空化的第二个发现。绘图、说明

空化现象的第二个发现。儿童科学实验室

儿童科学实验室

XNUMX世纪末，英国海军必须补充两艘当时非常适合的舰艇。 “Dering”和“Turbinia”必须通过最后的测试 - 速度，顺便说一句，这是设计师提出的主要优势。唉，没有达到预计的速度。对故障可能原因的详细研究表明，高速运转的螺旋桨磨损非常严重，变得布满坑洼、洞穴，而叶片上出现的大量蒸汽气泡是罪魁祸首。

在这种情况下，空化技术首先被引入。这就是技术。因为科学已经认识这种现象二十年了。英国物理学家雷诺兹从理论上预言了这一点。而如果设计者们多关注同胞的基础研究，也许就不会有尴尬了。

是的，理论家本可以警告工程师不要抱太大希望。但没有了。如果有人问他：如何建造一艘真正的超快飞船，以某种方式绕过空化现象，科学家几乎找不到答案。

直到今天，空化现象被发现已经一个多世纪了，研究这种现象的科学仍要归功于技术。甚至并不总是能够精确计算发生空化的阈值，空化对机器或结构具有破坏性。它仍然在破碎，她露出了螺旋桨的金属、水泵和涡轮机的叶片、水坝、运河、船闸的混凝土主体。

更困难的是——关于这一点的诱人想法并不是昨天才产生的——要扭转空化的破坏性力量并使它们成为盟友。

为什么强大的现代科学屈服于空化最重要的秘密？

首先，让我们回顾一下她对这种现象的了解。如果液体中产生减压，则液体中会出现空化气泡。例如，当物体高速围绕固体流动时，或者当物体本身在液体中快速移动时（本质上是相同的），就会发生这种情况。声音和超声波穿过液体时也会产生低压区域，从而引起空化。空化气泡的存在时间很短。它们以极快的速度，在不到一秒的时间里就崩溃了。这种塌陷就像爆炸一样，会产生冲击波。让它只是微爆炸。短暂的时间里就会有数百、数千个。它们相互重叠，力量倍增。在液体的不同点，温度立即跃升至数千度，压力高达数十个大气压。气泡可以具有最细的刺射线，作用在坚硬的表面上，就像破坏装甲的累积射弹一样！这就是失重气泡令人难以置信的力量的来源。

不幸的是，这些力量通常具有破坏性。如今，它们仅在少数情况下开始发挥作用 - 例如，它们清洁零件表面，帮助揭示饰面石材的自然图案，混合汽油和水等“不相容”液体。为了更好地对抗有害的、破坏性的空化现象，并更充分地利用它来做善事，只有一种方法——更深入地了解它的秘密。

空化气泡和普通气泡有什么区别？里面发生了什么？其中能量的转化遵循什么规律？如果今天科学家知道这些问题的答案，你看，明天超高速船舶就会成为现实。但到目前为止，只有大量有争议的假设。因此，工程师无法以所需的精度计算他想要利用空化力的新结构或机器。

从这样一个例子就可以看出，迄今为止对这一现象的认识是多么的不足。大约半个世纪前，人们发现了声致发光——液体在超声波作用下发光，以及只有当试剂受到声音照射时才会发生的声化学反应。这两种现象都非常耗能，只有空化现象才能引起它们。其效果已成为对空化现象的一种测试。然而，它们的机制和性质仍然是个谜。

为什么空化如此难以接近？有哪些障碍阻碍了它的秘密？为了更清楚地想象空化气泡C发生的转变，我们首先必须仔细观察它是如何诞生、移动、消失的，总而言之，在其生命的各个阶段。

空化泡已成为科学电影的主角之一。在世界各地的数十个实验室中，它被拍摄在无数米的胶片上。但可惜的是，即使是超高速拍摄也跟不上他生命中的瞬间。我们的电影英雄的生命只有十万甚至百万分之一秒！我们还必须考虑到：气泡的大小是百分之一、千分之一毫米。最后，空化并不是瞬间产生一个甚至一千个气泡。在一立方厘米的所谓空化场中，大约有十亿个空化场同时脉动！全息电影的第一批英雄之一，一旦出现在实验室、实验版本中，就再次变成空化气泡，这并非巧合……而且谜团并没有减少。

试管中的刺猬

在科学领域，经常会发生这样的情况：为了解决一些复杂的问题，最优秀的头脑，拥有最先进的技术，多年来一直在努力解决这些问题，但缺少一些非常简单的想法，一些基本的、几乎是学校的经验。在空化问题上，这也许是决定性的一步，是由全联盟有机合成科学研究所化学物理部门的科学家们幸运地采取的。

虽然一些研究人员依靠更先进的设备和最新方法来求解异常复杂的气泡运动微分方程组，但 VNIIOS 专家正在寻找一种非正面的变通解决方案。他们的意图是什么？他们争论了这样的事情。清楚地看到空化气泡可以防止它们的微薄和极短的寿命。它取决于激发空化的振荡频率。如果研究人员能够以 10-100 Hz 的频率获得空化，根据计算，气泡可以存活十分之一秒，尺寸可达一厘米。那时我们就能近距离地看到我们的电影英雄。

这个简单的想法以前没有人想到过吗？她当然来了。有很多尝试。该部门负责人马古利斯 (M.A. Margulis) 的办公桌上放着一篇由美国研究人员撰写的关于最后一项研究结果的文章。这没有什么令人安慰的。再次得到了对通常观点的确认：空化是一种阈值现象，也就是说，它从某个频率开始发生，并且这个频率是计算出来的，唉，以千赫兹为单位......然而，有些东西迫使我们重现故意不成功的经历。这是由对棘手问题的愤怒、探索热情、毅力和直觉促成的。

空化的第二次发现

美国人做这个实验并不困难。它的方案很简单：将一根振荡棒放入装有液体的容器中，如果发生空化，光谱仪必须记录辉光。他们做的一切都是正确的——没有什么比空化更好的了。他们试图增加棒的振动幅度，他们说，激发会变得更加强烈。超灵敏光谱仪是“沉默的”。沸腾时，液体中的湍流增加，但没有拉伸。可以说，液体的弹性太大；尽管它在旋转，但它仍然设法绕着缓慢振荡的杆流动。但她必须将棍子的振动感知为打击。如何实现这一目标？

足以排除振荡杆周围的流动，并且发现了低频空化

一个新的实验是用设备进行的，这些设备甚至可能在学校物理教室中都可以找到：试管、三脚架、有机玻璃雕刻的杆、25瓦扬声器、旧电子管放大器......唯一的微妙之处是，活塞形式的振荡杆的制作方式与管壁的间隙仅为十分之一毫米。在这种情况下，液体不再像以前那样容易在杆周围流动。

声音发生器以 90 Hz 的频率打开。关于接下来发生的事情，M. A. Margulis 说道：

我们一分钟没有注意到任何异常情况。然后，在充满液体的试管壁附近的一小块区域，在振荡的活塞下方出现了小球形气泡。他们的数量迅速增长。它们形成了一个大凝块，外观像刺猬。这只刺猬明显在跳动。我们逐渐增加了频率。在 200 Hz 及以上的频率下，可以创造出两只甚至更多只非凡的刺猬。他们出生在试管的不同部位。他们时不时地冲向对方，融合在一起，然后立刻轰然四散。很明显，刺猬看起来并不像集团——单个脉动气泡的堆积，而是巨大的、形状怪异的气泡……

但并不是每个人都有时间去用肉眼去把握。科学家们使用了他们常用的工具——高速拍摄。他们播放了这段录像，但是……他们没有发现任何刺猬。突起，相当粗的附属物，复杂弯曲的触手，似乎是从一个大气泡的身体中射出的，一点也不像美丽的森林居民的针。科学家们给这个不寻常的创造物起了一个更平淡的名字——大变形气泡（缩写为BDP）。屏幕上可以看到球形的透明小气泡如何从人民党身上撕下来，然后又冲回来。

它以前如何？空化会产生数千度的温度、巨大的压力？或者，也许是第一次观察到一些新的现象？正如我们所知，为了进行检查，有一些特殊的测试，一种检测空化现象的石蕊试纸——声音化学反应和液体的发光。

打破壁垒

在第一个测试实验中，低频声音很容易引发马来酸转化为富马酸的连锁反应。疑问仍然存在——尽管化学家认为这种反应复杂且反复无常，但它需要相对较少的能量来启动。但当实验室试管中的二价铁变成三价铁时，当水分子在其中开始分裂时，就像锤子敲打坚果一样，就不再有两种意见了——真正的空化被激发了。研究人员自己起初也很难相信自己的结果。然而，多项检查证实，声化学反应已经可以在 7 Hz 的声频下进行，并且一些溶液在 30 Hz 的声频下开始发光。

我们正在谈论一个可以称为热门的发现。低频空化的研究才刚刚开始。

然而，从第一天起，它们就带来了有趣的结果。例如，当科学家亲眼看到 BJP 并确定它们存在空化时，最权威的空化理论之一就崩溃了。据信，正在出现的空化气泡的表面会产生相反的电荷。在某一时刻，电子发生故障。因此 - 大量的能量释放，发光，引发最困难的化学反应。发生这种情况的唯一条件是空化气泡必须是......完美规则的透镜状形状。据我们所知，研究人员在屏幕上看到了一些形状奇特的植物。

“得到”的不仅仅是电学，还有另一种——空化的热理论。她说：在空化泡快速压缩和破裂的过程中，蒸气-气体混合物被加热到一千度的温度。与此同时，它自然地开始像普通灯泡的灯丝一样发光，等离子体温度使分子分裂，引发最令人难以置信的化学反应。然而，现在，经过最彻底的研究，已经确定声致发光与夜间闪烁的萤火虫发出的冷光相同。

几乎每一次新的实验都从意想不到的一面展示了已经熟悉的空化现象，揭示了它非凡的能力。假设高频空化的破坏力是众所周知的。在几分钟之内，它就可以将光滑的金属表面变成粗糙的表面，从而碎裂相当大的颗粒。相反，低频空化是一种薄而精致的仪器。对她来说，平滑、抛光最粗糙的表面，只挖出微小的金属颗粒并不困难。

空化低频空化可以轻松快速地从正常条件下不互溶的液体中制备出乳液，粉碎固体颗粒浸入液体中，发起最耗能的化学反应……当然，超声波、高频空化可以做到这一切。但正如你所知，要创造它，你需要特殊的设备，发电机。现在，将振荡源连接到为家庭收音机供电的网络，空化的所有有用功能都将为您服务。例如，必须在容量相当于几个铁路罐的化学反应器中极其小心和快速地混合物质。这个任务对于化工、制药、微生物行业来说是最普通、常见的。传统的解决方案：作为搅拌器，它们采用螺旋桨或螺杆之类的东西，由最昂贵的耐化学合金制成。你可以在反应堆中安装一个简单的振荡源，将其插入传统网络的插座 - 根据计算，效果会更好。

今天，任何人都不太可能预测空化“第二次”发现的各种实际应用。到目前为止，它只是为更深入地理解这一最有趣的现象扫清了道路，推翻了数十年来阻碍研究人员的障碍。了解空化的真正机制、其非凡力量如何以及在何处产生，仍然是一个难题。在其背后，正如科学领域经常发生的那样，工程师、设计师、技术专家面临着新的机遇，而这在今天是无法预见的。

作者：L. Galamaga

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