없는 이유는 모르겠습니다. 외부를 빨리 식히십시오. pyrex가 내장 스트레스로 이런 식으로 만들어 졌다는 것을 기억하는 것 같습니다. 그러나 나는 링크를 찾을 수 없었습니다. 도움 이 될 수 있습니다.

프린스 루퍼트 (Prince Rupert) 외부가 굳어지면 금방 수축됩니다. 이 과정에서 내부에 유리가 갈 곳이 없으면 외부에 상당한 장력이 가해져 실질적으로 균열이 발생 함을 보장합니다. 그러나 금이 간 유리 조각이 여전히 녹은 유리와 접촉하면 전체 조각이 그대로 유지됩니다. 균열을 방지하기 위해 유리를 천천히 식힐 수 있지만 균열을 방지하기 위해 최대 인장 하중을 줄이면 그러한 하중이 압축 될 수있는 양도 줄어 듭니다.

이 어려움은 유리를 물로 비교적 천천히 낮추면 극복 할 수 있습니다 (꼬리는 여전히 막대에 붙어 있습니다). 이렇게하면 유리 외부의 일부가 고형화되고 수축되는 반면, 중간의 액체 유리는이 수축의 대부분 동안 물 밖으로 연장되는 액체 유리의 연속 경로를 갖게됩니다.

어떤 시점에서 물에 들어가는 유리는 너무 얇아서 액체 유리가 더 이상 중앙을 통과 할 수 없지만 시간이지나면서 유리의 대부분이 거의 다 수축하게됩니다 따라서 장력 생성을 피하기 위해 변위해야 할 액체 유리의 양은 매우 적을 것이므로, 더 이상 액체 유리를 내부에서 변위 할 수 없기 때문에 발생하는 장력의 양도 마찬가지로 작습니다. 중심을 통한 액체 흐름을 허용하기에 충분히 두꺼운 유리의 영역이 냉각 될 때 파손되는 것을 피하기에 충분히 얇은 영역과 겹치는 경우, 낙하는 조기 고장없이 실온으로 냉각 될 수있다. 그러나 균일 한 구형 얼룩

무중력 꼬리가 없습니다. 재료가 가열 된 환경에서 유지되는 한 압력과 온도 및 중력이 일정하지 않은 한 "거의 완벽한"구를 갖게됩니다. 테일의 효과가 없어지더라도 냉각은 루퍼트의 드롭과 유사한 균일 한 응력을 초래할 수 있습니다. , "yourname"영역으로 끝납니다.