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LABORATÓRIO CIENTÍFICO INFANTIL
A segunda descoberta da cavitação. Laboratório de Ciências para Crianças
Diretório / Laboratório de Ciências para Crianças No final do século XIX, a marinha inglesa teve que reabastecer dois navios perfeitos para a época. "Dering" e "Turbinia" tiveram que passar no último teste - a velocidade, que, aliás, foi apresentada pelos projetistas como sua principal vantagem. Infelizmente, a velocidade estimada não foi alcançada. Um estudo detalhado das possíveis causas de falha mostrou que as hélices em alta velocidade se desgastam muito intensamente, ficando cobertas de buracos, cavernas e as inúmeras bolhas de vapor que aparecem nas pás são as culpadas. Sob tais circunstâncias, a tecnologia foi introduzida pela primeira vez na cavitação. É a técnica. Porque a ciência conhece esse fenômeno há vinte anos. Foi previsto teoricamente pelo físico inglês O. Reynolds. E se os designers estivessem mais atentos à pesquisa fundamental de seu compatriota, talvez não houvesse constrangimento. Sim, o teórico poderia ter alertado os engenheiros contra esperanças excessivas. Mas não mais. Se lhe perguntassem: como construir uma nave verdadeiramente ultrarrápida, contornando a cavitação de alguma forma, o cientista dificilmente teria encontrado uma resposta. E até hoje, depois de mais de um século desde a descoberta da cavitação, a ciência que estuda esse fenômeno deve muito à tecnologia. Nem sempre é possível fazer um cálculo preciso do limite além do qual ocorre a cavitação, que é destrutiva para uma máquina ou estrutura. Ainda desmorona, ela revela o metal das hélices, as pás das bombas e turbinas, os corpos de concreto das represas, canais, eclusas. Ainda mais difícil - e pensamentos tentadores sobre isso não nasceram ontem - transformar as forças destrutivas da cavitação e torná-las aliadas. Por que a poderosa ciência moderna cede aos segredos mais importantes da cavitação? Primeiro, vamos relembrar o que ela sabe sobre esse fenômeno definitivamente. Bolhas de cavitação aparecem em um líquido se uma pressão reduzida for criada nele. Isso acontece, por exemplo, ao fluir em alta velocidade em torno de um corpo sólido, ou, na verdade, é equivalente quando o próprio corpo se move rapidamente em um líquido. Ondas sonoras e ultrassônicas, passando pelo líquido, também criam áreas de baixa pressão, causando cavitação. As bolhas de cavitação duram muito pouco tempo. Com grande velocidade, em uma minúscula fração de segundo, eles colapsam. Esse colapso, como uma explosão, gera uma onda de choque. Que sejam apenas microexplosões. Em breves momentos, existem centenas, milhares deles. Eles se sobrepõem, multiplicando sua força. Em diferentes pontos do líquido, a temperatura salta instantaneamente para milhares de graus, a pressão - para muitas dezenas de atmosferas. As bolhas podem ter os raios de picada mais finos que agem em uma superfície dura como um projétil cumulativo que destrói a armadura! É daí que vêm os incríveis poderes das bolhas sem peso. Na maioria das vezes, infelizmente, essas forças são destrutivas. Apenas em alguns casos eles começam a funcionar de forma útil hoje - por exemplo, limpam a superfície das peças, ajudam a revelar o padrão natural das pedras de acabamento, misturam líquidos "incompatíveis" como gasolina e água. Para combater melhor a cavitação prejudicial e destrutiva e usá-la mais plenamente para o bem, só há uma maneira - penetrar mais profundamente em seus segredos. Qual é a diferença entre uma bolha de cavitação e uma normal? O que está acontecendo lá dentro? Que leis regem a transformação de energia nele? Se hoje os cientistas soubessem as respostas para essas perguntas, veja, amanhã as naves ultrarrápidas se tornariam reais. Mas até agora existem apenas numerosas hipóteses argumentativas. E, portanto, o engenheiro não consegue calcular com a precisão necessária uma nova estrutura ou máquina na qual gostaria de aproveitar as forças da cavitação. Quão insuficiente é o conhecimento desse fenômeno até agora, esse exemplo mostra. Há quase meio século, foi descoberta a sonoluminescência - o brilho dos líquidos sob a ação do ultrassom, bem como as reações sonoquímicas que ocorrem apenas quando os reagentes são irradiados com som. Ambos os fenômenos são muito intensivos em energia e somente a cavitação pode causá-los. Os efeitos se tornaram uma espécie de teste de cavitação. No entanto, seu mecanismo e natureza ainda são um mistério. Por que a cavitação é tão inacessível? Que obstáculos estão no caminho de seus segredos? Para imaginar com mais clareza as transformações que ocorrem C com uma bolha de cavitação, deve-se antes de tudo acompanhar cuidadosamente como ela nasce, se move, desaparece, em uma palavra, ao longo de todas as etapas de sua vida. A bolha de cavitação tornou-se um dos personagens principais dos filmes científicos. Em dezenas de laboratórios ao redor do mundo, já foi filmado em incontáveis metros de filme. Mas, infelizmente, mesmo as filmagens em ultra-alta velocidade não acompanham os momentos de sua vida. Nosso herói do cinema vive apenas centésimos de milésimos ou mesmo milionésimos de segundo! Também devemos levar em consideração: o tamanho das bolhas é de centésimos, milésimos de milímetro. Finalmente, a cavitação não é uma ou mesmo mil bolhas que nascem em um instante. Em um centímetro cúbico do chamado campo de cavitação, cerca de um bilhão deles pulsam ao mesmo tempo! Não é por acaso que um dos primeiros heróis do cinema holográfico, assim que surgiu em laboratório, versão experimental, voltou a ser uma bolha de cavitação... E os mistérios não diminuíram. Ouriços em um tubo de ensaio Na ciência, muitas vezes acontece assim: para resolver algum problema complexo, sobre o qual as melhores mentes, armadas com a tecnologia mais avançada, lutam há muitos anos, falta alguma ideia muito simples, alguma experiência elementar, quase escolar. No problema da cavitação, este, talvez, um passo decisivo teve a sorte de ser dado por cientistas do setor de física química do All-Union Scientific Research Institute of Organic Synthesis. Enquanto alguns pesquisadores confiavam em equipamentos cada vez mais avançados, os métodos mais recentes para resolver sistemas incomumente complexos de equações diferenciais de movimento de bolhas, os especialistas do VNIIOS procuravam uma solução alternativa não frontal. Qual era a manobra pretendida? Eles argumentaram algo assim. Simplesmente ver as bolhas de cavitação evita sua escassez e vida útil extremamente curta. Depende da frequência das oscilações que excitam a cavitação. Se os pesquisadores conseguissem obter a cavitação, digamos, em frequências de 10-100 Hz, as bolhas, segundo os cálculos, poderiam viver por décimos de segundo e medir até um centímetro. É quando veríamos nosso herói do cinema bem de perto. Essa ideia simples nunca ocorreu a ninguém antes? Claro que ela veio. Foram muitas tentativas. Um artigo com os resultados do último deles, realizado por pesquisadores americanos, estava na mesa do chefe do setor, M.A. Margulis. E não há nada de reconfortante nisso. Mais uma vez, foi recebida a confirmação do ponto de vista usual: a cavitação é um fenômeno limiar, ou seja, ocorre a partir de uma determinada frequência, e essa frequência é calculada, infelizmente, em quilohertz ... E, no entanto, algo nos obrigou a reproduzir uma experiência deliberadamente malsucedida. Isso foi motivado por uma boa raiva de um problema intratável e paixão exploratória, perseverança e intuição.
Não foi difícil para os americanos fazer o experimento. Seu esquema era simples: uma haste oscilante é abaixada em um recipiente com um líquido e o espectrômetro, se ocorrer cavitação, deve registrar o brilho. Eles fizeram tudo certo - nada como cavitação. Eles tentaram aumentar a amplitude das oscilações da haste - dizem, a excitação ficará mais intensa. O espectrômetro supersensível é "silencioso". A fervura, a turbulência no líquido aumenta, mas não há estiramento. O líquido é, por assim dizer, muito elástico, embora gire, ainda consegue fluir em torno de uma haste que oscila lentamente. Mas é preciso que ela perceba as vibrações da vara como se fossem golpes. Como conseguir isso? Foi o suficiente para excluir o fluxo ao redor da haste oscilante e a cavitação de baixa frequência foi descoberta Um novo experimento foi montado com equipamentos que, provavelmente, podem ser encontrados até na sala de aula de física da escola: um tubo de ensaio, um tripé, uma haste esculpida em plexiglass, um alto-falante de 25 watts, um amplificador valvulado antigo ... apenas sutileza - uma haste oscilante em forma de pistão foi feita de forma que a folga com as paredes do tubo fosse de apenas um décimo de milímetro. Nesse caso, o líquido não poderia mais fluir ao redor da haste tão facilmente quanto antes. O gerador de som é ligado a uma frequência de 90 Hz. Sobre o que aconteceu a seguir, M. A. Margulis diz: Não notamos nada fora do comum por um minuto. Então, em uma pequena área perto da parede do tubo de ensaio cheio de líquido, pequenas bolhas esféricas apareceram sob o pistão oscilante. Seu número cresceu rapidamente. Eles formaram um grande coágulo, externamente semelhante a um ouriço. Este ouriço estava visivelmente pulsando. Nós gradualmente aumentamos a frequência. A 200 Hz e acima, foi possível criar dois ou mais ouriços extraordinários. Eles nasceram em diferentes partes do tubo de ensaio. De vez em quando, eles corriam um para o outro, fundiam-se e imediatamente se espalhavam com um estrondo. Ficou imediatamente evidente que os ouriços não pareciam conglomerados - acúmulos de bolhas pulsantes individuais, mas eram bolhas grandes e de formato bizarro ... Mas nem todo mundo teve tempo de entender a olho nu. Os cientistas usaram sua ferramenta usual - filmagem em alta velocidade. Eles reproduziram a filmagem, mas ... não encontraram nenhum ouriço. Proeminências, apêndices bastante grossos, tentáculos intrincadamente curvos que pareciam ter saído do corpo de uma grande bolha, não se assemelhavam em nada às agulhas de um belo morador da floresta. E os cientistas deram a essa criação incomum um nome mais prosaico - uma grande bolha deformada (abreviada como BDP). Foi possível ver na tela como pequenas bolhas transparentes de forma esférica foram arrancadas do BJP e depois voltaram correndo. O que foi isso? Cavitação gerando temperaturas de mil graus, pressões colossais? Ou, talvez, algum fenômeno novo observado pela primeira vez? Para verificar, como já sabemos, existem testes especiais, uma espécie de papel de tornassol que detectam a cavitação - reações químicas sonoras e o brilho dos líquidos. Quebrando barreiras No primeiro experimento de teste, um som de baixa frequência iniciou facilmente uma reação em cadeia da transformação do ácido maleico em ácido fumárico. As dúvidas ainda permaneciam - embora essa reação seja considerada complexa e caprichosa entre os químicos, requer relativamente pouca energia para iniciar. Mas quando o ferro ferroso em um tubo de ensaio de laboratório se transformou em ferro trivalente, quando as moléculas de água começaram a se dividir nele, como nozes sob um golpe de martelo, não havia mais duas opiniões - a cavitação real foi excitada. Os próprios pesquisadores inicialmente acharam difícil acreditar em seus próprios resultados. No entanto, várias verificações confirmaram que as reações sonoquímicas já podem ser realizadas a uma frequência sonora de 7 Hz, e algumas soluções começaram a brilhar a 30 Hz. Estamos falando de uma descoberta que pode ser chamada de quente. A pesquisa sobre cavitação de baixa frequência está apenas começando. No entanto, desde os primeiros dias trazem resultados interessantes. Por exemplo, assim que os cientistas viram o BJP com seus próprios olhos e se certificaram de que eles cavitavam, uma das teorias mais confiáveis da cavitação entrou em colapso. Acreditava-se que cargas opostas surgiam na superfície da bolha de cavitação emergente. Em um determinado momento, ocorre uma pane eletrônica. Conseqüentemente - uma grande liberação de energia, luminescência, iniciação das reações químicas mais difíceis. A única condição para tal curso de coisas é que a bolha de cavitação deve ser... uma forma lenticular impecavelmente regular. Na tela, como sabemos, os pesquisadores viram uma planta de formato fantástico. "Tenho" não apenas elétrica, mas também outra - a teoria térmica da cavitação. Ela disse: no processo de rápida compressão e colapso da bolha de cavitação, a mistura vapor-gás é aquecida a temperaturas de mil graus. Ao mesmo tempo, naturalmente começa a brilhar como o filamento de uma lâmpada comum, e a temperatura do plasma divide as moléculas, iniciando as reações químicas mais incríveis. No entanto, agora, como resultado da pesquisa mais completa, foi estabelecido que a sonoluminescência é o mesmo brilho frio dos vaga-lumes piscando na noite. Quase todos os novos experimentos mostraram a cavitação já familiar de um lado inesperado, revelando suas habilidades extraordinárias. Digamos que o poder destrutivo da cavitação de alta frequência seja bem conhecido. Em questão de minutos, ele poderia transformar a superfície lisa dos metais em áspera, lascando partículas bastante grandes. A cavitação de baixa frequência, ao contrário, revelou-se uma ferramenta fina e delicada. Não foi difícil para ela alisar, polir a superfície mais áspera, arrancando apenas partículas microscópicas de metal. cavitaçãoCavitação de baixa frequência preparou facilmente e rapidamente emulsões de líquidos imiscíveis em condições normais, grânulos sólidos triturados imersos em um líquido, lançou as reações químicas mais intensivas em energia ... Claro, a cavitação ultrassônica de alta frequência pode fazer tudo isso. Mas para criá-lo, como você sabe, você precisa de equipamentos especiais, geradores. Agora conecte a fonte de oscilações à rede que alimenta o rádio doméstico e todas as habilidades úteis de cavitação estão ao seu serviço. Por exemplo, é necessário misturar substâncias com o máximo cuidado e rapidez em um reator químico com capacidade para vários tanques ferroviários. Essa tarefa é a mais comum, comum para as indústrias química, farmacêutica e microbiológica. A solução tradicional: como agitador, eles usam algo como uma hélice ou um parafuso, feito das ligas mais caras e quimicamente resistentes. E você pode montar uma fonte simples de oscilações no reator, conectá-la à tomada de uma rede convencional - o efeito, segundo os cálculos, será ainda melhor. É improvável que alguém hoje seja capaz de prever as várias aplicações práticas da "segunda" descoberta da cavitação. Até agora, apenas abre caminho para uma compreensão mais profunda desse fenômeno tão interessante, derruba as barreiras que se interpuseram no caminho dos pesquisadores por muitas décadas. A compreensão do verdadeiro mecanismo da cavitação, como e onde surgem suas forças extraordinárias, ainda está por vir. E por trás disso, como sempre acontece na ciência, existem novas oportunidades para um engenheiro, designer, tecnólogo, que hoje são impossíveis de prever. Autor: L. Galamaga
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