Белые пятна безбрежного океана - Фрадкин Борис Захарович. Страница 11
Кавитация... Это замечательно!
Представьте себе горизонтальную трубу, по которой течет вода. Пусть на каком-то участке трубы из каких-то конструктивных соображений выполнили сужение. Когда поток воды будет проходить суженный участок, скорость воды возрастет.
Неизбежное возрастание скорости легко объясняется законом сохранения вещества: через каждое сечение трубы за одно и то же время пройдет одно и то же количество воды. А чтобы то же количество успело пройти через малое сечение, вода вынуждена двигаться быстрее. При этом с уменьшением диаметра трубы вдвое скорость возрастает в четыре раза, т. е. зависимость здесь квадратичная.
Увеличение скорости означает увеличение кинетической энергии потока. На основании закона сохранения энергии последняя из ничего появиться не может. Поэтому рост кинетической энергии неизбежно вызовет падение потенциальной энергии, а роль потенциальной энергии в потоке воды выполняет давление.
Таким образом, чем меньше диаметр, тем выше в нем будет скорость и тем ниже упадет давление. В наших возможностях довести диаметр до сколь угодно малых размеров. Возрастет ли при этом скорость до бесконечности? Упадет ли давление до нуля? Нет, ничего этого не произойдет.
Как только в своем падении давление приблизится по величине к давлению насыщенных паров, начнется бурное выделение растворенных в воде газов с одновременным парообразованием. Короче говоря, вода, какой бы холодной она ни была, закипит. Кипение будет сопровождаться образованием великого множества пузырьков, тех самых безобидных пузырьков, понаблюдать которые мы предлагали вам в стакане с водопроводной водой.
Подхваченные потоком воды, пузырьки устремятся из суженного участка в широкую часть трубы. Но здесь скорость движения должна резко снизиться, а давление соответственно возрасти. Увеличение давления приведет к обратному процессу: конденсации пара, растворению газов в воде, т. е. к исчезновению пузырьков. Тут-то и начинается самое неприятное. Пузырьки будут лопаться. Их стенки, смыкаясь в тысячные доли секунды, вызовут скачок давления до сотен тысяч атмосфер. Исчезая, пузырек оставляет след - гидравлический удар. Он подобен уколу иголки. Но какому уколу! И кроме того, иголок-то мириады.
В итоге "иголочки" сделают свое коварное дело: кристалл за кристаллом начнут они "съедать" металл трубы и, если им не препятствовать, то на стенке сначала появятся раковины, а затем и сквозные дыры. На рис. 4 V1 и P1 - скорость и давление перед сужением. При значительном сужении скорость V в трубопроводе возрастает до некоторого критического значения V2=Vкp, а давление падает до давления насыщенных паров Р2 = Рн.п. Вода закипит. При выходе из сужения скорость V падает до V3, а давление возрастет до Р3. Здесь вода и начнет "поедать" трубу. Описанное явление получило в гидравлической технике название кавитации (по латыни "кавитас" - полость, пузырь).
Рис. 4. Возникновение кавитации в трубопроводе
Кавитация способна возникнуть не только в сужении трубы, но всюду, где изменение профиля обтекаемого тела вызовет местное возрастание скорости, значит и местное падение давления. Тек это имеет место под крыльями речных судов типа "Ракета", ставя тем самым непреодолимый барьер скорости движения. "Ракетам" именно по этой причине не суждено выйти на рубежи 80-100 км/ч.
Кавитация - непримиримый и коварный враг гидравлической техники. Она накладывает жесткое вето на увеличение скорости потока или скорости тела в потоке. Стоит нарушить запрет, и самый прочный металл, способный выдержать даже прямое попадание бронебойного снаряда, будет обращен в пыль от воздействия пузырьков обыкновенной воды.
Говорят, что нет худа без добра. Кавитация - враг гидравлической техники. Она съедает тысячи тонн металла в год, ограничивает возможности гидравлических машин, Но она же подсказала инженерам и замечательную возможность использования разрушительной способности пузырьков. Сначала кавитацию испытали на очистке деталей, там где не должно быть и тысячных долей миллиграмма грязи, например, на деталях часовых механизмов или электронных реле в космических кораблях. Результат превзошел все ожидания.
Затем кавитацию опробовали на чисто механической обработке - на зачистке заусенцев штампованных шестеренок часовых механизмов - операции чрезвычайно трудоемкой. И опять успех сверх всяких ожиданий.
Ныне установки для кавитационной очистки и обработки, изготовляемые в Советском Союзе, экспортируются в Болгарию, Великобританию, Индию и многие другие страны. Что касается степени очистки, то она так велика, что никакими известными способами не удается обнаружить после воздействия кавитации ни следов грязи, ни следов заусенцев.
Схема кавитационной обработки показана на рис. 5. В ванну загружаются детали; соленоид создает ультразвуковые колебания сердечника. Вибрация вызывает появление кавитационных пузырьков в жидкости.
Рис. 5. Схема для кавитационной обработки деталей. 1 - ванна; 2 - сердечник; 3 - соленоид
На заводе торгового оборудования мучались с очисткой внутренних поверхностей труб. Попробовали с помощью кавитации и поразились: зеркало! Такой чистоты и в ружейных стволах не бывает.
Конечно, все это лишь первые шаги. А что ждет кавитацию в области обработки металлов завтра? Наверняка ей суждено стать самым дешевым "инструментом" для самой чистовой обработки всех металлов без исключения. И любых металлических сплавов. Даже таких, которые не по зубам современному алмазному резцу.
Прочность воды
Как представить себе прочность жидкости? А так же, как и твердого тела: она должна "работать" на деформации сжатия, растяжения, кручения, сдвига, изгиба.
Известно, что если на каждый квадратный сантиметр поверхности воды создать избыточное давление в 100 кПа, то первоначальный объем воды уменьшится на 1/21000. Величина практически ничтожная и показывающая, что при малых давлениях вода отлично "работает" на деформацию сжатия.
Но сегодняшней технике по плечу давления в десятки и сотни тысяч атмосфер. И тогда выясняется, что вода - весьма податливая жидкость. Принято считать, что вода в 100 раз менее упруга, чем сталь.
А как вода ведет себя на деформацию растяжения? В самом деле, как представить стержень из воды, который одним концом закреплен, а на другой действует растягивающая сила?! Но вспомним о поверхностном натяжении, которым обладает любая жидкость, а вода в особенности. Частицы, лежащие на поверхности, жидкости, имеют более значительные силы сцепления. Они образуют как бы своеобразную пленку, и чтобы порвать эту пленку, нужно приложить весьма заметные растягивающие (обратите внимание - растягивающие!) усилия. Чтобы убедиться в этом, попробуйте оторвать друг от друга смоченные водой стеклянные пластинки. Не удается! Их скрепляет поверхностное натяжение. Из всех известных на Земле жидкостей только ртуть обладает более мощным поверхностным натяжением.
Теоретические исследования и эксперименты над поверхностным натяжением воды привели физиков к неожиданному результату: если бы удалось создать идеально чистую воду, т. е. такую, в которой полностью отсутствовали бы механические примеси и растворенные газы, то для разрыва стержня из такой воды диаметром в 1 см потребовалась бы сила в 367,3 кН! Иными словами, идеальной воде по плечу растягивающие (и, разумеется, сжимающие) напряжения в 47745*105 Па. Это, по крайней мере, в 100 раз превосходит прочность лучших известных сегодня сортов стали.
Получить идеально чистую воду пока еще никому не удавалось, и даже пути к достижению такой цели предсказать невозможно. Но если сама возможность доказана теорией, то вряд ли кто-нибудь станет отрицать ее практическое воплощение хотя бы в далеком будущем. Без сомнения, придет время, когда сверхпрочную воду смогут получать сначала в лабораториях, а затем и на промышленных предприятиях.