Larme de verre ("Prince Rupert's drop")

Nommé en anglais "Prince Rupert's Drop", la larme de verre est obtenue à partir de verre fondu qui est plongé dans de l'eau froide. La partie bombée de la larme possède des propriétés mécaniques bien particulières en raison de son mode de refroidissement.

Larme de verre

Larme de verre dont on vient de couper la queue

Concept physique des contraintes résiduelles thermiques :
Lorsque le verre est plongé dans l'eau froide, l'extérieur de la larme est rapidement refroidi par son contact avec l'eau et durcit. La longue et mince queue se refroidit également rapidement et durcit. À ce moment, l'intérieur de la larme est encore très chaud. Tranquillement, l'intérieur va se refroidir. Puisqu'une variation de température génère une diminution de volume :

l'intérieur veut se compresser mais la partie extérieure qui est déjà solidifiée l'empêche. La partie extérieure se faire donc "écraser" vers l'intérieur ce qui tente de diminuer son volume (elle est en compression) et la partie intérieure se fait tirer vers l'extérieur ce qui tente d'augmenter son volume (elle est en tension).

Ces contraintes résiduelles font en sorte que la partie bombée de la larme est très fortement résistante à des impacts, tel que un coup de marteau. Cependant, la queue qui est plus fragile peut être facilement cisaillée ce qui mène à un effondrement des contraintes internes tel une réaction chimique (voir vidéo de Smarter Every Day).

La larme de verre possède des contraintes résiduelles. Puisque le verre laisse passer la lumière, il est facile d'observer l'effet de ces contraintes avec la photoélasticité.

Visualisation des contraintes résiduelles par photoélasticité

Vidéo :
Smarter Every Day :  https://youtu.be/xe-f4gokRBs

Concept physique de la photoélasticité :
Certains matériaux, lorsqu'ils sont soumis à une contrainte, deviennent biréfringents : la lumière est déviée selon deux indices de réfraction. Les indices de réfractions sont directement liés à la grandeur de la contrainte appliquée. La différence entre les indices de réfraction cause une différence de phase entre les ondes, donc une différence de polarisation de la lumière. Avec une lumière polarisée incident et un filtre polariseur à la sortie du matériau, certaines partie seront en addition de phase et d'autres non. L'addition des ondes dépend de la longueur d'onde incidente. C'est pour cela que si on utilise une lumière polychromatique (lumière blanche qui inclut plusieurs longueurs d'onde), il en résultera des franges de couleur et non des franges simplement claires et sombres (si on avait utilisé une lumière monochromatique), La variation des franges nous renseigne sur la variation des contraintes internes.

La direction des frange permet d'identifier la source de l'injection du plastique lors du procédé de fabrication du rapporteur d'angle et de la règle.

On constate les lieux de concentration de contrainte (près du 0 degrés) causé par le petit rayon de courbure du congé.

Références :
http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/photoelasticity/index.php
https://en.wikipedia.org/wiki/Photoelasticity


Sources images :

By Mg3kc at English Wikipedia - Transferred from en.wikipedia to Commons by Basilicofresco using CommonsHelper., Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5555208

http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/photoelasticity/anisotropy.php

By Nevit Dilmen - Own Photograph, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3821227