完全に球状のプリンスルパートのドロップを構築することは可能ですか？

プリンスルパートドロップスは、溶融ガラスを冷水に滴下することで作成されるガラスオブジェクトです。ドロップの外側は急速に冷却されますが、内側は長時間熱くなります。最終的に冷却されると収縮し、表面に非常に大きな圧縮応力がかかります。

その結果、一種の強化ガラスができます。ドロップヘッドに損傷を与えることなくハンマーで打つことができますが、テールに傷があると爆発的な分解につながります。このビデオをご覧ください。

だから、球状のプリンスルパートのドロップを構築することは可能ですか？もしそうなら、どのように？アプリケーションの一例は、従来のボールベアリング球の代替品です。耐摩耗性と耐容性の最大荷重が改善され、ガラス球のコストはとにかく低くなります。

プリンスルーパートのドロップは、強化シリカガラスコンポーネントの例です。その表面は、内部よりも急速に冷却されています。ガラスの強化は、ガラスに強靱性、つまり荷重下での破壊に耐える能力を与えるため、重要です。シリカガラスは、他のセラミック材料と同様に、応力状態が破壊強度を超えると不安定な亀裂伝播を示します。ほとんどの合金とは異なり、セラミックスはほとんどまたはまったく塑性変形しません。弾性限界に達すると、骨折します。そのため、シリカガラスコンポーネントに過度に強い応力をかけると、急速に破壊されます。

ガラス部品は、部品の内部に不均一な残留応力分布が存在するように、内部よりも急速に外部を冷却することにより強化できます。具体的には、外部が最初に固化するため、密度が最初に増加し、体積が最初に減少し、内部から材料を外側に引き出します。次に、内部が残りの少ない材料で固化すると、外部を内側に引っ張ります。結果として生じる応力状態は、内部の張力と外部の圧縮です。

亀裂は、亀裂全体に引張応力がある場合にのみ伝播します。亀裂全体に圧縮応力が残っている場合、張力がかかっていない限り、閉じたままになります。亀裂が開く前に圧縮応力に打ち勝たなければならないため、強化されていないガラス部品よりも強化されたガラス部品に亀裂を伝播するには、より大きな引張応力が必要です。このような亀裂がコンポーネントの外部と内部の間の中立応力面を超えて伝播した場合、内部の残留応力状態により亀裂先端に張力がかかります。このような亀裂は、すべての残留応力が解放されると不安定に伝播し始め、その結果、ガラスの破片はすべて不均一な応力分布から弾性回復するため、ガラスの破片が爆発します。

このすべてから、必要な不均一な応力分布を得るためにガラスの外部が内部よりも急速に冷却されることだけが必要なため、「完全に」球状の強化ガラス部品が理論的に可能であることは明らかです。所望の形状を維持しながら。重力と粘性の組み合わせが、伝統的なプリンスルーパートドロップの尾の原因です。したがって、「浮いている」ガラス塊の自由表面の表面張力緩和によって自由落下で形成された滴など、これらの各成分を除去すると、粘性ガラスの球体が生じる可能性があります。緩和には長い時間がかかる場合があり、ガラスは常に粘性を保つ必要があります。次のステップは、球体をその形状を乱すことなく急速に冷却することであり、これは明らかに困難です。液体を噴霧すると表面に波紋が発生し、水没すると無限にゆっくりと移動する必要があり、これにより間違った種類の不均一な応力分布が発生します。空間の真空にさらすだけで十分かもしれませんが、放射熱損失の計算は行っていません。

望みのセットアップは、空間の真空内にある放射オーブンであり、相対速度なしでガラス塊が浮遊している可能性があります。オーブンがガラスを溶かし、リラックスして球になります。オーブンの電源が切れ、ドアが開き、オーブンが球体から急速に離れます。球体は放射を放出し、内部よりも急速に表面を冷却します（または、そう望んでいます）。ガラスが強化され、結果としてプリンスルパートのスペースドロップが生じます。

私は、ガラスがどのように落とされた結果として尾が形成されると思います。ビデオでは、溶融ガラスが塊の残りの部分から分離して伸びます-Silly Puttyや溶融モッツァレラチーズのように。少なくともねばねばしたガラスを切ることで尾を短くできると期待していますが、nivagのコメントで示唆されているように、冷却すると結果が爆発する可能性があります。

十分に球形のガラス玉はかなり難しいでしょう。たぶん、ショットタワーのコンセプト、またはある種の成形方法を使用して行うことができます。

「完全な」球体は、エンジニアリングまたは製造の観点からは存在できないが、些細さを無視して、質問に答えましょう。プリンスルーパートのドロップは、溶融ガラスが粘性であり、ロッドから垂れ下がって水の入ったバケツに入れられるため、ガラスが急速に冷却されて大量の内部張力が生じ、壊れない涙滴を作るという有名な効果が生じます。

長い尾を持たないようにロッドを素早く回転させたとしても、いくつかの細いドラッグがまだ存在し、尾を作ります。それは小さいかもしれませんが、それはまだそこにあるでしょう。より球形にしたい場合は、テールエンドを削ることをお勧めしますが、ご存知のように、テールエンドへの単一のニックまたは妨害は、固体ガラスの爆発をもたらします。

尾がなくなるように（魔法の世界で）ロッドを回転させたとしましょう。その後、プリンスルーパートのドロップはありません！

あなたの質問への答えはノーです。ガラスが爆発するか、あなたが探していたドロップを持っていないので、球状のプリンスルパートのドロップを作ることはできません。

これはどうですか。いつものようにドロップを作成しますが、もちろん発生するストレスの作成を遅らせるために、できるだけ熱い水を使用してください。これが重要なステップです......実験で水深を減らし、最後に水面で水滴を放します。水滴はある程度、尾の長さを短くするか、実際に除去する必要があります。水中の無重力状態を考慮すると、水滴はかなり減少した速度で落下します。考慮すべきもう1つのことは、ドロップする直前にドロップを切り取ることです。ドロップが落ちる直前にドロップをスニッピングすることにより、ヘッドよりもはるかに速く冷却するテールが事実上排除され、内部応力のあるヘッドが脆弱なテールによって脅かされることはありません。

おそらく、自由落下で溶融ガラスの回転楕円体を形成し、それを冷たいガスで急冷することができます。

自由落下で液体に「落とす」ことはできないため、液体の代わりに冷たいガスをお勧めします。外部を急速に凍結するのに十分な速さで液体をかけると、おそらく球を歪ませる非対称の力が必要になります。一方、ガスはすべての側面に等しい圧力をかけます。非常に冷たいガスでなければなりません！アルゴンのような重いガスが熱伝導を増加させるのか、水素やヘリウムのようなものがうまく機能するのかはわかりません。

尾は必要な機能ではないようです。私には、水を通過するのではなく、滴下するガラスの粘度によってクエンチの前に形成されたようです。テールは、急速に冷却するガラスの塊から急速に押し出されません。それは既に存在し、クエンチの前に重力/伸張によって形成され、その尾の形でちょうど冷えます。

完璧な球体ではありませんが、私が手に入れたものに近いものです。

加熱されたジェットに懸濁してから落下します。できた

温帯を注意深く制御する必要があり、暑すぎて飛散します。

「完璧な」球体はよく忘れてしまいますが、なぜそれがどのような形にもならないのかわかりません。あなたはただ外を速く冷やす必要があります。パイレックスはこの方法で作られており、ストレスが組み込まれていることを思い出すようです。しかし、リンクが見つかりませんでした。 これは役に立つかもしれません。

プリンスルーパートドロップの外側が固まった後、すぐに収縮します。このプロセス中に、ガラスの内側に行く場所がない場合、これにより外側に大きな張力がかかり、事実上それが割れることが保証されます（ガラス片全体を短時間焼入れすることで割れガラスが形成されます。外側の層が割れますすぐに、しかし割れたガラス片がすべてまだ溶融しているガラスと接触している場合、全体の片は無傷のままになります）。割れを防ぐためにガラスを十分にゆっくり冷却することは可能ですが、割れを防ぐためにピーク引張荷重を十分に下げると、そのような荷重が圧縮性にシフトする量も減ります。

この問題は、ガラスを水の中に比較的ゆっくりと降ろすことで克服できます（尾部は、元のロッドに取り付けられたままです）。これを行うと、ガラスの外側の一部が固化して収縮している間、中央の液体ガラスは、この収縮のほとんどの間、水から伸びる液体ガラスの連続した経路を持つことになります。

ある時点で水に入るガラスは非常に薄くなるため、液体ガラスは中央を流れることができなくなりますが、その時までにガラスの大部分はほぼ同じくらい収縮します、したがって、張力の発生を回避するためにまだ移動する必要がある液体ガラスの量はかなり少なくなり、したがって、内部から液体ガラスをそれ以上移動できないことによって生じる張力の量も同様に小さくなります。中心を通る液体の流れを可能にするのに十分厚いガラスの領域が、冷却時に破損しないように十分に薄い領域と重なる場合、液滴は早期に故障することなく室温まで冷却されます。ただし、均一な球状の塊

無重力で尾はありません。材料が加熱された環境で維持されている限り、圧力と温度、および重力の不在が一定である限り、「ほぼ完全な」球体になります。冷却すると、テールの効果は失われますが、ルパートのドロップと同様の均一な応力が生じます。歪みがあると「欠陥」が生じ、均一な応力に影響し、ルパートのドロップ効果は存在しません。 、「yourname」の球体になります。