Warsztat dmuchania szkła

Co się dzieje

Porcję 300 g szkła sodowo-wapniowego na końcu piszczeli wydmuchuje się w bańkę przy ławie mistrza hutnika. Lepkość szkła podlega równaniu Vogela–Fulchera–Tammanna, log₁₀(η/Pa·s) = −2,6 + 4300/(T − 530 K): tysiąc paskalosekund przy 1025 °C i cztery tysiące razy więcej przy 724 °C. Bezwładność jest pomijalna, więc ruch szkła jest przepływem Stokesa: spośród wszystkich sposobów, w jakie może rozciągać się ścianka – z prędkościami rozciągania s wzdłuż południka i t po obwodzie bańki – realizuje się ten, który przy pracy ciśnienia powietrza i napięcia powierzchniowego rozprasza najmniej energii. Bańka pozostaje kulą przechodzącą przez 12-milimetrowy pierścień szkła przyklejony do wylotu piszczeli; po kuli ślizgają się 24 pierścienie szkła, każdy z własną grubością ścianki i temperaturą. Pierścienie promieniują (emisyjność 0,9) i tracą ciepło przez konwekcję do otoczenia, a przy szyjce do piszczeli, albo pobierają je od ścian pieca do dogrzewania o temperaturze 1200 °C; strumień powietrza może chłodzić dalszy koniec. Grawitacja zgina szyjkę jak lepki zawias; obracanie piszczeli obraca wraz z nią kierunek opadania bańki.

Według prawa cienkiej powłoki swobodna kula o równomiernej ściance rozdyma się bez ograniczeń: przy 1000 °C bańka wyjściowa o promieniu powierzchni środkowej 26,7 mm i ściance 14,1 mm, dmuchana ciśnieniem 0,5 kPa, rozdęłaby się do nieskończoności w ciągu 6,14 s. Chłodzenie to powstrzymuje: na piszczeli bańka w ciągu 30 s rośnie do 156 mm i sztywnieje przy 672 °C, a jej szyjka, chłodzona przez piszczel, jest 6,1 raza grubsza niż ścianka dalszego końca, mająca 1,5 mm. Porcja szkła o temperaturze 850 °C ledwie się otwiera, do 67,9 mm, a swobodna kula przy 1100 °C pęka po 1,48 s. Bez obracania bańka opada o 61,8° w ciągu 3 s, a po 8 s zwisa pod kątem 73,7° do osi piszczeli; obracana raz na sekundę zatacza koło, wraca i pozostaje odchylona od osi tylko o 4,2°. Gdy koniec ma ściankę o połowę cieńszą, cienieje 1,8 raza szybciej niż korpus bańki: przy tym samym ciśnieniu kończy z grubością 1,18 mm wobec 1,53 mm korpusu, a przy 0,75 kPa pęka po 5,76 s. Strumień chłodzący usztywnia koniec i zatrzymuje jego rozciąganie przy grubości 4,85 mm, a bańka osiąga 110 mm.

Model: cienka lepka powłoka utrzymywana w kształcie kuli, więc cienkie miejsce rozchodzi się wzdłuż kuli, zamiast wybrzuszać się na zewnątrz; na początku grubość ścianki równa się połowie promienia i przy takim stosunku prawo cienkiej powłoki wyprzedza o 6 % dokładne rozwiązanie dla grubej powłoki. Jedna temperatura na grubości ścianki każdego pierścienia, szara nieprzezroczysta powierzchnia; szyjka to pierwszy pierścień, zginany jak lepka rura; bez siły odśrodkowej, bez zwisania samej bańki, bez przepływu powietrza w piszczeli; ścianka cieńsza niż 0,25 mm pęka i bańka nie utrzymuje już ciśnienia. RK4 z krokiem 1/120 s, dzielonym drobniej, gdy ścianka szybko się rozciąga; szkło nie powstaje ani nie znika, a bilans dmuchania, pieca do dogrzewania, promieniowania, konwekcji, piszczeli, ciepła i energii powierzchniowej się zamyka.

Co wypróbować

Obserwuj, jak porcja szkła pęcznieje pod ciśnieniem dmuchania i zatrzymuje się, stygnąc, potem wsuń ją do pieca do dogrzewania i dmuchaj znowu. Przestań obracać piszczel, aby zobaczyć, jak bańka opada, i wydmuchaj porcję z cienkim końcem ze strumieniem chłodzącym i bez niego.