Apakah mungkin untuk membuat drop Pangeran Rupert yang bulat sempurna?


31

Prince Rupert's Drops adalah objek kaca yang dibuat dengan meneteskan gelas cair ke dalam air dingin. Sementara bagian luar drop cepat dingin, bagian dalam tetap panas untuk waktu yang lebih lama. Ketika akhirnya dingin, menyusut, membuat tekanan tekan yang sangat besar di permukaan.

milik wikipedia

Hasilnya adalah semacam kaca yang dikeraskan: Anda dapat memukul kepala jatuhkan tanpa merusaknya, tetapi goresan pada ekornya menyebabkan disintegrasi ledakan. Lihat video ini.

Jadi, apakah mungkin untuk membuat tetes Pangeran Rupert yang bulat? Dan jika demikian, bagaimana? Salah satu contoh aplikasi adalah sebagai pengganti bola bantalan bola tradisional. Akan ada peningkatan ketahanan aus dan beban maksimum yang dapat ditoleransi, dan bagaimanapun juga, bola kaca akan lebih murah.


3
Saya benar-benar bertanya-tanya tentang efek melepaskan satu dalam air terjun (tanpa gravitasi) dan kemudian merendamnya dalam air dengan cepat.
SF.

2
Apa yang akan terjadi jika, setelah membentuk drop dan membiarkannya dingin, Anda harus memanaskan dan melelehkan ekornya - mirip dengan bagaimana blower kaca menyelesaikan potongan dengan melelehkan patahan. Apakah perubahan dalam ketegangan internal akan membuatnya hancur seolah-olah Anda telah mematahkan ekornya, atau apakah ia akan berperilaku berbeda karena perubahan yang relatif lambat pada ketegangan yang disebabkan oleh pemanasan daripada mematahkannya?
Tom

1
@ SF: Tanpa gravitasi, tidak ada terjun bebas, dan setelah melepaskan objek hanya akan tetap di tempatnya.
Olin Lathrop

1
@ Tom: Kaca di dalam ujung tetesan PR tunduk pada kombinasi gaya tarik dan tipis. Melewati beberapa titik pada ekor, kekuatan geser kaca akan cukup dengan sendirinya untuk menahan kekuatan tarik, sehingga melelehkan kaca di luar yang kemungkinan tidak akan berpengaruh. Lebih dekat ke kepala daripada itu, bagian dari kaca yang tidak lagi ditarik dari sisi ekor akan memiliki kekuatan geser yang tidak cukup untuk menahan tarikan dari kepala. Begitu satu bagian di dekat bagian luar gagal, bagian ke arah kepala di mana ketegangan melebihi kekuatan belaka oleh ...
supercat

1
... jumlah yang lebih besar juga akan gagal pada dasarnya secara instan, menyebabkan seluruh bagian meledak.
supercat

Jawaban:


15

Tetesan Pangeran Rupert adalah contoh komponen kaca silika temper: permukaannya telah didinginkan lebih cepat daripada bagian dalamnya. Tempering kacamata penting karena memberikan ketangguhan pada kaca, yaitu kemampuan untuk menahan fraktur karena beban, yang menjelaskan mengapa setetes dapat mengenai palu dan bertahan. Kaca silika, seperti yang umum dengan bahan keramik lainnya, menunjukkan perambatan retak yang tidak stabil ketika kekuatan frakturnya dilampaui oleh keadaan tegangannya. Berbeda dengan kebanyakan paduan, keramik hanya menunjukkan sedikit sekali, atau tidak ada, deformasi plastik. Ketika mereka mencapai batas elastis mereka, mereka patah. Jadi, jika Anda menekankan komponen kaca silika terlalu keras, itu patah dengan cepat dan sekaligus.

Komponen kaca dapat marah dengan mendinginkan bagian luarnya lebih cepat daripada bagian dalamnya sehingga ada distribusi tegangan sisa yang tidak seragam dalam komponen. Khususnya, karena eksterior mengeras terlebih dahulu, kepadatannya meningkat dan volume berkurang terlebih dahulu, menarik material keluar dari interior. Kemudian, saat bagian dalam memadat dengan material yang kurang tersisa, ia menarik ke dalam pada bagian luar. Keadaan tegangan yang dihasilkan adalah ketegangan di bagian dalam dan kompresi di bagian luar.

Retakan hanya merambat ketika ada tegangan tarik melintasi retakan. Jika ada tegangan tekan residual di seluruh retakan, itu akan tetap tertutup kecuali tegangannya tertekan. Karena tegangan tekan harus diatasi sebelum retak terbuka, dibutuhkan tegangan tarik yang lebih besar untuk menyebarkan retak melalui komponen kaca temper daripada komponen yang tidak temper. Jika retakan seperti itu merambat melewati permukaan tegangan-netral antara bagian luar dan interior komponen, ujung retak akan berada dalam tegangan karena keadaan tegangan sisa bagian dalam. Retakan semacam itu akan mulai menyebar dengan cara yang tidak stabil karena semua tegangan sisa dilepaskan, menghasilkan ledakan pecahan kaca, karena semuanya mengalami pemulihan elastis dari distribusi tegangan yang tidak seragam.

Dari semua ini, harus jelas bahwa komponen kaca tempered yang "sempurna" secara teori dimungkinkan, karena hanya diperlukan bahwa bagian luar kaca mendingin lebih cepat daripada interior untuk mendapatkan distribusi tegangan yang tidak seragam yang diperlukan, dengan tetap mempertahankan bentuk yang diinginkan. Kombinasi gravitasi dan viskositas adalah penyebab ekor pada penurunan Pangeran Rupert tradisional. Oleh karena itu, melepaskan masing-masing komponen tersebut, seperti dengan tetesan yang terbentuk pada jatuh bebas oleh relaksasi permukaan-tegangan permukaan bebas dari gumpalan kaca "mengambang", dapat menghasilkan bola kaca kental. Relaksasi mungkin memakan waktu lama dan gelas harus tetap kental sepanjang waktu. Langkah selanjutnya adalah mendinginkan bola dengan cepat tanpa mengganggu bentuknya, yang memang sulit. Menyemprotkannya dengan cairan akan menyebabkan riak di permukaan, dan perendaman akan membutuhkan menggerakkannya dengan sangat lambat, yang akan menyebabkan jenis distribusi tegangan yang tidak seragam yang salah. Mengeksposnya ke ruang hampa mungkin cukup, tapi saya belum melakukan perhitungan kehilangan panas yang terpancar.

Susunan yang diinginkan kemungkinan adalah oven radiasi dalam ruang hampa udara, dengan gumpalan kaca mengambang di dalamnya, tanpa kecepatan relatif. Oven melelehkan gelas, yang meleleh menjadi bola. Oven dimatikan, pintu dibuka dan oven bergerak cepat menjauh dari bola. Bola memancarkan radiasi, mendinginkan permukaan lebih cepat dari pada bagian dalam (atau seperti yang kita harapkan), dan kacanya diperkeras, menghasilkan Space Drop Prince Rupert.


3
Aspek utama dari kaca tempering adalah bahwa massa kaca di dalam bagian tempered dari suatu potongan harus lebih kecil daripada jika potongan itu hanya dianil. Dalam penurunan PR, ketika bagian luar dari kontrak drop besar, ekor akan memberikan jalan dimana kaca cair dapat mengalir keluar; ekor kemudian akan mengeras sebelum bagian dalam drop, sehingga mencegah gelas mengalir kembali saat drop mendingin. Jika seseorang memanaskan semua gelas jauh di atas titik anil, segera dinginkan bagian luar sampai tepat di atas titik anil, cukup cepat dinginkannya hingga tepat di bawah ...
supercat

2
... titik anil, dan kemudian mendinginkannya dari sana dengan relatif lambat sehingga untuk mencegah kaca dari pecah, seseorang bisa berakhir dengan kaca yang agak marah, tetapi tidak sekuat jatuhan Pangeran Pupert karena bagian luar pendingin tidak akan ' t dapat "memeras" kaca dari interior.
supercat

2
Saya agak skeptis tentang hipotesis vakum Anda. Saya pikir bahkan di kaca, perpindahan panas dengan konveksi mengalahkan perpindahan panas dengan radiasi.
Tomá? Zato - Reinstate Monica

Poin yang menarik. Dalam gayaberat mikro, jika kita mengasumsikan gelas dibiarkan mencapai kesetimbangan termal dengan oven, maka kekuatan pendorong untuk konveksi adalah gradien tekanan radial. Itu semua akan bergantung pada seberapa cepat cangkang luar dari kaca yang sangat kental akan terbentuk karena radiasi, dibandingkan dengan pembentukan aliran konvektif. Saya membayangkan itu akan sepenuhnya didominasi oleh ukuran drop. Tetes yang lebih besar akan memiliki waktu untuk mengatur aliran konvektif (seperti dengan malapetaka besi dalam formasi Bumi), tetesan yang lebih kecil mungkin tidak sebanyak itu. Saya berharap saya punya waktu untuk memodelkannya!
wwarriner

5

Saya pikir bentuk ekor sebagai hasil dari bagaimana gelas dijatuhkan. Dalam video itu, gelas cair terpisah dari sisa benjolan dan membentang - seperti Silly Putty atau keju mozzarella cair. Saya berharap bahwa Anda setidaknya dapat mempersingkat ekor dengan memotong kaca lengket - tetapi ada kemungkinan bahwa hasilnya akan meledak pada pendinginan, seperti yang disarankan dalam komentar nivag.

Bola kaca yang cukup akan cukup sulit. Mungkin itu bisa dilakukan dengan menggunakan konsep menara tembakan , atau semacam metode pencetakan.


5

Telah dinyatakan sebelumnya bahwa bidang "sempurna" tidak bisa ada dalam hal teknik atau manufaktur, tetapi mengabaikan hal-hal sepele, mari kita jawab pertanyaannya. Penurunan Pangeran Rupert sedemikian rupa sehingga gelas leleh cukup kental untuk menurunkan batang Anda dan ke dalam ember air, menyebabkan gelas itu mendingin dengan cukup cepat untuk menciptakan jumlah ketegangan internal yang tinggi, yang menyebabkan efek terkenal membuat tetesan air mata yang tidak bisa dipatahkan.

Bahkan jika Anda memutar batang dengan cepat agar tidak memiliki ekor yang panjang, beberapa penyeret yang tipis masih akan ada dan membuat ekor. Mungkin kecil, tapi masih ada di sana. Jika Anda tertarik untuk membuatnya lebih bulat, Anda mungkin berpikir untuk mencukur ujung ekornya, tetapi seperti yang Anda tahu, satu nick atau gangguan pada ujung ekor menghasilkan ledakan kaca padat.

Katakanlah Anda memutar batang dengan cara (di dunia magis) sehingga tidak ada ekor. Maka Anda tidak akan memiliki drop Pangeran Rupert!

Jawaban untuk pertanyaan Anda adalah tidak, tidak mungkin untuk membuat drop Pangeran Rupert berbentuk bola karena gelasnya akan meledak, atau Anda tidak memiliki drop yang Anda cari.


5

Bagaimana dengan ini. Buat tetesan seperti biasa, tetapi gunakan air terpanas yang Anda bisa untuk memperlambat penciptaan tekanan yang tentu saja masih akan terjadi. Inilah langkah kritis ...... mengurangi kedalaman air dengan eksperimen dan akhirnya, lepaskan drop tepat di permukaan air yang seharusnya, sampai batas tertentu, mengurangi panjang ekor atau praktis menghilangkannya. Penurunan akan jatuh pada tingkat yang jauh berkurang mengingat kondisi semi-tanpa bobot di dalam air. Hal lain yang perlu dipertimbangkan adalah memotong tetesan sesaat sebelum jatuh. Dengan memotong tetesan tepat sebelum jatuh, ekor, yang mendingin jauh lebih cepat daripada kepala, praktis dihilangkan sehingga kepala dengan tekanan internal tidak terancam oleh ekor yang rapuh.


2
Sebenarnya, bentuk ekor di udara sebelum jatuh menyentuh air.
Timothy

5

Mungkin Anda bisa membentuk sebuah spheroid dari gelas cair di jatuh bebas, lalu padamkan dengan gas dingin.

Saya sarankan gas dingin daripada cairan karena Anda tidak bisa "menjatuhkan" itu ke dalam cairan yang jatuh bebas, dan memercikkannya dengan cairan yang cukup cepat untuk membekukan bagian luarnya mungkin akan melibatkan kekuatan asimetris yang akan mendistorsi bola, sedangkan gas akan memberikan tekanan yang sama di semua sisi. Itu pasti gas yang sangat dingin! Saya tidak tahu apakah gas berat seperti argon meningkatkan konduksi termal, atau sesuatu seperti hidrogen atau helium mungkin bekerja lebih baik.

Ekor tidak tampak seperti fitur yang diperlukan. Menurut saya itu terbentuk sebelum dipadamkan oleh viskositas kaca yang menetes, bukan bagian melalui air. Ekor tidak cepat diekstrusi dari gumpalan kaca pendingin yang cepat; itu sudah ada, dibentuk oleh gravitasi / peregangan sebelum pendinginan, dan hanya mendinginkan dalam bentuk ekor itu.


1
bola timah dibuat dengan teknik ini.
joojaa

2

Ini bukan bidang yang sempurna tetapi sedekat yang saya dapatkan.

Tangguhkan dalam jet yang dipanaskan, lalu jatuhkan. Selesai

101

Anda harus mengontrol suhu dengan hati-hati, terlalu panas dan terbang terpisah.


1
Bisakah Anda menggambarkan bagaimana perilakunya dibandingkan dengan tetesan khas dengan ekor panjang? Bisakah Anda menunjukkan gambar atau video hasil akhir?
Air

1

Yah lupakan bola "sempurna", tapi aku tidak mengerti mengapa itu tidak bisa dibuat dalam bentuk apa pun. Anda hanya perlu mendinginkan bagian luar dengan cepat. Sepertinya saya ingat bahwa pyrex dibuat dengan cara ini, dengan tekanan bawaan .. tetapi saya tidak dapat menemukan tautan. Ini mungkin bermanfaat.


2
baik "sempurna" seperti dalam "cocok untuk bantalan bola". Keraguan saya berasal dari buntut, yang tampaknya menjadi komponen kunci, dan tampaknya tidak dapat dihindari.
Vladimir Cravero

1
Saya melihat Anda berada di Italia, di sini di AS, McMaster-Carr mencantumkan sejumlah bola kaca, beberapa di antaranya bantalan bola, beberapa terbuat dari keramik Silicon Nitride. Seharusnya ada sesuatu yang serupa di mana Anda berada. (Ekornya hanya dari bagaimana ia dibuat ... untuk bola Anda akan membutuhkan cetakan atau sesuatu.)
George Herold

1

Setelah bagian luar drop Prince Rupert memadat, itu akan cepat berkontraksi. Selama proses ini, jika tidak ada tempat untuk kaca di dalam untuk pergi ini akan menyebabkan luar berada di bawah tekanan yang signifikan, hampir menjamin bahwa itu akan retak (crackle-glass dibentuk dengan memadamkan seluruh potongan kaca sebentar; lapisan eksterior akan retak segera, tetapi jika semua pecahan kaca bersentuhan dengan gelas yang masih meleleh, keseluruhan potongan akan tetap utuh). Meskipun dimungkinkan untuk mendinginkan gelas secara cukup perlahan untuk mencegah retak, mengurangi beban tarik puncak secukupnya untuk mencegah retak juga akan mengurangi jumlah dimana beban tersebut dapat dialihkan ke arah tekan.

Kesulitan ini dapat diatasi dengan menurunkan gelas relatif lambat ke dalam air (ekor masih menempel pada batang dari mana ia berasal). Melakukan ini akan berarti bahwa sementara bagian luar kaca telah memadat dan berkontraksi, gelas cair di tengah akan, selama sebagian besar kontraksi ini, memiliki jalur terus menerus gelas cair yang memanjang keluar dari air.

Pada titik tertentu, gelas yang masuk ke dalam air akan sangat tipis sehingga tidak mungkin lagi gelas cair mengalir melalui pusat, tetapi pada saat itu terjadi, bagian-bagian yang lebih besar dari gelas akan berkontraksi hampir sebanyak mereka akan , sehingga jumlah kaca cair yang masih perlu dipindahkan untuk menghindari menciptakan ketegangan akan sangat kecil, dan jumlah ketegangan yang diciptakan oleh ketidakmampuan untuk memindahkan lebih banyak kaca cair dari interior akan juga kecil. Jika daerah kaca yang cukup tebal untuk memungkinkan aliran cairan melalui pusat tumpang tindih wilayah yang cukup tipis untuk menghindari pecah ketika dingin, drop mungkin didinginkan ke suhu kamar tanpa kegagalan prematur. Gumpalan bola seragam, namun,


0

Tidak ada ekor dalam gravitasi nol. Selama bahan dipertahankan dalam lingkungan yang dipanaskan Anda akan memiliki bola "hampir sempurna" selama tekanan dan suhu dan tidak adanya gravitasi konstan. Pendinginan akan menghasilkan tekanan seragam yang serupa dengan Drop Rupert meskipun efek ekornya akan hilang. Setiap distorsi akan menghasilkan "cacat" dan berdampak pada tegangan seragam dan efek Drop Rupert tidak akan ada. Dalam ide yang sempurna , Anda akan berakhir dengan bola "namaAnda".

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.
Judi bola