Юный техник, 2000 № 07
Шрифт:
Техническая характеристика:
Тип двигателя… F8L 413F с воздушным охлаждением
Количество цилиндров… 8
Объем двигателя… 12 763 см3
Мощность двигателя… 256 л.с.
Максимальный момент… 817 Нм
Полный вес автомобиля… 19 000 кг
Грузоподъемность шасси… 12 720 кг
Радиус поворота… 17 800 мм
Объем топливного бака… 200 л
ПОЛИГОН
Кавитация.
Все мы знаем — жидкость практически невозможно сжать. Однако при наличии растворенных газов в ней достаточно легко создаются разрывы, образуются пустоты. Когда они схлопываются, получается нечто похожее на миниатюрный взрыв. Не существует материалов, способных сопротивляться его воздействию. Так, например, однажды, около ста лет назад, за четыре часа работы был полностью «съеден» такими схлопывающимися пузырьками винт скоростного судна.
Явление стали изучать и дали ему название — кавитация, что означает в переводе с латинского — пустота. Вначале решили кавитации избегать. Но постепенно научились извлекать из нее пользу. Оказалось, что они может не только разрушать судовые винты, но и резко улучшать их работу.
Остроумное использование кавитации позволяю создать в СССР торпеду, движущуюся под водой со скоростью самолета. Кавитация помогает получать смазочные масла, в десятки раз продлевающие срок службы машин, готовить уникальные лекарства и необычные пищевые продукты. Однако сегодня мы все еще знаем о ней маловато. Например, недавно в опытах с кавитацией обнаружилось прямо-таки загадочное появление избыточной энергии. (Об этом мы писали в «ЮТ» № 5 за 1997 год.)
В отличие от очень многих научных проблем, где каждый шаг вперед требует солидных денег, кавитация пока остается проблемой, требующей прежде всего ясного, острого творческого ума. Заняться ее изучением можно даже в самых простейших школьных условиях. И здесь очень поможет книга В.В.Майера «Кумулятивный эффект в простых опытах». (Москва, «Наука», 1989 г. К сожалению, сегодня подобная литература не выпускается.)
Для начала явление надо «пощупать». Проще всего получить кавитацию с помощью классического многоразового стеклянного шприца с металлическим поршнем и иглой (рис. 1).
Наденьте на шприц иглу и наберите воды, да так, чтобы не было пузырьков воздуха. После этого воткните иглу в мягкий резиновый ластик и начните резко выдвигать поршень. Вода под ним начнет «вскипать», образуя пузырьки. А это не что иное, как разрывы в жидкости, наполненные парами воды и выделившимися из нее растворенными газами. Давление внутри пузырьков ниже атмосферного.
Если поршень быстро поднять и тотчас отпустить, послышится щелчок. Это пузырьки схлопнулись. Произошла кавитация. К сожалению, с современными одноразовыми шприцами такой опыт не удается.
При попытке выдвинуть поршень вы сразу увидите, как между поршнем и стенкой цилиндра, а также через крепление иглы начинает просачиваться воздух. Однако стеклянный шприц может заменить «пневматическое огниво». Этот прибор имеется почти в каждой школе. Он представляет собой прозрачный цилиндр из оргстекла с резиновым поршнем на прочном штоке с рукояткой. Опустите цилиндр прибора в ведро с водой и начните медленно вдвигать в него поршень.
Вода, разумеется, не сжимаема. Но некоторая неточность изготовления — зазор между поршнем и стенкой цилиндра — приведет к утечке воды. Она-то и позволит медленно перемещать поршень. Постарайтесь, чтобы он вошел примерно до середины. Главное, чтобы под ним не оказалось ни малейшего пузырька воздуха. Однако это еще не все. При малейшей попытке выдвинуть поршень через тот самый зазор в цилиндр ворвется воздух.
Этого не случится, если в 1 верхнюю часть цилиндра над поршнем тоже налить воды.
Теперь при быстром рывке за рукоятку в цилиндре образуются пузыри, а при ее отпускании раздастся щелчок — признак кавитации.
Благодаря прозрачным стенкам описанный прибор (или стеклянный шприц) можно установить в проектор и показывать опыты на экране целому классу. В частности, можно очень эффектно показать, что кавитация способна очищать поверхность загрязненного предмета (рис. 2).
Рис. 2
Смажьте вазелином маленький болтик и бросьте его на дно прибора. После первого же щелчка он окажется окутан белесым мутноватым облаком. Это благодаря микровзрывам кавитационных пузырьков жир срывается с поверхности предмета. При этом он дробится на мельчайшие капельки и образуется устойчивая смесь воды и масла. Еще несколько щелчков — и деталь станет чистой. Вазелин можно заменить керосином или бензином. Результат будет тот же — получится эмульсия.
Доказано, что водно-топливная эмульсия может значительно улучшить работу автомобильных двигателей — получить чистый выхлоп, сэкономить нефть. Надо лишь научиться делать ее в достаточных количествах.
Но вернемся к кавитации. Что же происходит при схлопывании пузырька? Упрощенную теорию явления предложил в 1919 году лорд Рэлей. В основе ее допущение, что в идеальной сплошной жидкости образуется абсолютно пустая полость. Под действием давления стенки ее надвигаются друг на друга (рис. 3).
Рис. 3
Можно доказать, что по мере сжатия полости скорость их сближения возрастает и к моменту столкновения становится бесконечно большой. Таким же будет и давление, вызванное соударением.
Однако в реальных условиях кавитационная полость содержит пары и газы. В процессе схлопывания они должны от сжатия нагреваться. Бесконечно больших скоростей и давлений уже не получится. И такой, казалось бы, простой процесс может развиваться по самым различным сценариям. Например, образующееся при сжатии газовой полости тепло может успеть полностью или частично перейти к жидкости и истрачено на химические реакции, идущие с поглощением тепла.
Попытки измерить параметры процессов, происходящих в реальности, приносят довольно неожиданные результаты. Скорость движения стенок полости от 600 до 2500 м/с, температура от 6000 до 11 000 градусов. Удивительные результаты дает измерение давления. Вполне серьезные авторы оценивают его по-разному — от 12 000 до 450 000 атмосфер! Так что не удивительно, что ни один материал не может противостоять кавитации.
Однако мы не знаем, что происходит на самых последних, заключительных стадиях схлопывания пузырьков.