|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
DZIECIĘCE LABORATORIUM NAUKOWE
Drugie odkrycie kawitacji. Laboratorium naukowe dla dzieci
Katalog / Laboratorium Naukowe dla Dzieci Pod koniec XIX wieku angielska marynarka wojenna musiała uzupełnić dwa doskonałe na tamte czasy okręty. „Dering” i „Turbinia” musiały przejść ostatni test - na szybkość, która, nawiasem mówiąc, została podana przez projektantów jako ich główna zaleta. Niestety, szacowana prędkość nie została osiągnięta. Szczegółowe badanie możliwych przyczyn awarii wykazało, że śmigła przy dużych prędkościach zużywają się bardzo intensywnie, pokrywając się dziurami, jaskiniami i licznymi pęcherzykami pary i powietrza, które pojawiają się na łopatach. W takich okolicznościach po raz pierwszy wprowadzono technologię kawitacji. To jest technika. Ponieważ nauka zna to zjawisko od dwudziestu lat. Teoretycznie przewidział to angielski fizyk O. Reynolds. A gdyby projektanci bardziej zwracali uwagę na fundamentalne badania swojego rodaka, być może nie byłoby wstydu. Tak, teoretyk mógł ostrzec inżynierów przed nadmiernymi nadziejami. Ale nie wiecej. Gdyby zapytano go: jak zbudować naprawdę ultraszybki statek, omijając w jakiś sposób kawitację, naukowiec z trudem znalazłby odpowiedź. I do dziś, po ponad stuleciu od odkrycia kawitacji, nauka badająca to zjawisko wiele zawdzięcza technologii. Nie zawsze jest nawet możliwe dokładne obliczenie progu, powyżej którego następuje destrukcyjna dla maszyny lub konstrukcji kawitacja. Wciąż się kruszy, odsłania metal śmigieł, łopatek pomp i turbin, betonowe korpusy zapór, kanałów, śluz. Jeszcze trudniejsze – i kuszące myśli o tym nie narodziły się wczoraj – odwrócić niszczycielskie siły kawitacji i uczynić z nich sprzymierzeńców. Dlaczego potężna współczesna nauka zdradza najważniejsze tajemnice kawitacji? Najpierw przypomnijmy sobie, co ona wie o tym zjawisku z całą pewnością. Pęcherzyki kawitacyjne pojawiają się w cieczy, jeśli powstaje w niej obniżone ciśnienie. Dzieje się tak na przykład podczas opływania ciała stałego z dużą prędkością lub, co zasadniczo jest tym samym, gdy samo ciało porusza się szybko w cieczy. Fale dźwiękowe i ultradźwiękowe, przechodząc przez ciecz, również tworzą obszary niskiego ciśnienia, powodując kawitację. Pęcherzyki kawitacyjne żyją bardzo krótko. Z wielką prędkością, w ułamku sekundy, zapadają się. To zawalenie się, podobnie jak eksplozja, generuje falę uderzeniową. Niech to będą tylko mikrowybuchy. W krótkich chwilach są ich setki, tysiące. Nakładają się na siebie, zwielokrotniając swoją siłę. W różnych punktach cieczy temperatura natychmiast skacze do tysięcy stopni, a ciśnienie do kilkudziesięciu atmosfer. Bąbelki mogą mieć najcieńsze promienie żądlące, które działają na twardą powierzchnię jak skumulowany pocisk, który niszczy zbroję! Stąd bierze się niesamowita moc nieważkich bąbelków. Najczęściej są to niestety siły destrukcyjne. Tylko w nielicznych przypadkach zaczynają dziś pożytecznie działać – na przykład czyszczą powierzchnię części, pomagają odsłonić naturalny wzór kamieni wykończeniowych, mieszają „niekompatybilne” płyny, takie jak benzyna i woda. Aby lepiej walczyć ze szkodliwą, destrukcyjną kawitacją i pełniej wykorzystać ją dla dobra, jest tylko jeden sposób – wniknąć głębiej w jej tajemnice. Czym różni się bańka kawitacyjna od zwykłej? Co się dzieje w środku? Jakie prawa rządzą w nim przemianą energii? Widzisz, gdyby dzisiejsi naukowcy znali odpowiedzi na te pytania, jutro ultraszybkie statki stałyby się rzeczywistością. Ale jak dotąd są tylko liczne, dyskusyjne hipotezy. I dlatego inżynier nie jest w stanie z wymaganą dokładnością obliczyć nowej konstrukcji lub maszyny, w której chciałby okiełznać siły kawitacji. Jak niedostateczna jest dotychczasowa wiedza o tym zjawisku, pokazuje taki przykład. Prawie pół wieku temu odkryto sonoluminescencję - świecenie cieczy pod wpływem ultradźwięków, a także reakcje sonochemiczne, które zachodzą tylko wtedy, gdy odczynniki zostaną napromieniowane dźwiękiem. Oba te zjawiska są bardzo energochłonne i tylko kawitacja może je wywołać. Efekty stały się rodzajem testu na kawitację. Jednak ich mechanizm i natura wciąż pozostaje tajemnicą. Dlaczego kawitacja jest tak niedostępna? Jakie przeszkody stoją na drodze do jego tajemnic? Aby lepiej wyobrazić sobie przemiany zachodzące C z bańką kawitacyjną, trzeba przede wszystkim uważnie prześledzić, jak się ona rodzi, porusza, znika, jednym słowem, na wszystkich etapach swojego życia. Bańka kawitacyjna stała się jednym z głównych bohaterów filmów naukowych. W dziesiątkach laboratoriów na całym świecie został sfilmowany na niezliczonych metrach taśmy. Ale niestety, nawet ultraszybkie filmowanie nie nadąża za momentami jego życia. Nasz filmowy bohater żyje tylko setnymi, a nawet milionowymi częściami sekundy! Musimy również wziąć pod uwagę: rozmiar bąbelków to setne, tysięczne części milimetra. Wreszcie kawitacja to nie jeden czy nawet tysiąc bąbelków narodzonych w jednej chwili. W jednym centymetrze sześciennym tak zwanego pola kawitacyjnego pulsuje ich około miliarda! To nie przypadek, że jeden z pierwszych bohaterów kina holograficznego, gdy tylko pojawił się w laboratoryjnej, eksperymentalnej wersji, ponownie stał się bańką kawitacyjną… A tajemnice nie malały. Jeże w probówce W nauce często bywa tak: do rozwiązania jakiegoś złożonego problemu, nad którym od wielu lat zmagają się najwybitniejsze umysły, uzbrojone w najbardziej zaawansowaną technologię, brakuje jakiegoś bardzo prostego pomysłu, jakiegoś elementarnego, niemal szkolnego doświadczenia. W problemie kawitacji ten być może decydujący krok szczęśliwie podjęli naukowcy z sektora fizyki chemicznej z Ogólnounijnego Instytutu Badań Naukowych Syntezy Organicznej. Podczas gdy niektórzy badacze polegali na coraz bardziej zaawansowanym sprzęcie, najnowszych metodach rozwiązywania niezwykle złożonych układów równań różniczkowych ruchu pęcherzyków, specjaliści VNIIOS szukali niefrontowego, obejścia problemu. Jaki był ich zamierzony manewr? Pokłócili się o coś takiego. Wyraźnie widoczne bąbelki kawitacyjne zapobiegają ich mizerności i wyjątkowo krótkiej żywotności. Zależy to od częstotliwości oscylacji, które wzbudzają kawitację. Gdyby naukowcom udało się uzyskać kawitację, powiedzmy, przy częstotliwościach 10-100 Hz, bąbelki, według obliczeń, mogłyby żyć przez dziesiąte części sekundy i mierzyć do centymetra. Wtedy mogliśmy zobaczyć naszego filmowego bohatera naprawdę z bliska. Czy ten prosty pomysł nigdy wcześniej nikomu nie przyszedł do głowy? Oczywiście, że przyszła. Było wiele prób. Artykuł z wynikami ostatniego z nich, którego podjęli się amerykańscy badacze, leżał na biurku szefa sektora, mgr Margulis. I nie ma w tym nic pocieszającego. Po raz kolejny otrzymano potwierdzenie zwykłego punktu widzenia: kawitacja jest zjawiskiem progowym, to znaczy występuje od określonej częstotliwości, a częstotliwość ta jest obliczana, niestety, w kilohercach ... A jednak coś nas zmusiło odtworzyć celowo nieudane doświadczenie. Było to spowodowane dobrym gniewem na nierozwiązywalny problem oraz odkrywczą pasją, wytrwałością i intuicją.
Przeprowadzenie eksperymentu nie było trudne dla Amerykanów. Jego schemat był prosty: oscylujący pręt zanurza się w naczyniu z cieczą, a spektrometr, jeśli wystąpi kawitacja, musi zarejestrować jarzenie. Zrobili wszystko dobrze - nie ma to jak kawitacja. Próbowali zwiększyć amplitudę oscylacji pręta - mówią, że wzbudzenie stanie się bardziej intensywne. Superczuły spektrometr jest „cichy”. Wrze, turbulencja w cieczy wzrasta, ale nie ma rozciągania. Ciecz jest jakby zbyt elastyczna, choć wiruje, to jednak udaje jej się opłynąć wokół wolno oscylującego pręta. Ale konieczne jest, aby postrzegała wibracje pręta tak, jakby to były uderzenia. Jak to osiągnąć? Wystarczyło wykluczyć przepływ wokół oscylującego pręta i odkryto kawitację o niskiej częstotliwości Zorganizowano nowy eksperyment ze sprzętem, który prawdopodobnie można spotkać nawet w szkolnej sali do fizyki: probówką, statywem, prętem wyrzeźbionym z pleksiglasu, 25-watowym głośnikiem, starym wzmacniaczem lampowym... Jego tylko subtelność - oscylujący pręt w kształcie tłoka został wykonany w taki sposób, że szczelina ze ściankami tuby wynosiła zaledwie jedną dziesiątą milimetra. W tym przypadku ciecz nie mogła już przepływać wokół pręta tak łatwo, jak wcześniej. Generator dźwięku jest włączany przy częstotliwości 90 Hz. O tym, co stało się później, MA Margulis mówi: Przez minutę nie zauważyliśmy niczego niezwykłego. Następnie w niewielkiej przestrzeni przy ściance probówki wypełnionej cieczą pod oscylującym tłokiem pojawiły się małe kuliste bąbelki. Ich liczba szybko rosła. Utworzyli duży skrzep, na zewnątrz przypominający jeża. Ten jeż wyraźnie pulsował. Stopniowo zwiększaliśmy częstotliwość. Przy częstotliwości 200 Hz i wyższej można było stworzyć dwa lub nawet więcej niezwykłych jeży. Urodziły się w różnych częściach probówki. Od czasu do czasu rzucili się na siebie, połączyli i natychmiast rozproszyli się z trzaskiem. Od razu było widać, że jeże nie wyglądają jak konglomeraty – skupiska pojedynczych pulsujących bąbelków, ale są to duże bąbelki o dziwacznych kształtach… Ale nie wszyscy mieli czas, aby uchwycić gołym okiem. Naukowcy wykorzystali swoje zwykłe narzędzie - szybkie filmowanie. Odtworzyli materiał, ale… jeży nie znaleźli. Wybrzuszenia, raczej grube wyrostki, misternie zakrzywione macki, które wydawały się wystrzelone z ciała dużej bańki, wcale nie przypominały igieł ładnej mieszkanki lasu. A naukowcy nadali temu niezwykłemu stworzeniu bardziej prozaiczną nazwę - dużą zdeformowaną bańkę (w skrócie BDP). Na ekranie można było zobaczyć, jak małe przezroczyste bąbelki o kulistym kształcie zostały oderwane od BJP, a następnie rzucone z powrotem. Co to było? Kawitacja generująca temperatury tysiąca stopni, kolosalne ciśnienie? A może jakieś nowe, zaobserwowane po raz pierwszy zjawisko? Aby to sprawdzić, jak już wiemy, istnieją specjalne testy, rodzaj papierków lakmusowych wykrywające kawitację - reakcje dźwiękowo-chemiczne i blask cieczy. Przełamywanie barier Już w pierwszym eksperymencie testowym dźwięk o niskiej częstotliwości z łatwością zapoczątkował reakcję łańcuchową przemiany kwasu maleinowego w kwas fumarowy. Wątpliwości wciąż pozostawały - choć reakcja ta uchodzi chemikom za złożoną i kapryśną, to do jej zainicjowania potrzeba stosunkowo niewiele energii. Ale kiedy żelazo żelazowe w probówce laboratoryjnej zamieniło się w żelazo trójwartościowe, kiedy cząsteczki wody zaczęły się w nim rozszczepiać, jak orzechy pod uderzeniem młotka, nie mogło być już dwóch zdań - wzbudzono prawdziwą kawitację. Samym naukowcom początkowo trudno było uwierzyć we własne wyniki. Jednak wielokrotne kontrole potwierdziły, że reakcje sonochemiczne można przeprowadzać już przy częstotliwości dźwięku 7 Hz, a niektóre roztwory zaczęły świecić już przy 30 Hz. Mówimy o odkryciu, które można nazwać gorącym. Badania nad kawitacją o niskiej częstotliwości dopiero się rozpoczęły. Jednak już od pierwszych dni przynoszą ciekawe rezultaty. Na przykład, gdy tylko naukowcy zobaczyli BJP na własne oczy i upewnili się, że kawitują, upadła jedna z najbardziej autorytatywnych teorii kawitacji. Uważano, że na powierzchni powstającej bańki kawitacyjnej powstają przeciwne ładunki. W pewnym momencie następuje awaria elektroniczna. Stąd - duże uwolnienie energii, luminescencja, inicjacja najtrudniejszych reakcji chemicznych. Jedynym warunkiem takiego przebiegu rzeczy jest to, że bańka kawitacyjna musi mieć… nienagannie regularny soczewkowaty kształt. Na ekranie, jak wiemy, badacze zobaczyli raczej jakąś fantastycznie ukształtowaną roślinę. „Mam” nie tylko elektryczne, ale także inne - termiczną teorię kawitacji. Powiedziała: w procesie gwałtownego sprężania i zapadania się pęcherzyka kawitacyjnego mieszanina pary z gazem nagrzewa się do temperatury tysiąca stopni. W tym samym czasie naturalnie zaczyna świecić jak włókno zwykłej żarówki, a temperatura plazmy rozdziela cząsteczki, inicjując najbardziej niesamowite reakcje chemiczne. Jednak teraz, w wyniku najdokładniejszych badań, ustalono, że sonoluminescencja to taka sama zimna poświata, jak świetliki migoczące w nocy. Niemal każdy nowy eksperyment ukazywał znajomą już kawitację z nieoczekiwanej strony, ujawniał jej niezwykłe zdolności. Powiedzmy, że niszczycielska moc kawitacji o wysokiej częstotliwości była dobrze znana. W ciągu kilku minut może zmienić gładką powierzchnię metali w szorstką, odpryskując dość duże cząstki. Przeciwnie, kawitacja o niskiej częstotliwości okazała się cienkim, delikatnym narzędziem. Nie było jej trudno wygładzić, wypolerować najbardziej szorstką powierzchnię, wyżłobiając jedynie mikroskopijne drobinki metalu. kawitacja Kawitacja o niskiej częstotliwości łatwo i szybko przygotowuje emulsje z cieczy niemieszających się w normalnych warunkach, rozdrabnianych stałych granulek zanurzonych w cieczy, uruchamia najbardziej energochłonne reakcje chemiczne... Oczywiście wszystko to może zrobić kawitacja ultradźwiękowa o wysokiej częstotliwości. Ale aby go stworzyć, jak wiadomo, potrzebny jest specjalny sprzęt, generatory. Teraz podłącz źródło oscylacji do sieci zasilającej domowe radio, a wszystkie przydatne właściwości kawitacji są do Twojej dyspozycji. Na przykład konieczne jest mieszanie substancji z najwyższą starannością i szybkością w reaktorze chemicznym o pojemności kilku zbiorników kolejowych. To zadanie jest najzwyklejsze, wspólne dla przemysłu chemicznego, farmaceutycznego, mikrobiologicznego. Tradycyjne rozwiązanie: jako mieszadło biorą coś w rodzaju śmigła lub śruby, wykonanej z najdroższych, odpornych chemicznie stopów. A można w reaktorze zamontować proste źródło oscylacji, podłączyć do gniazdka konwencjonalnej sieci – efekt, według obliczeń, będzie jeszcze lepszy. Jest mało prawdopodobne, aby ktokolwiek był dziś w stanie przewidzieć różne praktyczne zastosowania „drugiego” odkrycia kawitacji. Na razie toruje jedynie drogę do głębszego zrozumienia tego najciekawszego zjawiska, przełamuje bariery, które stały na drodze badaczy przez wiele dziesięcioleci. Zrozumienie prawdziwego mechanizmu kawitacji, tego, jak i gdzie powstają jej nadzwyczajne siły, jest wciąż przed nami. A za tym, jak to zwykle bywa w nauce, kryją się nowe możliwości dla inżyniera, konstruktora, technologa, których dziś nie sposób przewidzieć. Autor: L. Galamaga
▪ Silnik elektryczny ze spinaczy do papieru ▪ Peryskop zapewniający widoczność we wszystkich kierunkach
Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024 Klawiatura Primium Seneca
05.05.2024 Otwarto najwyższe obserwatorium astronomiczne na świecie
04.05.2024
▪ Świecący Dywan - sprytny przewodnik w kosmosie ▪ Robotyczna noga uczy się samodzielnie chodzić ▪ Telewizor do gier Redmi Telewizor do gier X Pro ▪ Mrówki tnące liście wytwarzają gaz rozweselający
▪ sekcja serwisu Technologia cyfrowa. Wybór artykułu ▪ artykuł Zwykła historia. Popularne wyrażenie ▪ artykuł Sekretarz Techniczny. Standardowe instrukcje dotyczące ochrony pracy ▪ artykuł Cudowny zbieg okoliczności. Sekret ostrości
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony