A doua descoperire a CAVITĂȚII
La sfârșitul secolului al XIX-lea, marina engleză trebuia să umple cele două nave care erau perfecte pentru acea vreme. "Deringu" și "Turbinia" trebuiau să treacă ultimul test - viteza, care, apropo, a fost prezentată de designeri drept principalul lor avantaj. Din păcate, viteza calculată nu a fost atinsă. Un studiu detaliat al motivele posibile pentru eșecul a arătat că elicele în rapidă uza foarte rapid, acoperite cu urme de lovituri, carii și vina - mulți vapori bule care apar pe lame.
În astfel de circumstanțe, tehnica a început să se familiarizeze cu cavitația. Este o tehnică. Deoarece știința a cunoscut acest fenomen timp de douăzeci de ani. Teoretic a fost prezis de fizicianul englez O. Reynolds. Și dacă designerii sunt mai atenți la cercetarea fundamentală a compatrioților lor, poate că nu ar fi nicio jena.
Da, un teoretician ar putea avertiza inginerii împotriva speranțelor excesive. Dar nimic mai mult. Dacă s-ar întreba: cum să construiască o navă cu adevărat super-rapidă, ocolind în orice fel cavitația, omul de știință ar fi găsit cu greu un răspuns.
Și până în prezent, după mai bine de un secol, când se descoperă cavitația, știința care investighează acest fenomen este îndatorată tehnologiei. Chiar și pentru a face un calcul precis al pragului, care este urmat de un model distructiv de mașină sau cavitație, nu este întotdeauna posibil. Ea încă se destrămă, exprimă metal de elice, lame de pompe și turbine, corpuri de beton de baraje, canale, încuietori.
Chiar și gânduri mai dificile și tentante despre acest lucru s-au născut nu ieri - de a transforma forțele distructive ale cavitației și de a le face aliați.
De ce se află știința modernă puternică în fața celor mai importante secrete ale cavitației?
Mai întâi, să ne amintim ce știe despre acest fenomen destul de sigur. Buburile cavitaționale apar în lichid, dacă creează o presiune scăzută. Acest lucru se întâmplă, de exemplu, atunci când curge cu viteză mare a unui corp solid sau, în esență echivalent, când corpul însuși se mișcă rapid în lichid. Undele sonore și ultrasonice, care trec prin lichid, creează, de asemenea, zone de presiune scăzută, provoacă cavitație. Buburile de cavitație trăiesc foarte scurt. Cu o viteză mare, pentru o fracțiune de secundă se prăbușesc. Această prăbușire, ca o explozie, generează un val de șoc. Să fie doar micro-explozii. Într-o scurtă clipă a lor se întâmplă sute, mii. Ele sunt suprapuse peste ele, înmulțind forțele lor. În diferite puncte ale lichidului, temperatura scade instantaneu la mii de grade, presiunea - până la multe zeci de atmosfere. Bulele pot avea cele mai bune raze-intepaturi care acționează pe o suprafață tare ca armura unui proiectil cumulativ! Aici provin nenumăratele forțe ale bulelor fără greutate.
Cel mai adesea, din păcate, aceste forțe sunt distructive. Numai în câteva cazuri încep să lucreze astăzi cu beneficii - de exemplu, curățați suprafața pieselor, ajutați la identificarea modelului natural al pietrelor de finisare, amestecați lichide "incompatibile", cum ar fi benzina și apa. Pentru a face mai bine cu o cavitație dăunătoare, distructivă și pentru ao folosi mai bine pentru ea, există o singură cale - de a pătrunde mai profund în secretele ei.
Care este diferența dintre un balon de cavitație și un balon obișnuit? Ce se întâmplă înăuntru? Prin ce legi intră transformarea energiei? Știți astăzi oamenii de știință răspund la aceste întrebări, vedeți, navele super-rapide mâine ar fi reale. Dar până acum există doar numeroase, argumentând ipoteze între ele. Și, prin urmare, inginerul nu este în stare să calculeze cu precizia necesară o nouă construcție sau o mașină în care ar dori să valorifice forțele de cavitație.
Cât de insuficientă este cunoașterea acestui fenomen, spune un astfel de exemplu. Cu aproape o jumătate de secol în urmă, a fost descoperită sono-luminescența - strălucirea lichidelor sub acțiunea ultrasunetelor, precum și reacțiile chimice solide care apar doar atunci când reactivii sunt iradiați cu sunet. Ambele fenomene sunt foarte intensive din punct de vedere energetic și numai cavitația le poate induce. Efecte și a devenit un fel de test pentru cavitație. Cu toate acestea, mecanismul, natura lor este încă un mister.
De ce este cavitația atât de inaccesibilă? Ce obstacole stau în calea secretelor sale? Pentru a ne imagina mai clar ce se întâmplă cu transformarea cu bule de cavitație, trebuie să monitorizăm mai întâi modul în care se naște, se mișcă, dispare, pe scurt, în toate etapele vieții sale.
Cavitația cu bule a devenit una dintre personajele principale ale cinematografiei științifice. În zeci de laboratoare ale lumii, el va trage la nenumărate metri de film. Dar, din pacate, pentru momentele din viata lui chiar filmarile super-rapide nu au timp. Eroul nostru de film trăiește doar o sută de mii sau chiar o milionă de secundă! De asemenea, trebuie să ținem cont: mărimea bulelor este o sută, o mie de milimetru. În cele din urmă, cavitația nu este una și nici măcar o mie de bule care se naște într-o singură clipă. Într-un centimetru cub de așa-numitul câmp de cavitație, ele sunt impulsive cu aproximativ un miliard deodată! Nu este întâmplător faptul că unul dintre primii eroi ai cinematografiei holografice, cu greu apărut în laborator, versiunea experimentală, a devenit din nou un balon de cavitate. Iar misterele nu au fost diminuate.
În știință se întâmplă adesea în felul acesta: pentru a rezolva orice problemă complicată asupra căreia cei mai buni minți s-au luptat timp de mulți ani, înarmați cu cea mai avansată tehnică, nu este suficientă o idee foarte simplă, o experiență elementară, aproape școlară. În problema cavitației, acest lucru, probabil pasul decisiv, a avut șansa de a face oamenii de știință din sectorul fizicii chimice de la Institutul de Cercetare Științifică de Sinteză Organică al Uniunii.
În timp ce unii cercetători au sperat pentru echipamente din ce în ce mai sofisticate, cele mai noi metode de rezolvare a unor sisteme extraordinar de complexe de ecuații diferențiale de mișcare a bubblelor, specialiștii VNIIOS au căutat o soluție neliniară. Care a fost maniera pe care au planificat-o? Gândește-te la asta. În mod evident, pentru a vedea bulele de cavitație previne dezordinea lor și timpul extrem de scurt de viață. Depinde de frecvența oscilațiilor care provoacă cavitația. Cercetătorii de la Sumey primesc cavitație, să zicem, la frecvențe de 10-100 Hz - bulele conform calculelor ar putea să trăiască pentru zeci de secunde și să măsoare până la un centimetru. Apoi ne-am vedea pe eroul nostru de film foarte aproape.
Nu era greu să faci experimentul americanilor. Schema sa a fost simplă: o tijă oscilantă este coborâtă într-un vas cu un lichid, iar un spectrometru, dacă apare cavitația, trebuie să înregistreze o strălucire. Totul făcut așa cum ar trebui - nimic ca o cavitație. Au încercat să sporească amplitudinea vibrațiilor tijelor, spun ei, stimularea va deveni mai intensă. Supersensibil spectrometru "silențios". Burling, turbulența în fluid este intensificată, dar nu există nici o întindere. Lichidul este prea elastic, deși se învârte, dar încă reușește să curgă în jurul tijei instabile. Dar este necesar ca ea să perceapă vibrațiile tijelor ca loviturile. Cum se poate realiza acest lucru?
A fost suficient să se elimine fluxul în jurul tijei oscilante, iar cavitația cu frecvență joasă este deschisă
Un nou experiment a fost creat împreună cu echipamentul, care, probabil, se va găsi chiar și în sala de fizică a școlii: un tub de testare, un trepied, un știft, un difuzor de 25 de wați, un amplificator tub vechi. Singura sa subtilitate - o tijă oscilantă sub forma unui piston a fost făcută astfel încât decalajul cu pereții tubului să fie doar o zecime de milimetru. În același timp, lichidul nu mai putea circula în jurul tijei la fel de ușor ca înainte.
Generatorul de sunet este pornit la o frecvență de 90 Hz. Despre ceea ce sa întâmplat în continuare, MA Margulis spune:
- Pentru un minut nu am observat nimic special. Apoi, mici vezicule sferice apar pe o mică zonă lângă peretele tubului, umplută cu lichid, sub pistonul oscilant. Numărul lor a crescut rapid. Ei au format un cheag mare, asemănător unui arici. Acest arici a fost în mod evident pulsatoriu. Treptat, frecvența a fost adăugată. La 200 Hz și mai sus, a fost posibil să se creeze doi sau mai mulți arici neobișnuiți. S-au născut în diferite părți ale tubului de testare. Din când în când, s-au grabit unul pe altul, au fuzionat și s-au prăbușit imediat cu un accident. A lovit imediat că aricii nu arată ca niște conglomerate - acumulează bule individuale de pulsații, dar sunt bule mari, bizare în formă.
Dar nu toți au reușit să prindă ochiul liber. Oamenii de știință au folosit instrumentul obișnuit - filmarea de mare viteză. Scenariu, dar. nu au fost găsiți arici. Proeminențele, procesele destul de groase, tentaculele cu îndoială curbate, care păreau că au fost trase din corpul unui balon mare, nu seamănă deloc cu acele unui locuitor frumos din pădure. Și oamenii de știință au dat această creație neobișnuită un nume mai prozaic - un flacon deformat (abreviat ca BDP). Pe ecran s-au putut vedea cum bulele transparente mici de formă sferică s-au rupt de la BDP și apoi s-au grabit înapoi.
Ce a fost asta? Cavitația, generând mii de temperaturi, presiuni colosale? Sau, poate, un nou fenomen întâi observat? Pentru a testa, după cum deja știm, există teste speciale, niște piese speciale de test, care dezvăluie reacții chimice cavitaționale și sunet strălucitor.
În primul experiment de încercare, sunetul cu frecvență redusă a declanșat cu ușurință o reacție în lanț de conversie a acidului maleic în acid fumărie. Au rămas îndoieli - această reacție, deși este cunoscută chimistului ca fiind complexă și capricioasă, necesită o energie relativ redusă pentru inițiere. Dar când într-un fier feros tub de testare pentru a feric transformat atunci când moleculele de apă sunt împărțite de oțel în ea, cum ar fi nuci sub ciocan, două avize nu ar mai putea - adevăratul cavitație excitat. În primul rând, cercetătorii au avut dificultăți în a-și crede propriile rezultate. Cu toate acestea, verificările repetate au confirmat: reacțiile chimice solide pot fi efectuate chiar și la o frecvență sonoră de 7 Hz, iar unele soluții încep să lumineze la 30 Hz.
Realizăm o poveste despre descoperire, care poate fi numită fierbinte. Studiile privind cavitația cu frecvență redusă au început doar.
"A luat" nu doar electric, ci și altul - teoria termică a cavitației. Se citește: în procesul de compresie și colapsare rapidă a bulei de cavitație, amestecul de gaze de vapori este încălzit la 1000 grade Celsius. În același timp, natural începe să strălucească ca un filament de un bec obișnuit, iar temperatura din plasmă împarte moleculele, inițiază cele mai incredibile reacții chimice. Cu toate acestea, acum, ca urmare a unei cercetări atente, sa stabilit că sono-luminescența este aceeași strălucire rece ca și în cazul licuricii care se aprind în noapte.
Aproape fiecare experiment nou a arătat o cavitație obișnuită dintr-o parte neașteptată, și-a dezvăluit abilitățile extraordinare. De exemplu, puterea distructivă a cavitației de înaltă frecvență a fost bine cunoscută. Suprafața netedă a metalelor s-ar putea transforma într-o chestiune de minute într-o particulă dură, care vopsise destul de mare. Dimpotrivă, cavitația cu frecvență joasă sa dovedit a fi un instrument subțire, delicat. Era ușor pentru ea să netezească, să lustrui suprafața cea mai aspră, punând doar particulele de metal microscopice.
Cavitația de joasă frecvență, preparată ușor și rapid de emulsii din lichide nemiscibile în condiții obișnuite, a zdrobit granulele solide scufundate în lichid, a declanșat cele mai intensive reacții chimice. Desigur, cavitația cu ultrasunete, de înaltă frecvență poate face toate astea. Dar pentru ao crea, după cum știți, aveți nevoie de echipamente speciale, de generatoare. Acum conectați sursa de oscilații la rețeaua care alimentează receptorul de radio acasă și toate abilitățile utile de cavitație - la dispoziția dumneavoastră. Să presupunem că, cu mare atenție și viteză, este necesar să se amestece substanțele într-un reactor chimic cu o capacitate de mai multe rezervoare de cale ferată. Această sarcină este cea mai obișnuită, obișnuită pentru industria chimică, farmaceutică, microbiologică. Soluția tradițională: ca malaxor, luați ceva asemănător unui elice sau șnec de șurub, realizat din aliajele cele mai scumpe și rezistente chimic. Și puteți instala o sursă simplă de oscilații în reactor, conectați-o într-o priză a unei rețele obișnuite - efectul calculat va fi chiar mai bun.
Aproape oricine nu poate prezice astăzi diferitele aplicații practice ale "a doua" descoperire a cavitației. În timp ce nu permite decât o înțelegere mai profundă a acestui fenomen mai interesant, acesta răstoarnă barierele care, timp de mai multe decenii, au rămas în calea cercetătorilor. Înțelegerea adevăratului mecanism al cavitării, cum și unde se formează forțele sale extraordinare, urmează să vină. Și în spatele lui, așa cum se întâmplă întotdeauna în știință, există noi oportunități pentru un inginer, un designer, un tehnician, care astăzi este imposibil de prevăzut.
L. GALAMAGA, inginer-fizician
Desene A. MATROSOVA
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: