Ультразвуковой капилярный эфект.1.

Когда вода течет вверх?

Ультразвуковой капиллярный эффект и его практическое применение

1 Открытие «на кончике резца»

Группа белорусских ученых под руководством академика Е.Г.Коновалова исследовали механизм действия смазочно-охлаждающей жидкости при резании металла. В результате этих исследований было установлено, что если жидкость подавать в зону резания, то намного повышается чистота обработанной поверхности и стойкость инструмента. Между резцом и деталью возникает давление до 20–22 кгс/см², а жидкость проникает туда под давлением, близким к атмосферному. Возникает вопрос: «почему это происходит?». Оказалось, что резец, снимая стружку, колеблется с ультразвуковой частотой около 22 кГц. Он работает и как генератор ультразвука, и как объект, воспринимающий эти колебания. Поле мощного ультразвука оказалось той силой, которая проталкивает жидкость в зазор между резцом и деталью.

Для более наглядного объяснения капиллярного эффекта проделали два опыта. Первый: в дно сосуда с жидкостью встроили ультразвуковой излучатель. Тончайшую трубочку-капилляр опустили в жидкость, уровень в ней установился на определенной высоте. Когда включили ультразвуковой генератор, жидкость в трубочке поднялась на десятки сантиметров вверх. Ни при каких других условиях такая высота и такая скорость подъема уровня жидкости просто невозможна. При втором опыте подкрасили воду в трубочке. В итоге четко обозначились узлы и разрежения стоячей ультразвуковой волны. Было видно, что ультразвук как бы сжимает отдельные порции жидкости и подталкивает их вверх, порция за порцией, пока работает источник ультразвука.

2 Капилляры вокруг и внутри нас

Капиллярные явления известны очень давно и мы сталкиваемся с ними ежедневно – промокашка, расползающееся мокрое пятно на ткани, анализ крови. Впервые о них упоминает арабский ученый аль-Хазини в книге «О весах мудрости и разума» (1121 г.). Капиллярными эти явления начали называть в середине XVIII века. Термин «капилляр» (от латинского capillaries – волосяной) подчеркивал, что вода самопроизвольно поднимается только в тонких трубочках.

Но капилляры – это не только лабораторные трубочки минимального сечения. Они есть повсюду – в почве, внутри любого камня, кирпича, в некоторых металлических и металлокерамических изделиях, в тканях и бумаге. Каждое растение – сплошные капилляры. Они внутри человеческого организма – их там в общей сложности около 100 тысяч километров и т.д. и т.п.

Стало быть, у открытого белорусскими учеными ультразвукового капиллярного эффекта есть огромное поле практического применения – в технике, биологии, медицине, пищевой промышленности и т.д. Это и склеивание изделий жидким клеем, и пропитка различных материалов составами, повышающими прочность и долговечность изделий, и экстракция полезных веществ из растительного сырья, и изготовление консервов, соление и маринование овощей, и выращивание растений методом гидропоники, и изготовление радиотехнических и металлокерамических деталей, и даже введение лекарственных препаратов с помощью ультразвукового (безболезненного) «укола».

С помощью ультразвука пропитывают маслом железографитные детали. По сравнению с обычной и вакуумной пропиткой время процесса сократилось соответственно в 15–20 и 6–10 раз. Ультразвуковой пропиткой можно обрабатывать рубероид, шпалы, шахтные канаты, асбоцементные плиты, текстолит, гетинакс, алюминиевое литье. Этим методом можно производить промасливание трансформаторов. Возможна пропитка пористых материалов даже расплавленными металлами. Есть выгода от внедрения ультразвукового капиллярного эффекта в сложный и трудоемкий процесс изготовления кабеля с джутовой прокладкой под его броню. Если бобины джута поместить в ванну с пропиточным составом, который затем подвергнуть воздействию ультразвуковых колебаний, то он будет «вгоняться» в волокна (капилляры) джута. Время пропитки сокращается в десятки раз.

Этот метод использовали и для пропитки электротехнических изделий, а также для герметизации литых пористых деталей и достигли при этом существенного технологического эффекта. Отработаны процессы ультразвуковой пропитки обмоток, катушек, трансформаторов, роторов, статоров и других электромеханических деталей. Эти технологии эффективны в деревообработке и фанерном производстве, для декоративной отделки древесины различными красителями. Также пропитывают пластифицированную древесину, которая заменяет бронзу при изготовлении вкладышей подшипников.

Ультразвуковой капиллярный эффект незаменим в процессах сушки материалов, являясь эффективной энергосберегающей технологией.

3 Экскурсия в историю открытия

Так все-таки, почему вода без всякой посторонней помощи поднимается вверх по капилляру, преодолевая действие силы тяжести?

Европейские ученые заинтересовались капиллярным подъемом в середине XVII века. Как раз в это время начали исследовать атмосферное давление, расширение и сжатие газов. Для измерения применяли барометрическую трубку – вертикальную стеклянную трубку с ртутью или водой. В 1660 г. Роберт Бойль, руководитель лаборатории физики и химии в Оксфорде, обнаружил, что высота, на которую поднимается вода, зависит от диаметра трубки. Кроме того, он заметил, что уровень ртути в узких стеклянных трубках ниже, чем в широких. А у воды наоборот. Эффекты были интересны и непонятны, и Бойль поручил своему молодому помощнику Роберту Гуку разобраться в них поподробнее.

Опираясь на корпускулярную теорию Бойля, Гук предположил, что наряду с силами притяжения (силами «гармонии») между частицами разных веществ могут действовать и силы отталкивания («антипатии»). Гук считал, что сочетание вода-стекло более «гармонично», чем вода-воздух, поэтому вода вытесняет воздух из стеклянной трубки и поднимается вверх. Напротив, ртуть и стекло «антипатичны», поэтому воздух выдавливает ртуть и заставляет ее опускаться.

Через полвека, в 1718 г., английский медик Ж.Жюрен выполнил окончательное экспериментальное исследование и четко показал: высота (h) подъема жидкости в капилляре обратно пропорциональна его диаметру (d). Из закона Жюрена следует, что произведение (h*d) – постоянная величина. Ее называют капиллярной постоянной жидкости и до сих пор применяют в физической химии.

Жюрен, как и Гук, считал, что жидкость поднимается в капилляре благодаря притяжению частиц жидкости и частицам твердого тела, и сделал важное дополнение: такое притяжение действует только на очень малых расстояниях.

Опыты Жюрена вдохновили многих исследователей и начались поиски теоретического обоснования открытого им закона. В 1751 г. французский астроном и математик Алексис Клод Клеро разработал первую количественную теорию капиллярного подъема и опускания. Он обратил внимание на то, что поверхность жидкости в капиллярах искривлена, причем у воды она вогнутая, а у ртути – выпуклая. Чтобы объяснить это, Клеро сравнил «конкуренцию» двух сил притяжения. Одна из них, как в теории Гука, – притяжения разнородных частиц (жидкости и газа) друг к другу. Другая сила, которую ввел Клеро, – взаимное притяжение самой жидкости. Если преобладает первая сила, поверхность жидкости прогибается в сторону жидкости. Если же побеждает взаимное притяжение частиц жидкости, образуется выпуклый мениск.

Клеро попытался вывести уравнение, определяющее высоту подъема жидкости в капилляре данного диаметра. Будучи астрономом, он руководствовался известным уже тогда законом всемирного тяготения и думал, что притяжение между частицами действует достаточно ощутимо и на больших расстояниях по сравнению с размерами самых частиц. Однако это предположение оказалось неверным, и основанные на нем расчеты привели к расхождению с законом Жюрена.

В 1752 г. венгерский инженер Я.Сегнер изобрел оригинальный гидравлический двигатель. По окружности насаженного на ось колеса устанавливались сопла, через них с большой скоростью выбрасывались струн воды и, под действием реактивных сил, колесо вращалось. Сегнер обратил внимание на то, что летящая струя похожа на гибкий прутик, то есть имела определенную форму. Это выглядело необычным: ведь способность сохранять форму считалась привилегией твердых тел. Сегнер предположил, что поверхностный слой жидкости похож на тонкую эластичную пленку. Она, подобно оболочке, удерживает жидкость и сохраняет форму струи. Будучи инженером, Сегнер знал, что в изогнутых тонких пластинках и оболочках возникают упругие напряжения. Значит, подобные силы существуют и в поверхностном слое жидкости. Сегнер назвал их поверхностным натяжением.

Он уже не повторил ошибки Клеро и правильно считал, что притяжение между частицами действует только на очень малых расстояниях, поэтому силы поверхностного натяжения работают лишь в очень тонком слое.

В начале XIX века гипотезу Сегнера подхватил и развил великий французский ученый Пьер Симон Лаплас. Он открыл давление, создаваемое искривленной поверхностью жидкости. Путь его рассуждений был таким (рис. 1).

Рис. 1 – Искривление поверхности разных жидкостей в капилляре: а – ртути; б – воды

Силы притяжения верхней молекулы А к «соседям» В направлены под некоторым углом к оси трубки. Горизонтальные составляющие этих сил взаимно уравновешивают друг друга (благодаря симметрии), а вертикальные составляющие направлены в одну сторону – вниз. Тем самым они создают дополнительное давление Рк по сравнению с давлением плоской (горизонтальной) поверхности жидкости, из-за чего она опускается вниз (рис. 1, а).

При вогнутой поверхности вертикальные составляющие сил молекулярного притяжения направлены вверх. Они уменьшают давление на величину Рк, капиллярное давление в этом случае отрицательно и жидкость поднимается вверх (рис. 1, б).

Избыток (или недостаток) давления Рк, создаваемый искривленной поверхностью жидкости, называют капиллярным давлением. Из рассуждений Лапласа следовало, что давление Рк тем больше, чем больше сила притяжения между молекулами жидкости, то есть чем больше поверхностное натяжение. Отсюда Лаплас получил следующее уравнение для сферической поверхности жидкости:

Р_к = 2σ / R , (1)

где σ – поверхностное натяжение жидкости;

R – радиус кривизны (радиус изогнутой поверхности).

Радиус кривизны поверхности жидкости пропорционален диаметру капилляра. Поэтому, в соответствии с законом Лапласа, капиллярное давление меняется обратно пропорционально диаметру d. К тому же, капиллярное давление уравновешивается гидростатическим давлением, которое создает столбик жидкости в капилляре.

Гидростатическое давление пропорционально высоте подъема жидкости h. Значит, высота капиллярного подъема меняется обратно пропорционально диаметру трубки. Как видите, закон капиллярного давления дает исчерпывающее теоретическое обоснование эмпирическому закону Жюрена.

Так что же происходит с теми же самыми силами в поле мощного ультразвука, что заставляет столбик жидкости неустанно ползти вверх?