Друге відкриття кавітації. Креслення, опис

ДИТЯЧА НАУКОВА ЛАБОРАТОРІЯ
Безкоштовна бібліотека / Довідник / Дитяча наукова лабораторія

Друге відкриття кавітації. Дитяча наукова лабораторія

Дитяча наукова лабораторія

Наприкінці ХІХ століття англійський військово-морський флот мали поповнити два досконалих на той час корабля. "Дерінгу" та "Турбінії" залишалося пройти останнє випробування - на швидкохідність, яка, до речі, висувалась конструкторами як головна їхня перевага. На жаль, розрахункової швидкості досягти не вдалося. Детальне дослідження можливих причин невдачі показало: гребні гвинти на швидкому ходу дуже інтенсивно зношуються, покриваючись вибоїнами, кавернами, а в усьому - численні пароповітряні бульбашки, що виникають на лопатях.

За таких обставин техніка вперше познайомилася із кавітацією. Саме техніка. Тому що науці це явище було відоме вже двадцять років. Його теоретично передбачив англійський фізик О. Рейнольдс. І якби конструктори уважніші до фундаментальних досліджень свого співвітчизника, можливо, не сталося б конфузу.

Так, теоретик міг би застерегти інженерів від надмірних надій. Але не більше. Якби його запитали: як побудувати справді надшвидкохідний корабель, обійшовши якимось чином кавітацію, у вченого навряд чи знайшлася б відповідь.

І до цього дня, понад століття як відкрита кавітація, наука, що досліджує це явище, у боргу перед технікою. Навіть зробити точний розрахунок того порога, за яким настає руйнівна для машини чи конструкції кавітація, не завжди можливо. Як і раніше кришить, виявляє вона метал гребних гвинтів, лопаті насосів і турбін, бетонні тіла гребель, каналів, шлюзів.

Ще важче – а привабливі думки про це народилися не вчора – перетворити руйнівні сили кавітації та зробити їх союзниками.

Чому пасує перед найголовнішими секретами кавітації могутня сучасна наука?

Спочатку давайте згадаємо те, що вона знає про це явище досить точно. Кавітаційні бульбашки виникають у рідині, якщо в ній створити знижений тиск. Це буває, наприклад, при обтіканні з великою швидкістю якогось твердого тіла або, що по суті, рівнозначно, коли саме тіло швидко рухається в рідині. Звукові та ультразвукові хвилі, проходячи через рідину, так само створюють області зниженого тиску, викликають кавітацію. Живуть бульбашки кавітації дуже недовго. З величезною швидкістю, за мізерні частки секунди вони хлопаються. Це схлопування, подібно до вибуху, породжує ударну хвилю. Нехай це лише мікровибухи. У коротку мить їх відбувається сотні, тисячі. Вони накладаються одна на одну, помножуючи свої сили. У різних точках рідини температура миттєво підскакує до тисяч градусів, тиск до багатьох десятків атмосфер. У пухирців можуть виникати найтонші промені-жала, що діють на тверду поверхню подібно до кумулятивного снаряду! Ось звідки неймовірні сили у невагомих бульбашок.

Найчастіше, на жаль, ці сили руйнівні. Тільки в небагатьох випадках вони починають сьогодні працювати з користю - наприклад, очищають поверхню деталей, допомагають виявити природний малюнок біля оздоблювального каміння, перемішують "несумісні" рідини на кшталт бензину та води. Щоб краще боротися зі шкідливою, руйнівною кавітацією та повніше використовувати її на благо, є лише один шлях – глибше проникнути у її таємниці.

У чому відмінність кавітаційної бульбашки від звичайної? Що відбувається усередині? За якими законами йде перетворення енергії? Знай сьогодні вчені відповіді на ці питання, дивишся, завтра реальними б стали і надшвидкохідні кораблі. Але поки що є лише численні, які сперечаються між собою гіпотези. І, значить, інженер не в змозі з потрібною точністю розрахувати нову конструкцію або машину, в якій хотів би запрягти кавітаційні сили.

Наскільки недостатні поки знання про це явище, говорить такий приклад. Майже півстоліття тому відкрили сонолюмінісценцію – свічення рідин під дією ультразвуку, а також звукохімічні реакції, що йдуть лише при опроміненні реагентів звуком. Обидва ці явища дуже енергоємні, і викликати їх здатна лише кавітація. Ефекти стали своєрідним тестом на кавітацію. Однак механізм, природа їх досі залишається загадкою.

Чому ж кавітація така неприступна? Які перепони стоять на шляху до її таємниць? Щоб ясніше уявити перетворення, що відбуваються З кавітаційною бульбашкою, треба насамперед уважно простежити за тим, як він народжується, рухається, зникає, словом, за всіма етапами його життя.

Кавітаційна бульбашка стала одним із головних героїв наукового кіно. У десятках лабораторій світу його відзнято на незліченних метрах кіноплівки. Але на жаль, за мить його життя не встигає навіть надшвидкісна кінозйомка. Наш кіногерой живе лише стотисячні або навіть мільйонні частки секунди! Треба ще врахувати: розміри бульбашок складають соті, тисячні частки міліметра. Нарешті, кавітація - це не один і навіть не тисяча бульбашок, що народжуються в одну мить. В один кубічний сантиметр так званого кавітаційного поля їх пульсує відразу близько мільярда! Не випадково одним із перших героїв голографічного кіно, щойно з'явилося воно в лабораторному, експериментальному варіанті, знову-таки стала кавітаційна бульбашка... А загадок не зменшувалося.

Їжаки у пробірці

У науці часто буває так: для вирішення якоїсь складної проблеми, над якою багато років б'ються найкращі уми, озброєні найдосконалішою технікою, не вистачає якоїсь дуже простої ідеї, якогось елементарного, майже шкільного досвіду. У проблемі кавітації цей, можливо, вирішальний крок пощастило зробити вченим сектора хімічної фізики із Всесоюзного науково-дослідного інституту органічного синтезу.

У той час як одні дослідники сподівалися на все більш досконалу апаратуру, нові методи вирішення надзвичайно складних систем диференціальних рівнянь руху бульбашок, фахівці ВНДІОС шукали нелобове, обхідне рішення. У чому полягав задуманий ними маневр? Міркували приблизно так. Толком розглянути кавітаційні бульбашки заважає їх мізерність і вкрай малий час життя. Це залежить від частоти коливань, якими збуджують кавітацію. Зумій дослідники отримати кавітацію, скажімо, при частотах 10-100 Гц – бульбашки згідно з розрахунками могли б жити вже десяті частки секунди та мати розміри до сантиметра. Ось тоді ми побачили б свого кіногероя справді великим планом.

Невже ця нехитра ідея нікому раніше не спадала на думку? Зрозуміло, приходила. Спроб було багато. Стаття з результатами останньої, яку зробили американські дослідники, лежала на столі завідувача сектором М. А. Маргуліса. І в ній нічого втішного. Вкотре отримано підтвердження звичної погляду: кавітація - явище порогове, тобто виникає з певної частоти, і частота ця обчислюється, на жаль, кілогерцями... І все-таки щось змусило відтворити свідомо невдалий досвід. До цього підштовхували і хороша агресія на проблему, що не піддається, і дослідницький азарт, завзятість, інтуїція.

Друге відкриття кавітації

Проробити експеримент американців не становило особливих труднощів. Схема його була проста: стрижень, що коливається, опускають у посудину з рідиною, а спектрометр, якщо виникне кавітація, повинен зареєструвати свічення. Все зробили як слід – нічого схожого на кавітацію. Спробували збільшити амплітуду коливань стрижня, - мовляв, збудження стане більш інтенсивним. Надчутливий спектрометр "мовчить". Буріння, турбулентність у рідині посилюється, але розтягування немає як ні. Рідина як би занадто еластична, вона хоч і завихрюється, але все ж таки встигає обтікати стрижень, що нешвидко коливається. Адже треба, щоб вона сприймала коливання стрижня наче удари. Як цього досягти?

Достатньо було виключити обтікання стрижня, що коливається, і низькочастотна кавітація відкрита

Новий експеримент поставили з апаратурою, яка, напевно, знайдеться навіть у шкільному кабінеті фізики: пробірка, штатив, виточений з оргскла стрижень, 25-ватний динамік, старенький ламповий підсилювач... Єдина його тонкість - стрижень, що коливається, у вигляді поршня виготовили зазор зі стінками пробірки становив лише десяту частку міліметра. При цьому рідина вже не могла так легко, як колись, обтікати стрижень.

Звуковий генератор увімкнений на частоті 90 Гц. Про те, що відбувалося далі, М. А. Маргуліс розповідає:

- З хвилину нічого особливого ми не помічали. Потім на невеликій ділянці біля стінки пробірки, заповненої рідиною, під поршнем, що коливається, виникли дрібні сферичні бульбашки. Число їх швидко наростало. Вони утворювали великий потік, що зовні нагадує їжака. Цей їжак помітно пульсував. Стали поступово додавати частоту. За 200 Гц і вище можна було створити вже двох і навіть більше незвичайних їжаків. Вони народжувалися у різних частинах пробірки. Час від часу вони прямували один до одного, зливалися і з тріском розліталися. Відразу ж кидалося в очі, що їжаки не схожі на конгломерати - скупчення окремих пульсуючих бульбашок, а являють собою великі, химерної форми бульбашки.

Але не всі встигали схоплювати неозброєний погляд. Вчені скористалися звичним своїм інструментом – швидкісною кінозйомкою. Прокрутили відзнятий ролик, але... жодних їжаків не виявили. Протуберанці, досить товсті відростки, хитро вигнуті щупальця, які ніби вистрілювалися з тіла великої бульбашки, ніяк не були схожі на голки симпатичного мешканця лісу. І вчені дали цьому незвичайному створенню більш прозове ім'я - велика деформована бульбашка (скорочено БДП). На екрані вдалося розглянути, як від БДП відривалися, а потім прямували назад дрібні прозорі бульбашки сферичної форми.

Що це було? Кавітація, що породжує тисячоградусні температури, колосальний тиск? Чи, можливо, якесь нове явище, що вперше спостерігається? Для перевірки, як ми вже знаємо, є спеціальні тести, своєрідні лакмусові папірці, що виявляють кавітацію - звукохімічні реакції та свічення рідин.

Руйнуючи перешкоди

У першому ж перевірочному експерименті низькочастотний звук легко запустив ланцюгову реакцію перетворення малеїнової кислоти на фумарову. Сумніви ще залишалися - реакція ця хоч і має славу у хіміків складної та примхливої, але для ініціювання потребує порівняно невеликої енергії. Але коли в лабораторній пробірці двовалентне залізо перетворилося на тривалентне, коли молекули води почали розщеплюватися в ній, наче горіхи під ударом молотка, двох думок бути вже не могло - збуджена справжнісінька кавітація. Самі дослідники спочатку важко вірили свої ж результатам. Однак багаторазові перевірки підтверджували: звукохімічні реакції можна вести вже при частоті звуку 7 Гц, а деякі розчини починали світитися при 30 Гц.

Ми ведемо розповідь про відкриття, яке можна назвати гарячим. Дослідження низькочастотної кавітації ще почалися.

Проте вже з перших днів вони дають найцікавіші результати. Наприклад, тільки-но вчені побачили БДП на власні очі і переконалися, що вони кавітують, як звалилася одна з найавторитетніших теорій кавітації. Вважалося, що на поверхні кавітаційної бульбашки, що народжується, виникають різноіменні заряди. Певного моменту настає електронний пробій. Звідси – велике енерговиділення, свічення, ініціювання найважчих хімічних реакцій. Єдина умова для такого ходу речей - кавітаційна бульбашка має бути... бездоганно правильної лінзоподібної форми. На екрані ж, як ми знаємо, дослідники побачили швидше якусь фантастичну форму рослину.

" Дісталося " як електричної, а й інший - теплової теорії кавітації. Вона говорила: у процесі швидкого стиснення та схлопування кавітаційного бульбашки парогазова суміш нагрівається до тисячоградусних температур. При цьому вона, природно, починає світитися подібно до нитки розжарювання звичайної електролампочки, а плазмова температура розщеплює молекули, ініціює найнеймовірніші хімічні реакції. Однак тепер в результаті ретельних досліджень встановлено: сонолюмінесценція - це таке ж холодне свічення, як у світляків, що мерехтять у ночі.

Майже кожен новий експеримент показував звичну кавітацію з несподіваного боку, відкривав незвичайні її здібності. Скажімо, руйнівна сила високочастотної кавітації була добре відома. Гладку поверхню металів вона за лічені хвилини могла перетворити на шорстку, вифарбовуючи досить великі частинки. Низькочастотна кавітація виявилася, навпаки, знаряддям тонким, делікатним. Їй не важко було згладити, відполірувати саму шорстку поверхню, виколюючи лише мікроскопічні частинки металу.

cavitationНизькочастотна кавітація легко і швидко готувала емульсії з рідин, що не змішуються в звичайних умовах, дробила занурені в рідину гранули твердої речовини, запускала найенергоємніші хімічні реакції... Звичайно, все це вміє і ультразвукова, високочастотна кавітація. Але щоб створити її, як відомо, потрібна особлива апаратура, генератори. Тепер підключай джерело коливань у мережу, яка живить домашній радіоприймач, і всі корисні здібності кавітації - до твоїх послуг. Допустимо, треба з граничною ретельністю та швидкістю перемішувати речовини в хімічному реакторі ємністю в кілька залізничних цистерн. Завдання це - звичайне для хімічної, фармацевтичної, мікробіологічної промисловості. Традиційне рішення: як мішалка беруть щось на зразок пропелера або гвинтового шнека, виготовлені з найдорожчих, хімічно стійких сплавів. А можна вмонтувати в реактор нескладне джерело коливань, включити його в розетку звичайної мережі – ефект, як свідчать розрахунки, буде ще кращим.

Навряд чи хтось зможе сьогодні передбачити різноманітні практичні додатки "другого" відкриття кавітації. Поки воно лише розчищає дорогу для глибшого розуміння цього найцікавішого явища, перекидає бар'єри, які десятиліття стояли по дорозі дослідників. Розуміння справжнього механізму кавітації, як і звідки з'являються її надзвичайні сили, ще попереду. А за ним, як завжди буває в науці, нові можливості для інженера, конструктора, технолога, які сьогодні неможливо і передбачати.

Автор: Л.Галамага

Рекомендуємо цікаві статті розділу Дитяча наукова лабораторія:

▪ Експеримент Галілео Галілея

▪ Крізь краплю води

▪ Астрономічний прилад Спостерігач

Дивіться інші статті розділу Дитяча наукова лабораторія.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Спиртуознавство теплого пива 07.05.2024

Пиво, як один із найпоширеніших алкогольних напоїв, має свій унікальний смак, який може змінюватись в залежності від температури споживання. Нове дослідження, проведене міжнародною групою вчених, виявило, що температура пива значно впливає на сприйняття алкогольного смаку. Дослідження, очолюване матеріалознавцем Лей Цзяном, показало, що з різних температурах молекули етанолу і води формують різні типи кластерів, що впливає сприйняття алкогольного смаку. При низьких температурах утворюються пірамідоподібні кластери, що знижує гостроту "етанолового" смаку і робить напій менш алкогольним на смак. Навпаки, при підвищенні температури кластери стають ланцюжнішими, що призводить до більш вираженого алкогольного смаку. Це пояснює, чому смак деяких алкогольних напоїв, таких як байцзю, може змінюватись в залежності від температури. Отримані дані відкривають нові перспективи для виробників напоїв, ...>>

Основний фактор ризику ігроманії 07.05.2024

Комп'ютерні ігри стають все більш популярним видом розваг серед підлітків, але супутній ризик ігрової залежності залишається значною проблемою. Американські вчені провели дослідження, щоб визначити основні фактори, що сприяють виникненню цієї залежності, та запропонувати рекомендації щодо її запобігання. Протягом шести років 385 підлітків були піддані спостереженню, щоб з'ясувати, які фактори можуть привертати до ігрової залежності. Результати показали, що 90% учасників дослідження не схильні до ризику залежності, у той час як 10% стали ігроманами. Виявилося, що ключовим фактором у появі ігрової залежності є низький рівень соціальної поведінки. Підлітки з низьким рівнем просоціальної поведінки не виявляють інтересу до допомоги та підтримки оточуючих, що може призвести до втрати контакту з реальним світом та поглиблення залежності від віртуальної реальності, запропонованої комп'ютерними іграми. На основі цих результатів вчені ...>>

Шум транспорту затримує зростання пташенят 06.05.2024

Звуки, що оточують нас у сучасних містах, стають дедалі пронизливішими. Однак мало хто замислюється про те, як цей шум впливає на тваринний світ, особливо на таких ніжних створінь, як пташенята, які ще не вилупилися з яєць. Недавні дослідження проливають світло на цю проблему, вказуючи на серйозні наслідки для їхнього розвитку та виживання. Вчені виявили, що вплив транспортного шуму на пташенят зебрового діамантника може призвести до серйозних порушень у розвитку. Експерименти показали, що шумова забрудненість може суттєво затримувати їх вилуплення, а ті пташенята, які все ж таки з'являються на світ, стикаються з низкою здоровотворних проблем. Дослідники також виявили, що негативні наслідки шумового забруднення сягають і дорослого віку птахів. Зменшення шансів на розмноження та зниження плодючості говорять про довгострокові наслідки, які транспортний шум чинить на тваринний світ. Результати дослідження наголошують на необхідності ...>>

Випадкова новина з Архіву

23" Full HD-дисплей Philips з технологією ErgoSensor 12.11.2012

Компанія Royal Philips Electronics додала в асортимент своїх моніторів сімейства Brilliance широкоформатну 23-дюймову модель 231P4QRYES на IPS-панелі з білим світлодіодним підсвічуванням.

Новинка примітна тим, що має технологію ErgoSensor, яка, за словами розробників, покликана не тільки помітно знизити енергоспоживання пристрою, але й стежити за здоров'ям його власника. Так, дисплей автоматично відключається щоразу, коли перед ним нікого немає. Крім того, під час роботи він дає користувачеві рекомендації про оптимальне положення голови і найбільш прийнятну для очей відстань до екрану, а також періодично нагадує про необхідність зробити невелику перерву для відпочинку.

Виріб характеризується Full HD-роздільною здатністю 1920 x 1080 пікселів, часом відгуку 7 мс (GTG), контрастністю 1000:1 (20000000:1 SmartContrast) і 178-градусним кутом огляду в обох площинах. Воно оснащено двома вмонтованими динаміками потужністю 1,5 Вт кожен, вбудованим чотирипортовим USB-концентратором, а також інтерфейсами D-Sub, DVI та DisplayPort. В комплектацію входить регульована по висоті підставка, яка дозволяє повертати екран, переводити його в портретний режим відображення та змінювати кут нахилу.

Для європейського ринку рекомендована роздрібна ціна на цей продукт встановлена в розмірі 250 євро.

Інші цікаві новини:

▪ Фізкультура зберігає хромосоми

▪ Новий LDO-стабілізатор

▪ Алмаз створений за кімнатних умов

▪ Невидимі QR-коди

▪ Блакитні очі: таємниці спільного предка

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Паліндроми. Добірка статей

▪ стаття Кастальський ключ. Крилатий вислів

▪ стаття Чим схожі долі Леніна та Керенського? Детальна відповідь

▪ стаття Горлянка. Легенди, вирощування, способи застосування

▪ стаття Підігрів вуликів. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Квазіпаралельний канал – блок чистого звуку. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages of this page

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт