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キャビテーションの二度目の発見。 子ども科学実験室
XNUMX 世紀末、イギリス海軍は当時に最適な XNUMX 隻の艦船を補充する必要がありました。 「Dering」と「Turbinia」は、スピードのための最後のテストに合格する必要がありました。ちなみに、これは設計者によって主な利点として提案されました。 残念ながら、推定速度は達成されませんでした。 故障の考えられる原因を詳細に調査したところ、高速でのプロペラは非常に集中的に摩耗し、ポットホールや空洞で覆われ、ブレード上に現れる多数の蒸気と気泡が原因であることがわかりました。 このような状況の中で、初めてキャビテーションという技術が導入されました。 それはテクニックです。 なぜなら、科学はこの現象をXNUMX年前から知っていたからです。 それはイギリスの物理学者 O. レイノルズによって理論的に予測されました。 そして、設計者たちが同胞の基礎研究にもっと注意を払っていたら、おそらく恥ずかしいことはなかったでしょう。 確かに、理論家は技術者に過度の期待を抱かないよう警告することもできたはずだ。 しかし、もうだめです。 もし何らかの方法でキャビテーションを回避して、真の超高速船を建造する方法を尋ねられたとしても、科学者はほとんど答えを見つけることができなかったでしょう。 そして、キャビテーションが発見されてから XNUMX 世紀以上経った今日に至るまで、この現象を研究する科学はテクノロジーの恩恵を受けています。 機械や構造物に破壊をもたらすキャビテーションが発生するしきい値を正確に計算することさえ常に可能であるとは限りません。 それは今も崩れ、プロペラの金属、ポンプやタービンのブレード、ダム、運河、閘門のコンクリートの本体が露出します。 キャビテーションの破壊的な力を方向転換して味方にすることはさらに困難であり、これについての魅力的な考えは昨日生まれたものではありません。 強力な現代科学がキャビテーションの最も重要な秘密を破るのはなぜでしょうか? まず、この現象について彼女が知っていることをはっきりと思い出してみましょう。 液体内に減圧が発生すると、液体中にキャビテーション気泡が発生します。 これは、たとえば、固体の周りを高速で流れる場合、または本質的に同じですが、物体自体が液体中で高速で移動する場合に発生します。 液体を通過する音波と超音波も低圧領域を生成し、キャビテーションを引き起こします。 キャビテーション気泡の生存期間は非常に短いです。 ものすごいスピードで、ほんの一瞬のうちに崩壊してしまいます。 この崩壊は爆発と同様に衝撃波を発生させます。 単なる微小爆発にしましょう。 ほんの一瞬の間に、何百、何千ものそれらが存在します。 それらが重なり合い、力を倍増させます。 液体のさまざまな点で、温度は瞬時に数千度まで上昇し、圧力は最大数十気圧まで上昇します。 泡には、鎧を破壊する累積発射体のように硬い表面に作用する最も薄いエイが含まれている可能性があります。 無重力泡の驚異的な力はここから生まれます。 残念なことに、ほとんどの場合、これらの力は破壊的です。 現在、それらが有益に機能し始めるのはほんの少数の場合だけです。たとえば、部品の表面をきれいにしたり、仕上げ石の自然なパターンを明らかにしたり、ガソリンや水などの「相容れない」液体を混ぜたりするのに役立ちます。 有害で破壊的なキャビテーションとよりよく闘い、それをより完全に善のために利用するには、方法は XNUMX つしかありません。それは、その秘密をより深く侵入することです。 キャビテーションバブルと通常のバブルの違いは何ですか? 中で何が起こっているのでしょうか？ その中のエネルギーの変換を支配する法則は何ですか? もし今日科学者たちがこれらの質問に対する答えを知っていれば、明日には超高速船が実現するでしょう。 しかし、これまでのところ、議論の余地のある仮説は数多くあるだけです。 したがって、エンジニアはキャビテーションの力を利用したい新しい構造や機械を必要な精度で計算することができません。 このような例は、これまでのところこの現象に関する知識がいかに不十分であるかを示しています。 ほぼ半世紀前、超音波の作用下での液体の輝きである音ルミネッセンスと、試薬に音が照射された場合にのみ起こる音響化学反応が発見されました。 これらの現象は両方とも非常にエネルギーを大量に消費するため、キャビテーションのみがそれらを引き起こす可能性があります。 効果はキャビテーションの一種のテストになっています。 しかし、その仕組みや性質はいまだ謎に包まれています。 なぜキャビテーションはこれほどまでに近寄りがたいのでしょうか？ その秘密を解明する前にどんな障害が立ちはだかるでしょうか？ キャビテーション気泡で起こっている変化をより明確に想像するには、まず、キャビテーション気泡がどのように誕生し、移動し、消滅するか、つまり、その生涯のすべての段階にわたってどのように変化するかを注意深く追跡する必要があります。 キャビテーションバブルは科学映画の主役の XNUMX つになりました。 世界中の数十の研究所で、数え切れないほどのフィルムで撮影されてきました。 しかし残念ながら、超高速撮影でも彼の人生の瞬間には追いつきません。 私たちの映画のヒーローは、わずか XNUMX 万分の XNUMX 秒、さらには XNUMX 万分の XNUMX 秒しか生きていません。 また、気泡のサイズは XNUMX 分の XNUMX、XNUMX ミリメートルであることも考慮する必要があります。 最後に、キャビテーションは、一瞬のうちに生まれる XNUMX 個や XNUMX 個の気泡ではありません。 いわゆるキャビテーション フィールドの XNUMX 立方センチメートルの中で、約 XNUMX 億個のキャビテーション フィールドが一度に脈動します。 ホログラフィック映画の最初のヒーローの一人が、実験版の実験室に登場するとすぐに、再びキャビテーションバブルになったのは偶然ではありません...そして謎は減りませんでした。 試験管の中のハリネズミ 科学では、次のようなことがよくあります。最先端のテクノロジーを備えた優秀な頭脳が長年にわたって苦労してきた複雑な問題を解決するには、非常に単純なアイデア、つまり初歩的な、ほとんど学校での経験が欠けています。 キャビテーションの問題において、これはおそらく幸運なことに、全連合有機合成科学研究所の化学物理分野の科学者によって決定的な一歩を踏み出すことができた。 一部の研究者は、バブル運動の微分方程式の異常に複雑な系を解くためのより高度な機器や最新の手法に頼っていましたが、VNIIOS の専門家は、非正面的な回避策を探していました。 彼らの意図した作戦は何だったのでしょうか？ 彼らはこんなことを言い争いました。 キャビテーション気泡を見ると、その気泡が貧弱で寿命が非常に短いことがわかります。 それはキャビテーションを励起する振動の周波数によって異なります。 研究者らが、たとえば10～100Hzの周波数でキャビテーションを発生させることができた場合、計算によると、気泡はXNUMX分のXNUMX秒生存し、最大XNUMXセンチメートルまで成長する可能性がある。 そのとき、私たちは映画のヒーローを本当に間近で見ることになります。 この単純なアイデアは、これまで誰も思いついたことがなかったでしょうか? もちろん彼女は来ました。 たくさんの試みがありました。 アメリカの研究者によって行われた最後の研究の結果を記載した論文が、この分野の責任者であるM.A.マーグリスの机の上に置かれていました。 そしてそれについては何の慰めもありません。 もう一度、通常の観点の確認が得られました。キャビテーションは閾値現象です。つまり、特定の周波数から始まり、この周波数は、残念ながらキロヘルツで計算されます...それでも、何かが私たちに強制しました。意図的に失敗した経験を再現する。 これは、手に負えない問題に対する善良な怒り、探求的な情熱、忍耐力、そして直感によって引き起こされました。
アメリカ人にとってこの実験を行うのは難しいことではなかった。 そのスキームは単純でした。振動ロッドが液体の入った容器内に下げられ、キャビテーションが発生した場合、分光計がその輝きを記録する必要があります。 彼らはすべてを正しく行いました - キャビテーションのようなものはありません。 彼らはロッドの振動の振幅を増加させようとしました - 励起がより激しくなるだろうと彼らは言います。 超高感度分光計は「静か」です。 うねり、液体内の乱流が増加しますが、伸びはありません。 液体はいわば弾性が高すぎるため、渦を巻いているものの、ゆっくりと振動するロッドの周りをなんとか流れています。 しかし、彼女はロッドの振動をあたかも打撃であるかのように認識する必要があります。 これを達成するにはどうすればよいでしょうか? 振動ロッド周囲の流れを排除するだけで十分であり、低周波キャビテーションが発見された 新しい実験には、おそらく学校の物理教室にもありそうな、試験管、三脚、プレキシガラスから彫った棒、25ワットのスピーカー、古い真空管アンプなどの機器が設置されました。唯一の微妙さ - ピストンの形の振動ロッドは、管の壁との隙間がわずかXNUMX分のXNUMXミリメートルになるように作られていました。 この場合、液体はロッドの周りを以前ほど簡単に流れることができなくなりました。 サウンドジェネレーターは 90 Hz の周波数でオンになります。 次に何が起こったかについて、M.A.マーグリスは次のように述べています。 私たちは一瞬の間、異常なことに気づきませんでした。 すると、液体で満たされた試験管の壁近くの小さな領域で、振動するピストンの下に小さな球形の泡が現れました。 その数は急速に増加しました。 それらは大きな血塊を形成し、外見上はハリネズミに似ていました。 このハリネズミは目に見えて脈動していました。 徐々に頻度を増やしていきました。 200 Hz 以上では、XNUMX 匹以上の並外れたハリネズミを作成することが可能でした。 彼らは試験管のさまざまな部分で生まれました。 時々それらは互いに突進し、合体し、すぐに衝突して散り散りになりました。 ハリネズミは、個々の脈動する泡の集合体である集合体のようには見えず、大きくて奇妙な形をした泡であることがすぐにわかりました... しかし、誰もが肉眼で把握する時間があったわけではありません。 科学者たちはいつものツールである高速撮影を使用しました。 彼らはその映像を再生しましたが、ハリネズミは見つかりませんでした。 突起、かなり太い付属肢、大きな泡の体から飛び出したように見える複雑に湾曲した触手は、美しい森の住人の針にはまったく似ていませんでした。 そして科学者たちは、この異常な創造物に、よりありふれた名前を付けました - 大きな変形したバブル（BDPと略されます）。 球形の小さな透明な泡がBJPから引きはがされ、そして急いで戻ってくる様子が画面上で確認できました。 それが何だった？ 数千度の温度と巨大な圧力を生み出すキャビテーション? それとも、初めて観測された新しい現象でしょうか? すでにご存知のように、キャビテーション、つまり音響化学反応や液体の輝きを検出する特別なテスト、つまりリトマス試験紙のようなものをチェックする必要があります。 障壁を打ち破る 非常に最初のテスト実験では、低周波音が簡単にマレイン酸からフマル酸への変換の連鎖反応を開始しました。 この反応は化学者の間では複雑で気まぐれであると言われているが、反応を開始するのに比較的少ないエネルギーしか必要としないという疑問がまだ残っていた。 しかし、実験室の試験管内の第一鉄が三価の鉄に変化し、その中で水分子がハンマーで打撃を受けたナッツのように分裂し始めたとき、もはや二つの意見はあり得ません - 本当のキャビテーションが興奮したのです。 研究者自身も最初は自分たちの結果を信じるのが難しいと感じました。 しかし、複数の検査により、音響化学反応がすでに 7 Hz の音響周波数で実行可能であることが確認され、一部の溶液は 30 Hz で発光し始めました。 私たちは熱いと言える発見について話しています。 低周波キャビテーションの研究はまだ始まったばかりです。 しかし、最初の日から興味深い結果がもたらされました。 たとえば、科学者たちが BJP を自分の目で見て、キャビテーションが発生することを確認するとすぐに、キャビテーションに関する最も権威のある理論の XNUMX つが崩壊しました。 発生するキャビテーション泡の表面には反対の電荷が生じると考えられていました。 ある瞬間、電気的破壊が発生します。 したがって、大きなエネルギーの放出、発光、最も困難な化学反応の開始が起こります。 このようなことが起こるための唯一の条件は、キャビテーション気泡が...完璧に規則的なレンチキュラー形状でなければならないということです。 私たちが知っているように、研究者たちはスクリーン上で、かなり幻想的な形の植物を見ました。 電気的な理論だけでなく、別のキャビテーションの熱理論も「理解しました」。 彼女は、キャビテーション気泡の急速な圧縮と崩壊の過程で、蒸気とガスの混合物が XNUMX 度の温度に加熱されると述べました。 同時に、通常の電球のフィラメントのように自然に輝き始め、プラズマの温度によって分子が分裂し、最も信じられないほどの化学反応が始まります。 しかし現在、最も徹底的な研究の結果、音ルミネッセンスは夜に点滅するホタルの冷たい光と同じであることが確立されました。 ほぼすべての新しい実験は、すでにおなじみのキャビテーションを予期せぬ側面から示し、その並外れた能力を明らかにしました。 高周波キャビテーションの破壊力がよく知られていたとしましょう。 ほんの数分で、金属の滑らかな表面が粗い表面に変わり、かなり大きな粒子が欠けてしまいます。 逆に、低周波キャビテーションは薄くて繊細なツールであることが判明しました。 彼女にとって、最も粗い表面を滑らかにし、磨き、微細な金属粒子だけをえぐり出すのは、難しいことではありませんでした。 キャビテーション低周波キャビテーションは、通常の条件下では混和しない液体からエマルジョンを簡単かつ迅速に調製し、粉砕された固体顆粒を液体に浸漬し、最もエネルギーを消費する化学反応を開始します...もちろん、超音波高周波キャビテーションはこれらすべてを行うことができます。 しかし、ご存知のように、それを作成するには、特別な装置、発電機が必要です。 次に、発振源を家庭用ラジオに電力を供給するネットワークに接続すると、キャビテーションの便利な機能がすべて利用できるようになります。 たとえば、鉄道タンク数個分の容量を持つ化学反応器では、細心の注意とスピードを持って物質を混合する必要があります。 このタスクは、化学、製薬、微生物産業にとって最も一般的で一般的なタスクです。 従来の解決策: 撹拌機として、最も高価で耐薬品性の合金で作られたプロペラやスクリューのようなものを使用します。 そして、反応器に単純な発振源を取り付け、それを従来のネットワークのコンセントに接続することもできます。計算によると、効果はさらに優れています。 キャビテーションの「XNUMX 番目の」発見のさまざまな実際の応用を今日予測できる人は誰もいないでしょう。 これまでのところ、この最も興味深い現象をより深く理解するための道が開かれただけであり、何十年にもわたって研究者たちの前に立ちはだかった障壁が打ち破られました。 キャビテーションの真のメカニズム、その異常な力がどのように、どこで発生するのかを理解するのはまだ先のことです。 そしてその背後には、科学では常に起こることですが、エンジニア、デザイナー、技術者にとって、今日では予測不可能な新しい機会が存在します。 著者: L. ガラマガ
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