Друге відкриття кавітації
В кінці XIX століття англійський військово-морський флот повинні були поповнити два скоєних для того часу корабля. "Дерінг" і "Турбіни" залишалося пройти останнє випробування - на швидкохідні, яка, до речі, висувалася 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, припадаючи вибоїнами, кавернами, а провиною всьому - численні суміш пару бульбашки, що виникають на лопатях.
При таких обставинах техніка вперше познайомилася з кавітацією. Саме техніка. Тому що науці це явище було відомо вже двадцять років. Його теоретично передбачив англійський фізик О. Рейнольдс. І будь конструктори уважніше до фундаментальних досліджень свого співвітчизника, можливо, не сталося б конфузу.
Так, теоретик міг би застерегти інженерів від надмірних сподівань. Але не більше того. Якби його запитали: як побудувати дійсно сверхбистроходний корабель, обійшовши будь-яким чином кавітацію, у вченого навряд чи знайшовся б відповідь.
І до цього дня, за більш ніж століття як відкрита кавітація, наука, що досліджує це явище, в боргу перед технікою. Навіть зробити точний розрахунок того порога, за яким настає руйнівна для машини або 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 і зробити їх союзниками.
Чому пасує перед найголовнішими секретами кавітації могутня сучасна наука?
Спочатку давайте згадаємо те, що вона знає про це явище досить виразно. Бульбашки кавітацій виникають в рідини, якщо в ній створити знижений тиск. Це буває, наприклад, при обтіканні з великою швидкістю будь-якого твердого тіла або, що по суті, рівнозначно, коли саме тіло швидко рухається в рідині. Звукові і ультразвукові хвилі, проходячи через рідину, так само створюють області зниженого тиску, викликають кавітацію. Живуть кавитационні бульбашки дуже недовго. З величезною швидкістю, за незначні частки секунди вони схлопиваются. Це схлопування, подібно до вибуху, породжує ударну хвилю. Нехай це всього лише мікровибухи. У короткі миті їх відбувається сотні, тисячі. Вони накладаються один на одного, множачи свої сили. У різних точках рідини температура миттєво підскакує до тисяч градусів, тиск - до багатьох десятків атмосфер. У бульбашок можуть виникати найтонші промені-жала, що діють на тверду поверхню подібно разючі броню кумулятивному 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 у оздоблювальних каменів, перемішують "несумісні" рідини на зразок бензину і води. Щоб краще боротися зі шкідливою, руйнівною кавитацией і повніше використовувати її на благо, є тільки один шлях - глибше проникнути в її таємниці.
У чому відмінність кавітаційного пухирця від звичайного? Що відбувається всередині? За якими законами йде в ньому перетворення енергії? Знай сьогодні вчені відповіді на ці питання, дивись, завтра реальними б стали і сверхбистроходний кораблі. Але поки є тільки численні, спрощує між собою гіпотези. І, значить, інженер не в силах з потрібною точністю розрахувати нову конструкцію або машину, в якій хотів би заперечує сили кавітації.
Наскільки недостатні поки знання про це явище, говорить такий приклад. Майже півстоліття тому відкрили сонолюмінісценціі - світіння рідин під дією ультразвуку, а також звукохіміческіе реакції, що йдуть тільки при опроміненні реагентів звуком. Обидва ці явища дуже енергоємні, і викликати їх здатна лише кавітація. Ефекти і стали своєрідним тестом на кавітацію. Однак механізм, природа їх до сих пір залишається загадкою.
Чому ж кавитация настільки неприступна? Які перешкоди стоять на шляху до її таємниць? Щоб краще уявити відбуваються З кавітаційним бульбашкою перетворення, треба насамперед уважно простежити за тим, як він народжується, рухається, зникає, словом, за всіма етапами його життя.
Кавітаційний бульбашка став одним з головних героїв наукового кіно. У десятках лабораторій світу він знятий на незліченних метрах кіноплівки. Але на жаль, за миттєвостями його життя не встигає навіть надшвидкісна кінозйомка. Наш герой фільму живе всього лише стотисячні або навіть мільйонні частки секунди! Треба ще врахувати: розміри бульбашок состовляют соті, тисячні частки міліметра. Нарешті, кавітація - це не один і навіть не тисяча народжуються в одну мить бульбашок. У Одне кубічному сантиметрі так званого кавітаційного поля їх пульсує відразу близько мільярда! Не випадково одним з перших героїв голографічного кіно, ледь з'явилося воно в лабораторному, експериментальному варіанті, знову-таки став кавітаційний бульбашка. А загадок меншало.
У науці часто буває так: для вирішення будь-якої складної проблеми, над якою багато років б'ються кращі уми, озброєні найдосконалішою технікою, не вистачає якоїсь дуже простої ідеї, якого-небудь елементарного, майже шкільного досвіду. У проблемі кавітації цей, можливо, вирішальний крок пощастило зробити вченим сектора хімічної фізики з Всесоюзного науково-дослідного інституту органічного синтезу.
У той час як одні дослідники опиралися на все більш досконалу апаратуру, новітні методи вирішення надзвичайно складних систем диференціальних рівнянь руху бульбашок, фахівці ВНІІОСа шукали нелобовое, обхідний рішення. У чому полягав задуманий ними маневр? Міркували приблизно так. Толком розгледіти кавитационні бульбашки заважає їх мізерність і вкрай малий час життя. Залежить це 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 і мати розміри до сантиметра. Ось тоді ми б побачили свого кіногероя дійсно великим планом.
Виконати експеримент американців не складало особливих труднощів. Схема його була проста: стрижень, що коливається опускають в посудину з рідиною, а спектрометр, якщо виникне кавітація, повинен зареєструвати світіння. Все зробили як треба - нічого схожого на кавітацію. Спробували збільшити амплітуду коливань стержня, - мовляв, порушення стане інтенсивніше. Надчутливий спектрометр "мовчить". Нуртування, турбулентність в рідини посилюється, але розтягування немає як немає. Рідина як би занадто еластична, вона хоча і завихряется, але все ж встигає обтікати нешвидко стрижень, що коливається. Але ж треба, щоб вона сприймала коливання стержня немов удари. Як цього досягти?
Досить було виключити обтікання коливного стрижня, і низькочастотна кавітація відкрита
Новий експеримент поставили з апаратурою, яка, напевно, знайдеться навіть в 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 так, що зазор зі стінками пробірки становив всього десяту частку міліметра. При цьому рідина вже не могла настільки легко, як раніше, обтікати стрижень.
Звуковий генератор включений 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 вагається поршнем виникли дрібні сферичні пухирці. Число їх швидко наростало. Вони утворювали великий згусток, що зовні нагадує їжака. Цей їжак помітно пульсувало. Стали поступово додавати частоту. При 200 Гц і вище можна було створити вже двох і навіть більше незвичайних їжаків. Вони народжувалися в різних частинах пробірки. Час від часу вони спрямовувалися один до одного, зливалися і тут же з тріском розліталися. Відразу ж впадало в очі, що їжаки не схожі на конгломерати - скупчення окремих пульсуючих бульбашок, а являють собою великі, химерної форми бульбашки.
Але не все встигав схоплювати неозброєний погляд. Вчені скористалися звичним своїм інструментом - швидкісний кінозйомкою. Прокрутили знятий ролик, але. ніяких їжаків не виявили. Протуберанці, досить товсті відростки, вигадливо вигнуті щупальця, які немов би вистрілювали з тіла великого бульбашки, ніяк не були схожі на голки симпатичного мешканця лісу. І вчені дали цьому незвичайному створення більш прозаїчне ім'я - великий деформований бульбашка (скорочено БДП). На екрані вдалося розгледіти, як від БДП відривалися, а потім спрямовувалися назад дрібні прозорі бульбашки сферичної форми.
Що це було? Кавітація, породжує тисячеградусние температури, колосальні тиску? Або, можливо, якесь нове, вперше спостерігається явище? Для перевірки, як ми вже знаємо, є особливі тести, своєрідні лакмусові папірці, що виявляють кавітацію - звукохіміческіе реакції і світіння рідин.
У першому ж перевірочному експерименті низькочастотний звук легко запустив ланцюгову реакцію перетворення малеїновий кислоти в фумаровую. Сумніви ще залишалися - реакція ця хоча і має славу у хіміків складною і примхливою, але для ініціювання вимагає порівняно невеликій енергії. Але коли в лабораторній пробірці двовалентне залізо перетворилося в тривалентне, коли молекули води стали розщеплюватися в ній, немов горіхи під ударом молотка, двох думок бути не могло - збуджена справжнісінька кавітація. Самі дослідники спочатку з працею вірили своіv ж результатами. Однак багаторазові перевірки підтверджували: звукохіміческіе реакції можна вести вже при частоті звуку в 7 Гц, а деякі розчини починали світитися при 30 Гц.
Ми ведемо розповідь про відкриття, яке можна назвати гарячим. Дослідження низькочастотної кавітації ще тільки почалися.
"Дісталося" не тільки електричної, а й інший - теплової теорії кавітації. Там було зазначено: в процесі швидкого стиснення і схлопування кавітаційного пухирця парогазова суміш нагрівається до тисячеградусних температур. При цьому вона, природно, починає світитися подібно нитки розжарювання звичайної електролампочки, а плазмова температура розщеплює молекули, ініціює найнеймовірніші хімічні реакції. Однак тепер в результаті найвлучніших досліджень встановлено: сонолюминесценция - це таке ж холодне свічення, як у мерехтливих в ночі світляків.
Майже кожен новий експеримент показував звичну вже кавітацію з несподіваного боку, відкривав незвичайні її здібності. Скажімо, руйнівна сила високочастотної кавітації була добре відома. Гладку поверхню металів вона в лічені хвилини могла перетворити в шорстку, викрашівая досить великі частки. Низькочастотна кавітація виявилася, навпаки, знаряддям тонким, делікатним. Їй не становило жодних проблем згладити, відполірувати саму шорстку поверхню, виколюючи лише мікроскопічні частинки металу.
Низькочастотна кавітація легко і швидко готувала емульсії з змішуються в звичайних умовах рідин, дробила занурені в рідину гранули твердої речовини, запускала самі енергоємні хімічні реакції. Звичайно, все це вміє і ультразвукова, високочастотна кавітація. Але щоб створити її, як відомо, необхідна особлива апаратура, генератори. Тепер же підключай джерело коливань в мережу, яка живить домашній радіоприймач, і всі корисні здібності кавітації - до твоїх послуг. Припустимо, треба з граничною ретельністю і швидкістю перемішувати речовини в хімічному реакторі ємністю в кілька залізничних цистерн. Завдання це - звичайнісінька, звичайна для хімічної, фармацевтичної, мікробіологічної промисловості. Традиційне рішення: як мішалки беруть щось на зразок пропелера або гвинтового шнека, виготовлені з найдорожчих, хімічно стійких сплавів. А можна вмонтувати в реактор нескладний джерело коливань, включити його в розетку звичайної мережі - ефект, як свідчать розрахунки, буде ще кращий.
Навряд чи хто зможе сьогодні передбачити різноманітні практичні додатки "другого" відкриття кавітації. Поки воно лише розчищає дорогу для більш глибокого розуміння цього цікавого явища, перекидає бар'єри, багато десятиліть стояли на шляху дослідників. Розуміння справжнього механізму кавітації, як і звідки виникають її надзвичайні сили, ще попереду. А за ним, як завжди буває в науці, - нові можливості для інженера, конструктора, технолога, які сьогодні неможливо і передбачити.
Л. галамага, інженер-фізик
Малюнки А. Матросова