Die Tropfen von Prince Rupert sind ein Beispiel für eine Komponente aus gehärtetem Quarzglas: Die Oberfläche wurde schneller abgekühlt als das Innere. Das Tempern von Gläsern ist wichtig, da es dem Glas Zähigkeit verleiht, dh die Fähigkeit, einem Bruch unter Last zu widerstehen, was erklärt, warum ein Tropfen mit einem Hammer geschlagen werden kann und überlebt. Kieselglas zeigt wie andere keramische Werkstoffe eine instabile Rissausbreitung, wenn seine Bruchfestigkeit durch seinen Spannungszustand überschritten wird. Im Gegensatz zu den meisten Legierungen weisen Keramiken nur eine sehr geringe oder keine plastische Verformung auf. Wenn sie ihre Elastizitätsgrenze erreichen, brechen sie. Wenn Sie also eine Quarzglaskomponente zu stark beanspruchen, bricht sie schnell und auf einmal.
Eine Glaskomponente kann getempert werden, indem ihre Außenseite schneller abgekühlt wird als ihre Innenseite, so dass eine ungleichmäßige Restspannungsverteilung in der Komponente vorliegt. Da sich das Äußere zuerst verfestigt, nimmt insbesondere seine Dichte zu und das Volumen nimmt zuerst ab, wodurch Material vom Inneren nach außen gezogen wird. Wenn sich das Innere mit weniger Material verfestigt, zieht es das Äußere nach innen. Der resultierende Spannungszustand ist Spannung im Inneren und Kompression im Äußeren.
Risse breiten sich nur aus, wenn über den Riss eine Zugspannung herrscht. Liegt eine Restdruckspannung über dem Riss vor, bleibt dieser geschlossen, es sei denn, er wird unter Spannung gesetzt. Da die Druckspannung überwunden werden muss, bevor sich der Riss öffnet, ist eine größere Zugspannung erforderlich, um einen Riss durch eine vorgespannte Glaskomponente auszubreiten, als bei einer nicht vorgespannten Komponente. Wenn sich ein solcher Riss an der spannungsneutralen Oberfläche zwischen der Außenseite und der Innenseite des Bauteils vorbei ausbreitet, würde die Rissspitze aufgrund des Restspannungszustands der Innenseite unter Spannung stehen. Ein solcher Riss würde sich instabil ausbreiten, wenn alle Restspannungen freigesetzt werden, was zu einer Explosion von Glassplittern führt, da sich alle von der ungleichmäßigen Spannungsverteilung elastisch erholen.
Aus alledem sollte ersichtlich sein, dass eine "perfekt" kugelförmige, getemperte Glaskomponente theoretisch möglich ist, da es nur erforderlich ist, dass die Außenseite des Glases schneller abkühlt als die Innenseite, um die erforderliche ungleichmäßige Spannungsverteilung zu erhalten. unter Beibehaltung der gewünschten Form. Eine Kombination aus Schwerkraft und Viskosität ist die Ursache für den Schwanz eines traditionellen Prince Rupert-Tropfens. Daher kann das Entfernen jeder dieser Komponenten, beispielsweise mit einem Tropfen, der im freien Fall durch die Entspannung eines "schwebenden" Glaskörpers durch die freie Oberflächenspannung gebildet wird, zu einer Kugel aus viskosem Glas führen. Die Entspannung kann lange dauern und das Glas muss die ganze Zeit dickflüssig bleiben. Der nächste Schritt besteht darin, die Kugel schnell abzukühlen, ohne ihre Form zu stören, was zugegebenermaßen schwierig ist. Das Besprühen mit Flüssigkeiten würde Wellen in der Oberfläche verursachen, und das Untertauchen würde ein infinitesimal langsames Bewegen erfordern, was die falsche Art der ungleichmäßigen Spannungsverteilung zur Folge hätte. Es mag ausreichen, es dem Vakuum des Weltraums auszusetzen, aber ich habe keine Berechnungen für den Strahlungswärmeverlust durchgeführt.
Der gewünschte Aufbau wäre wahrscheinlich ein Strahlungsofen im Vakuum des Weltraums mit einem darin schwebenden Glasklumpen ohne Relativgeschwindigkeit. Der Ofen schmilzt das Glas, das sich zu einer Kugel entspannt. Der Ofen wird ausgeschaltet, die Tür geöffnet und der Ofen bewegt sich schnell von der Kugel weg. Die Kugel strahlt Strahlung aus und kühlt die Oberfläche schneller ab als das Innere (wie wir hoffen), und das Glas wird gehärtet, was zu einem Space Drop von Prince Rupert führt.
