캐비테이션의 두 번째 발견. 도면, 설명

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캐비테이션의 두 번째 발견. 어린이과학실

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XNUMX세기 말 영국 해군은 당시에 딱 맞는 두 척의 배를 보충해야 했습니다. "Dering"과 "Turbinia"는 마지막 테스트를 통과해야했습니다. 속도는 디자이너가 주요 이점으로 제시했습니다. 아아, 예상 속도에 도달하지 못했습니다. 가능한 고장 원인에 대한 자세한 연구에 따르면 고속 프로펠러는 매우 심하게 마모되어 움푹 들어간 곳, 동굴로 덮여 있으며 블레이드에 나타나는 수많은 증기 기포가 원인입니다.

이러한 상황에서 처음으로 캐비테이션 기술이 도입되었습니다. 기술입니다. 과학은 이 현상을 XNUMX년 동안 알고 있었기 때문입니다. 그것은 이론적으로 영국 물리학자 O. Reynolds에 의해 예측되었습니다. 그리고 디자이너가 동포의 근본적인 연구에 더주의를 기울였다면 아마도 당혹스럽지 않았을 것입니다.

예, 이론가는 과도한 희망에 대해 엔지니어에게 경고할 수 있었습니다. 그러나 더 이상. 그가 질문을 받았다면 어떤 식 으로든 캐비테이션을 우회하여 진정으로 초고속 선박을 만드는 방법은 과학자가 답을 거의 찾지 못했을 것입니다.

그리고 캐비테이션이 발견된 지 XNUMX년이 넘은 오늘날까지 이 현상을 연구하는 과학은 기술 덕분입니다. 기계나 구조물에 파괴적인 캐비테이션이 발생하는 임계값을 정확하게 계산하는 것조차 항상 가능한 것은 아닙니다. 그것은 여전히 부서지고 프로펠러의 금속, 펌프와 터빈의 블레이드, 댐의 콘크리트 몸체, 운하, 자물쇠를 드러냅니다.

더 어렵고 유혹적인 생각은 어제 태어나지 않았습니다. 캐비테이션의 파괴적인 힘을 바꾸고 동맹국으로 만드는 것입니다.

강력한 현대 과학이 캐비테이션의 가장 중요한 비밀을 밝히는 이유는 무엇입니까?

먼저, 그녀가 이 현상에 대해 확실히 알고 있는 것을 기억해 봅시다. 감압이 생성되면 액체에 캐비테이션 기포가 나타납니다. 예를 들어 이것은 고체 주위를 고속으로 흐르거나 본질적으로 동일하며 물체 자체가 액체에서 빠르게 움직일 때 발생합니다. 액체를 통과하는 음파와 초음파도 저압 영역을 생성하여 캐비테이션을 일으킵니다. 캐비테이션 거품은 매우 짧은 시간 동안 살아갑니다. 엄청난 속도로 순식간에 무너집니다. 폭발과 같은 이 붕괴는 충격파를 생성합니다. 그냥 미세 폭발로 두십시오. 짧은 순간에 수백, 수천이 있습니다. 그들은 서로 겹쳐서 힘을 배가시킵니다. 액체의 다른 지점에서 온도는 즉시 수천도, 압력은 최대 수십 기압까지 올라갑니다. 거품은 갑옷을 파괴하는 누적 발사체와 같이 단단한 표면에 작용하는 가장 얇은 가오리를 가질 수 있습니다! 이것은 무중력 거품의 놀라운 힘이 나오는 곳입니다.

불행하게도 대부분의 경우 이러한 힘은 파괴적입니다. 예를 들어 부품 표면을 청소하고 돌을 마무리하는 자연스러운 패턴을 드러내는 데 도움을 주며 휘발유와 물과 같은 "호환되지 않는"액체를 혼합합니다. 유해하고 파괴적인 캐비테이션과 더 잘 싸우고 선을 위해 더 잘 사용하려면 비밀에 더 깊이 침투하는 단 한 가지 방법이 있습니다.

캐비테이션 버블과 일반 버블의 차이점은 무엇입니까? 안에서 무슨 일이야? 어떤 법칙이 에너지 변환을 지배합니까? 오늘날 과학자들이 이러한 질문에 대한 답을 안다면 내일 초고속 선박이 현실이 될 것입니다. 그러나 지금까지는 논쟁의 여지가 있는 수많은 가설이 있을 뿐입니다. 따라서 엔지니어는 캐비테이션의 힘을 활용하려는 새로운 구조나 기계를 필요한 정확도로 계산할 수 없습니다.

지금까지 이 현상에 대한 지식이 얼마나 불충분한지는 그러한 예에서 알 수 있습니다. 거의 반세기 전에 시약이 소리로 조사 될 때만 발생하는 음파 화학 반응뿐만 아니라 초음파 작용하에 액체의 빛이 나는 음파 발광이 발견되었습니다. 이 두 현상은 모두 매우 에너지 집약적이며 캐비테이션만이 원인이 될 수 있습니다. 효과는 캐비테이션에 대한 일종의 테스트가되었습니다. 그러나 그 메커니즘과 성질은 여전히 수수께끼입니다.

캐비테이션이 접근하기 어려운 이유는 무엇입니까? 그 비밀을 가로막는 장애물은 무엇입니까? 캐비테이션 기포와 함께 C에서 일어나는 변형을 더 명확하게 상상하기 위해서는 먼저 그것이 삶의 모든 단계에서 어떻게 태어나고, 움직이고, 사라지는지를 주의 깊게 따라야 합니다.

캐비테이션 버블은 과학 영화의 주인공 중 하나가 되었습니다. 전 세계 수십 개의 실험실에서 수많은 필름으로 촬영되었습니다. 그러나 아아, 초고속 촬영도 그의 삶의 순간을 따라가지 못한다. 우리 영화의 주인공은 XNUMX만분의 XNUMX초, 심지어는 XNUMX만분의 XNUMX초밖에 살지 못합니다! 우리는 또한 고려해야합니다 : 거품의 크기는 XNUMX/XNUMX, XNUMX/XNUMX 밀리미터입니다. 마지막으로, 캐비테이션은 한 순간에 생겨나는 거품이 하나도 아니고 천 개도 아닙니다. 소위 캐비테이션 필드의 XNUMX 입방 센티미터에서 약 XNUMX억 개가 한 번에 맥동합니다! 홀로그램 영화의 첫 번째 영웅 중 한 명이 실험실 실험 버전에 등장하자마자 다시 캐비테이션 버블이 된 것은 우연이 아닙니다 ... 그리고 미스터리는 줄어들지 않았습니다.

시험관 속의 고슴도치

과학에서는 종종 이런 일이 발생합니다. 가장 진보 된 기술로 무장 한 최고의 마음이 수년 동안 어려움을 겪어 온 복잡한 문제를 해결하기 위해 매우 간단한 아이디어, 거의 학교 경험이 누락되었습니다. 캐비테이션 문제에서 이것은 아마도 All-Union Scientific Research Institute of Organic Synthesis의 화학 물리학 분야의 과학자들이 취할만큼 결정적인 단계 일 것입니다.

일부 연구자들은 비정상적으로 복잡한 기포 운동의 미분 방정식 시스템을 풀기 위한 최신 방법인 첨단 장비에 의존했지만 VNIIOS 전문가들은 비정면 해결 방법을 찾고 있었습니다. 그들이 의도한 기동은 무엇이었습니까? 그들은 이렇게 주장했습니다. 캐비테이션 거품을 보는 것은 빈약함과 극도로 짧은 수명을 방지합니다. 캐비테이션을 일으키는 진동의 빈도에 따라 달라집니다. 연구자들이 10-100Hz의 주파수에서 캐비테이션을 얻을 수 있다면 계산에 따르면 기포는 XNUMX분의 XNUMX초 동안 살 수 있고 최대 XNUMXcm까지 측정할 수 있습니다. 그때 우리는 우리 영화의 주인공을 정말 가까이에서 보게 될 것입니다.

이 간단한 아이디어는 이전에 누구에게도 발생하지 않았습니까? 물론 그녀는 왔다. 많은 시도가 있었습니다. 미국 연구원이 수행 한 마지막 결과가 담긴 기사가 M.A. Margulis 부문 책임자의 책상에 놓여 있습니다. 그리고 그것에 대해 위로가되는 것은 없습니다. 다시 한 번 일반적인 관점에 대한 확인이 접수되었습니다. 캐비테이션은 임계 현상입니다. 즉, 특정 주파수에서 시작하여 발생하며이 주파수는 아아, 킬로 헤르츠 단위로 계산됩니다. 의도적으로 실패한 경험을 재현합니다. 이것은 다루기 힘든 문제에 대한 선한 분노와 탐구적인 열정, 인내, 직관에 의해 촉발되었습니다.

캐비테이션의 두 번째 발견

미국인들이 실험을 하는 것은 어렵지 않았다. 그 계획은 간단했습니다. 진동 막대가 액체가 담긴 용기로 내려지고 분광계는 캐비테이션이 발생하면 빛을 기록해야 합니다. 캐비테이션과 같은 것은 없습니다. 그들은 막대의 진동 진폭을 높이려고 노력했습니다. 그들은 여기가 더 강해질 것이라고 말합니다. 초감도 분광계는 "침묵"입니다. 액체의 난기류가 증가하지만 스트레칭은 없습니다. 액체는 말하자면 너무 탄력적이어서 소용돌이치지만 여전히 천천히 진동하는 막대 주위를 흐릅니다. 그러나 그녀는 그것이 타격인 것처럼 막대의 진동을 인식할 필요가 있습니다. 이것을 달성하는 방법?

진동봉 주변의 유동을 배제하기에 충분하여 저주파 캐비테이션이 발견됨

아마도 학교 물리학 교실에서도 찾을 수 있는 장비로 새로운 실험이 시작되었습니다. 시험관, 삼각대, 플렉시 유리로 조각한 막대, 25와트 스피커, 오래된 튜브 증폭기 ... 그것의 미묘함-피스톤 형태의 진동 막대는 튜브 벽과의 간격이 XNUMX/XNUMX 밀리미터에 불과하도록 만들어졌습니다. 이 경우 액체는 더 이상 이전처럼 쉽게 로드 주위를 흐를 수 없습니다.

사운드 생성기는 90Hz의 주파수에서 켜집니다. 다음에 일어난 일에 대해 M. A. Margulis는 다음과 같이 말합니다.

우리는 200분 동안 이상한 점을 발견하지 못했습니다. 그런 다음 액체로 채워진 시험관 벽 근처의 작은 영역에서 진동하는 피스톤 아래에 작은 구형 기포가 나타났습니다. 그들의 수는 빠르게 증가했습니다. 그들은 겉으로는 고슴도치와 닮은 큰 응고를 형성했습니다. 이 고슴도치는 눈에 띄게 맥동하고 있었습니다. 점차 횟수를 늘렸습니다. XNUMXHz 이상에서는 두 개 이상의 특별한 고슴도치를 만드는 것이 가능했습니다. 그들은 시험관의 다른 부분에서 태어났습니다. 때때로 그들은 서로에게 돌진하고 합쳐지고 즉시 충돌로 흩어졌습니다. 고슴도치는 대기업처럼 보이지 않고 개별 맥동 거품의 축적이 아니라 크고 기괴한 모양의 거품이라는 것이 즉시 분명해졌습니다 ...

그러나 모든 사람이 육안으로 파악할 시간이 없었습니다. 과학자들은 일반적인 도구인 고속 촬영을 사용했습니다. 그들은 영상을 재생했지만 ... 고슴도치는 찾지 못했습니다. 두드러기, 다소 두꺼운 부속물, 큰 거품의 몸에서 튀어 나온 것처럼 보이는 복잡하게 구부러진 촉수는 예쁜 숲 거주자의 바늘과 전혀 닮지 않았습니다. 그리고 과학자들은 이 특이한 창조물에 더 산문적인 이름인 큰 변형된 거품(BDP로 약칭)을 부여했습니다. 구형의 작고 투명한 거품이 BJP에서 찢어지고 다시 돌진하는 모습을 화면에서 볼 수 있습니다.

뭐였지? 천도의 온도와 엄청난 압력을 생성하는 캐비테이션? 아니면 처음으로 관찰된 새로운 현상일까요? 우리가 이미 알고 있듯이 확인하기 위해 캐비테이션을 감지하는 일종의 리트머스 종이인 특수 테스트가 있습니다. 소리-화학 반응 및 액체의 빛.

장벽을 허물다

첫 번째 테스트 실험에서 저주파 소리는 말레산이 푸마르산으로 변환되는 연쇄 반응을 쉽게 시작했습니다. 의심은 여전히 남아 있습니다. 이 반응은 화학자들 사이에서 복잡하고 변덕스러운 것으로 알려져 있지만 시작하는 데 상대적으로 적은 에너지가 필요합니다. 그러나 실험실 테스트 튜브의 철철이 7가 철로 변했을 때 물 분자가 망치 타격 아래의 견과류처럼 쪼개지기 시작했을 때 더 이상 두 가지 의견이있을 수 없었습니다. 실제 캐비테이션이 흥분되었습니다. 연구원들은 처음에 자신들의 결과를 믿기 어려웠습니다. 그러나 여러 번 확인한 결과 초음파 화학 반응이 이미 30Hz의 사운드 주파수에서 수행될 수 있으며 일부 솔루션은 XNUMXHz에서 빛나기 시작했습니다.

우리는 뜨겁다고 할 수있는 발견에 대해 이야기하고 있습니다. 저주파 캐비테이션에 대한 연구는 이제 막 시작되었습니다.

그러나 첫날부터 그들은 흥미로운 결과를 가져옵니다. 예를 들어, 과학자들이 BJP를 직접 눈으로 보고 공동화를 확인하자마자 가장 권위 있는 공동화 이론 중 하나가 무너졌습니다. 떠오르는 캐비테이션 기포의 표면에서 반대 전하가 발생한다고 믿었습니다. 특정 순간에 전자 고장이 발생합니다. 따라서 - 큰 에너지 방출, 발광, 가장 어려운 화학 반응의 시작. 이러한 과정의 유일한 조건은 캐비테이션 기포가 흠잡을 데 없이 규칙적인 렌즈 모양이어야 한다는 것입니다. 우리가 알고 있듯이 화면에서 연구원들은 다소 환상적인 모양의 식물을 보았습니다.

전기뿐만 아니라 캐비테이션의 열 이론도 "얻었습니다". 그녀는 말했다 : 캐비테이션 기포의 급속한 압축 및 붕괴 과정에서 증기-가스 혼합물은 천도의 온도로 가열됩니다. 동시에 일반 전구의 필라멘트처럼 자연스럽게 빛나기 시작하고 플라즈마 온도는 분자를 분할하고 가장 놀라운 화학 반응을 시작합니다. 그러나 지금은 가장 철저한 연구 결과 음파 발광이 밤에 깜박이는 반딧불과 같은 차가운 빛이라는 것이 밝혀졌습니다.

거의 모든 새로운 실험은 예상치 못한 측면에서 이미 익숙한 캐비테이션을 보여 주었고 놀라운 능력을 보여주었습니다. 고주파 캐비테이션의 파괴력이 잘 알려져 있다고 가정 해 봅시다. 몇 분 만에 금속의 매끄러운 표면을 거친 표면으로 바꾸어 다소 큰 입자를 조각낼 수 있습니다. 반대로 저주파 캐비테이션은 얇고 섬세한 도구로 판명되었습니다. 그녀가 가장 거친 표면을 매끄럽게 연마하고 미세한 금속 입자 만 뽑아내는 것은 어렵지 않았습니다.

캐비테이션저주파 캐비테이션은 정상 조건에서 섞이지 않는 액체에서 쉽고 빠르게 에멀젼을 준비하고, 액체에 담긴 분쇄된 고체 과립은 가장 에너지 집약적인 화학 반응을 시작했습니다... 물론 초음파, 고주파 캐비테이션이 이 모든 것을 할 수 있습니다. 그러나 그것을 만들려면 아시다시피 특수 장비, 발전기가 필요합니다. 이제 진동 소스를 홈 라디오에 공급하는 네트워크에 연결하면 모든 유용한 캐비테이션 기능을 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 여러 개의 철도 탱크 용량을 가진 화학 반응기에서 최대한의 주의와 속도로 물질을 혼합해야 합니다. 이 작업은 화학, 제약, 미생물 산업에서 가장 일반적이고 일반적인 작업입니다. 전통적인 솔루션: 교반기로서 가장 비싸고 화학적으로 저항력이 있는 합금으로 만든 프로펠러 또는 나사 나사와 같은 것을 사용합니다. 그리고 원자로에 간단한 진동 소스를 장착하고 기존 네트워크의 콘센트에 연결할 수 있습니다. 계산에 따르면 효과는 훨씬 더 좋습니다.

오늘날 캐비테이션의 "두 번째" 발견의 다양한 실제 응용을 예측할 수 있는 사람은 없을 것입니다. 지금까지는 이 가장 흥미로운 현상에 대한 더 깊은 이해를 위한 길을 열어줄 뿐이며 수십 년 동안 연구자들을 가로막았던 장벽을 뒤집을 뿐입니다. 캐비테이션의 진정한 메커니즘, 그 특별한 힘이 어디서 어떻게 발생하는지 이해하는 것은 여전히 앞서 있습니다. 그리고 그 이면에는 과학에서 늘 그렇듯이 오늘날에는 예측할 수 없는 엔지니어, 설계자, 기술자를 위한 새로운 기회가 있습니다.

저자: L. 갈라마가

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