Гидростатика и гидродинамика

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 6Следующая ⇒

Гидростатика—раздел гидромеханики, в котором изучаются равновесие жидкости и воздействие покоящейся жидкости на погруженные в нее тела. Одна из основных задач гидростатики — изучение распределения давления в жидкости. На законах гидростатики, в частности на законе Паскаля, основано действие гидравлического пресса, гидравлического аккумулятора, жидкостного манометра, сифона и многих других машин и приборов.

Гидродинамика—раздел гидромеханики, в котором изучаются движение несжимаемых жидкостей и взаимодействие их с твердыми телами. Методами гидродинамики можно исследовать также движение газов, если скорость этого движения значительно меньше скорости звука в рассматриваемом газе.

Интересным эффектом в этой области является вязкоэлектрический эффект.

Протекание полярной непроводящей жидкости между обкладками конденсатора сопровождается некоторым увеличением вязкости, мгновенно исчезающим при снятии поля. Это явление в чистых жидкостях получило название вязкоэлектрического эффекта.

Установлено, что эффект возникает только в поперечных полях и отсутствует в продольных. Вязкость полярных жидкостей возрастает с увеличением напряженности поля вначале пропорционально квадрату напряженности, а затем приближается к некоторому постоянному предельному значению (вязкости насыщения), зависящему от проводимости жидкости. Увеличение проводимости приводит к увеличению вязкости насыщения.

На эффект оказывает влияние частота поля. Вначале с повышением частоты вязкоэлектрический эффект увеличивается до определенного предела, затем вырождается до нуля.

Увеличение вязкости под действием электрического поля происходит за счет того, что в жидкости могут находиться или возникать под действием поля свободные ионы. Они становятся центрами ориентации полярных молекул, т. е. источниками заряженных групп, для которых в электрическом поле возможно движение типа электрофореза. Количество движения таким образом переносится от слоя к слою поперек потока.

Архимеда закон

Входы: плотность жидкости, объем тела.

Выходы: сила.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.13.

Сущность

Рис. 2.13. Сила, действующая на тело в жидкости

На всякое тело, погруженное в жидкость (или газ), действует со стороны жидкости (или газа) подъемная сила, направленная вверх и приложенная к центру тяжести погруженного тела. Величина этой силы равна весу вытесненной жидкости. В этой формулировке, хотя и не в очень явной форме, предполагается наличие тяготения, так как существование выталкивающей силы обусловлено разностью статических давлений в жидкости (или газе).

Увеличение плотности жидкости приводит к увеличению выталкивающей силы, а следовательно, и к уменьшению веса тела, погруженного в жидкость. Изменяя внешнее давление, можно изменять плотность жидкостей и газов. Наиболее четко это можно наблюдать (и использовать) в газах, где внешним давлением можно изменять плотность среды в весьма значительных пределах.

Если тело погружено в жидкость не полностью, то перемещение тела в глубь жидкости приводит к увеличению выталкивающей силы.

Математическое описание

Сила Архимеда

F_A=-ρ gV

где ρ — плотность жидкости (газа);

g — ускорение свободного падения;

V — объем погруженного тела (или часть объема тела, находящаяся ниже поверхности).

Выталкивающая сила (называемая также архимедовой силой — на рис. 2.12, стрелка вверх) равна по модулю (и противоположна по направлению) силе тяжести, действовавшей на вытесненный телом объем жидкости (газа), и приложена к центру тяжести этого объема.

Применение

А. с. 307584. Способ сооружения каналов оросительных систем из сборных элементов отличается тем, что с целью упрощения транспортировки изделий после монтажа начального участка канала его торцы закрывают временными диафрагмами, сотовый участок канала затопляют водой и последующие элементы, также закрытые с торцов временными диафрагмами, сплавляют по этому участку канала.

Если вес тела равен весу вытесненной жидкости, то тело будет находиться в жидкости как бы в состоянии невесомости, за исключением того, что деформации, вызванные наличием поля тяготения и давлением жидкости, сохраняются.

А. с. 254720. Способ изготовления литейных форм из жидких само- твердеющих смесей, включающий в себя применение полой модели, выполненной из эластичного материала, заполняемой рабочим телом с последующим его удалением из модели после окончания процесса формообразования, отличается тем, что с целью получения отливок заданных размеров полость модели заполняется рабочим телом с удельным весом, равным удельному весу формовочной смеси в жидком состоянии.

А. с. 445760: 1. Полый клапан в виде свободного шара отличается тем, что с целью уменьшения сопротивления потоку он выполнен по весу, равным весу вытесненной жидкости. 2. Клапан по п. 1 отличается тем, что с целью расширения диапазона применения его полость заполнена наполнителем.

Сила Архимеда может не только компенсировать вес тела, но и перемещать тела в вертикальном направлении, если происходит изменение плотности последнего.

А. с. 223967. Сварочный механизм, поддерживающий поворотный стол с захватами и устройством для поворота, отличается тем, что с целью упрощения конструкции устройство для поворота стола выполнено в виде поплавкового механизма, шарнирно соединенного с поворотным столом.

Если жидкость имеет различный удельный вес на высоте, то подъемная сила будет изменяться в соответствии с изменением ее удельного веса.

А. с. 332939. Манипулятор, содержащий стол с устройством его поворота, выполненным в виде металлического корпуса, наполненного жидкой средой, в которой размещен поплавок, отличается тем, что с целью обеспечения возможности изменения подъемной силы поплавка жидкая среда состоит из жидкостей с различными удельными весами.

Силу Архимеда можно изменить путем изменения силового воздействия поля на жидкость, восприимчивую к этому полю. Коллоидный раствор ферромагнитного вещества очень хорошо взаимодействует с магнитным полем, поэтому в этом случае получается хорошо управляемая система.

А. с. 527280. Манипулятор для сварочных работ, содержащий поворотный стол и узел поворота стола, выполненный в виде поплавкового механизма, шарнирно соединенного через кронштейн со столом и помещенного в емкость с жидкостью, отличается тем, что с целью увеличения скорости перемещения стола в жидкость введена ферромагнитная взвесь, а емкость с жидкостью помещена в электромагнитную обмотку.

Измеряя силу Архимеда в магнитных жидкостях, можно измерять величину самого магнитного поля (а. с. 373669).

Механокалорический эффект

Входы: разность давлений.

Выходы: температура.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.14.

Сущность

Механокалорический эффект — явление охлаждения сверхтекучего жидкого гелия при температуре Т < T_λ, где T_λ — температура фазового перехода, вытекающего из сосуда через узкий капилляр, под действием разности давлений, сопровождаемое разогревом гелия, остающегося

Рис. 2.14. Принцип механокалорического эффекта

в сосуде. Обратный процесс — термомеханический эффект (эффект фонтанирования) — появление в сверхтекучей жидкости разности давлений (градиента давлений), обусловленной разностью температур (градиентом температур).

Жидкий гелий (⁴Не) — бесцветная прозрачная жидкость, кипящая при атмосферном давлении при температуре 4, 44 К. Затвердевает жидкий гелий при давлении больше 25 атм. При температуре T_λ = 2, 17 К и давлении насыщенных паров ⁴Не испытывает фазовый переход второго рода. Гелий при Т > T_λ называется Не I, а при Т < T_λ —Не II. При T_λ наблюдается аномалия теплоемкости. Теплопроводность Не II в миллионы раз превосходит теплопроводность Не I. Такое различие в величине теплопроводности приводит к резкому отличию в поведении Не I и Не II: Не I бурно кипит, а Не II имеет спокойную поверхность.

Математическое описание

Условие обратимости и остановки процесса:

∆ р = р S∆ T,

где р — плотность гелия;

S — энтропия единицы массы гелия;

∆ р — разность давлений;

∆ Т — разность температур.

Применение

Физический эффект применяется в криогенной технике.

Магнуса эффект

Входы: скорость жидкости.

Выходы: сила.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.15.

Сущность

Магнуса эффект — возникновение подъемной силы, действующей на тело, вращающееся в набегающем на него потоке жидкости или газа.

Вращающийся твердый цилиндр образует в неограниченной массе вязкой жидкости или газа вихревое движение (рис. 2.15, а) с интенсивностью J. Движущийся поступательно (не вращающийся) с относительной

Рис. 2.15. Схема эффекта Магнуса (l — пограничный слой)

скоростью V₀ цилиндр обтекается ламинарным потоком, являющимся невихревым (рис. 2.15, б). Если цилиндр вращается и одновременно движется поступательно, то два окружающих его потока наложатся друг на друга и создадут результирующий поток обтекания (рис. 2.15, в).

При вращении цилиндра приходит в движение и жидкость. Движение в пограничном слое вихревое; оно слагается из потенциального движения, на которое накладывается вращение. Сверху цилиндра направление потока совпадает с направлением вращения цилиндра, а снизу — противоположно ему. Частицы в пограничном слое сверху цилиндра ускоряются потоком, что препятствует отрыву пограничного слоя. Снизу поток тормозит движение в пограничном слое, что способствует его отрыву. Отрывающиеся части пограничного слоя уносятся потоком в виде вихрей. Вследствие этого вокруг цилиндра возникает циркуляция скорости в том же направлении, в каком вращается цилиндр. Согласно закону Бернулли, давление жидкости на верхнюю часть цилиндра будет меньше, чем на нижнюю. Это приводит к возникновению вертикальной силы, называемой подъемной силой. При изменении направления вращения цилиндра на противоположное, подъемная сила также меняет направление на противоположное.

В эффекте Магнуса сила F перпендикулярна скорости потока V₀. Чтобы найти направление этой силы, нужно вектор относительной скорости V₀ повернуть на 90° в сторону, противоположную вращению цилиндра.

Эффект Магнуса можно наблюдать на опыте со скатывающимся по наклонной плоскости легким цилиндром (рис. 2.16).

После скатывания по наклонной плоскости центр масс цилиндра движется не по параболе, как двигалась бы материальная точка, а по кривой, уходящей под наклонную плоскость.

Рис. 2.16. Схема скатывающегося цилиндра

Математическое описание
Формула Жуковского — Кутта:

F = JpV₀,

где F — подъемная сила;

J— интенсивность движения
вокруг цилиндра, J= 2Sω,
S—площадь цилиндра, ω —
угловая скорость враще-
ния цилиндра;
р — плотность жидкости;

V₀ — относительная скорость
потока

Применение

Эффект Магнуса применяется в гидроаэромеханике, в технологических процессах разделения веществ на фракции и т. д. Эффект Магнуса используется для разделения неоднородных жидких сред на легкую и тяжелую фракции.

2.4.4. Джоуля — Томсона эффект

Входы: давление.

Выходы: температура.

Сущность

Эффект Джоуля — Томсона — изменение темпетрыгаза при адиабатическом дроссели- ровании — медленном протекании газа под дейст-вием постоянного перепада давлений сквозь дрос-сель, являющийся местным препятствием газово-му потоку. Данный эффект — это одии из методовполучения низких температур. Эффект Джоуля —

Томсона называется положительным, если газ в процессе дросселирования охлаждается, и отрицательным, если нагревается. Поскольку в процессе дросселирования давление газа понижается, то знак эффекта совпадает сокоторая является количественной характеристикойпроцесса и называется коэффициентом Джоуля —Томсона. Знак эффекта Джоуля — Томсона меняется при температуре инверсии. Для каждого реального газа существует точка инверсии — значение температуры, при которой измеряется знак эффекта. Для воздуха и многих других газов точка инверсии лежит выше комнатной температуры и они охлаждаются в процессе Джоуля — Томсона.

Математическое описание

Реализация процесса Джоуля — Томсона может осуществляться при большой и малой разнице давлений по разные стороны дросселя.

Соответственно рассматривают интегральный эффект:

и дифференциальный эффект Джоуля — Томсона:

где T₁ Т₂ — температуры газа, соответственно в первой и второй камерах;

∆ Т — изменение температуры;

С_р — теплоемкость при постоянном давлении;

∆ V — изменение объема;

∆ Р — изменение давления.

Применение

А. с. 257801. Способ определения термодинамических величин газов, например энтальции, путем термостатирования исходного газа, дросселирования его с последующим измерением тепла, подведенного к газу, отличающийся тем, что с целью определения термодинамических величин газов с отрицательным эффектом Джоуля — Томсона газ после дросселирования охлаждают до первоначальной температуры, затем нагревают до температуры после дросселя с измерением подведенного к нему тепла и по известным соотношениям определяют искомые величины.

Гидравлический удар

Входы: скорость жидкости.

Выходы: давление.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.18.

Сущность

Гидравлический удар — скачок давления в какой-либо системе, заполненной жидкостью, вызванный крайне быстрым изменением скорости потока этой жидкости за очень малый промежуток времени. Гидравлический удар способен вызывать образование продольных трещин в трубах, что может привести к их расколу, или повреждать другие элементы трубопровода.

Стадии гидравлического удара подробно показаны на рис. 2.18. Пусть в конце трубы, по которой движется жидкость со скоростью v₀, произведено мгновенное закрытие крана (рис. 2.18, а). При этом скорость частиц, натолкнувшихся на кран, будет погашена, а их кинетическая энергия перейдет в работу деформации стенок трубы и жидкости. При этом стенки трубы растягиваются, а жидкость сжимается в соответствии с увеличением давления на величину Δ Р_уд, которое называется ударным. Область (сечение п — л), в которой происходит увеличение давления, называется ударной волной. Ударная волна распространяется вправо со скоростью с, называемой скоростью ударной волны.

Когда ударная волна переместится до резервуара, жидкость окажется остановленной и сжатой во всей трубе, а стенки трубы — растянутыми. Ударное повышение давления распространится на всю длину трубы (рис. 2.18, б).

Далее под действием перепада давления Δ Р_уд частицы жидкости устремятся из трубы в резервуар, причем это течение начнется с сечения, непосредственно прилегающего к резервуару. Теперь сечение п - п перемещается обратно к крану с той же скоростью с, оставляя за собой выровненное давление Р₀ (рис. 2.18, в).

Жидкость и стенки трубы предполагаются упругими, поэтому они возвращаются к прежнему состоянию, соответствующему давлению Р₀.

Работа деформации полностью переходит в кинетическую энергию, и жидкость в трубе приобретает первоначальную скорость v₀, но направленную теперь в противоположную теперь сторону.

С этой скоростью весь объем жидкости стремится оторваться от крана, в результате возникает отрицательная ударная волна под давлением Р₀ - Δ Руд, которая направляется от крана к резервуару со скоростью с, оставляя за собой сжавшиеся стенки трубы и расширившуюся жидкость, что обусловлено снижением давления (рис. 2.18, д). Кинетическая энергия жидкости вновь переходит в работу деформаций, но противоположного знака.

Состояние трубы в момент прихода отрицательной ударной волны к резервуару показано на рис. 2.18, е. Так же как и для случая, изображенного на рис. 2.18, б, оно не является равновесным.

На рис. 2.18, ж показан процесс выравнивания давления в трубе и резервуаре, сопровождающийся возникновением движения жидкости со скоростью v₀.

Очевидно, что как только отраженная от резервуара ударная волна под давлением АР_уд достигнет крана, возникнет ситуация, уже имевшая место в момент закрытия крана. Весь цикл гидравлического удара повторится.

Математическое описание

D_p =ρ с,

где D_p — увеличение давления, Н/м²;
ρ — плотность жидкости, кг/м³;

— средние скорости в трубопроводе до и после закрытия задвижки (срабатывания клапана), м/с;
с — скорость распространения ударной волны вдоль трубопровода, м/с.

Применение

А. с. 269045. Способ повышения динамической устойчивости энергосистемы при аварии на линии электропередач путем снижения мощности гидротурбины отличается тем, что с целью уменьшения напора перед гидротурбиной создают отрицательный гидравлический удар путем отвода части потока, например в резервуаре.

А. с. 348806. Способ размерной электрохимической обработки с регулированием рабочего зазора путем периодического соприкосновения электродов с последующим отводом электрода—инструмента на заданную величину отличается тем, что для отвода электрода — инструмента используют силу гидравлического удара, возникающего в электролите, подаваемого в рабочий зазор.

Волну сжатия в жидкости можно вызвать также мощным импульсным электрическим разрядом между электродами, помещенными в жидкость (электрогидравлический эффект Уткина). Чем круче фронт электрического импульса, чем менее сжата жидкость, тем выше давление в ударе и тем мощнее электрогидравлический удар. Электрогидравлический удар применяется при холодной обработке металлов, разрушении горных пород, деэмульсации жидкостей, интенсификации химических реакции и т. д.

Пат. S356W7 США. Формирование пластичных тел при помощи гидравлического удара высокой энергии. Патентуется гидродинамическая система, в которой столб жидкости, находящийся в баке гидропушки, направляется на заготовку. Для проведения жидкости в движение в указанном столбе жидкости производят электрический разряд, в результате чего генерируется направленная на заготовку волна, которая в сочетании с собственным высоким давлением жидкости осуществляет деформацию заготовки.

В США эффект Уткина применяют для очистки электродов от налипшего на них при электролизе металла. В Польше — для очистки стальных колец турбогенераторов. При этом стоимость операции, как правило, снижается.

А. с. 117562. Способ получения коллоидов металлов за счет электрогидравлического удара между микрочастицами материала. Ударная волна, возникающая в воде при быстром испарении металла стержней электрическим током, вполне пригодна для разрушения валунов и других крепких материалов, для разбивки бетонных фундаментов, зачистки скальных оснований гидротехнических сооружений и других работ, связанных с разрушением.

Ниже приведены примеры способов получения или усиления электрогидравлического удара.

В японском патенте 13120 (1965) описан способ формовки ртутно-серебряными электродами. При применении таких электродов сила ударной волны в воде возрастает, так как к давлению плотной плазмы, образующейся в канале разряда, прибавляется давление паров ртути. Применение этого способа позволяет заметно уменьшить емкость конденсаторной батареи.

А. с. 119074. Устройство для получения сверхвысоких гидравлических давлений, предназначенное для осуществления способа, выполненное в виде цилиндрической камеры, сообщенной одним концом с трубопроводом, подающим жидкость с ресивером, отличается тем, что с целью создания электрогидравлических степеней применены искровые промежутки, располагаемые по длине камеры на определенном расстоянии друг от друга.

А. с. 129945. Способ получения высоких и сверхвысоких давлений для создания электрогидравлических ударов отличается тем, что высокие и сверхвысокие давления в жидкости получают путем испарения в ней действием импульсного разряда токопроводящих элементов в виде проволоки, ленты или трубки, замыкающих электроды.

Советские физики А. М. Прохоров, Г. А. Аскарьян, Г. П. Шапиро установили, что мощные гидравлические удары можно получить, используя луч квантового генератора. Если луч мощного квантового генератора пропустить через жидкость, то вся энергия луча поглотится в жидкости, приведя к образованию ударных волн с давлением, доходящим до миллиона атмосфер. Это открытие находит, кроме обычных областей применения гидравлических ударов, очень широкое применение в микроэлектронике, для условий особо чистых поверхностей, для обработки таких материалов и изделий, которые исключают применение электродов и т. д. Используя светогидравлический эффект, можно издалека, дистанционно, возбуждать в жидкости гидравлические импульсы с помощью луча света

Кавитация

Входы: нет.

Выходы: сила.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.19.

Кавитационная зона Рис. 2.19. Кавитационная зона в трубке с местным сужением

Сущность

Кавитация — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении ее скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырек захлопывается, излучая при этом ударную волну. Кавитация разрушает поверхность гребных винтов, гидротурбин, акустических излучателей и др.

Математическое описание

«Число кавитации», количественная характеристика кавитации

Х = 2

где р — гидростатическое давление набегающего потока; р_н — давление насыщенного пара; р — плотность жидкости;

— скорость жидкости на достаточном отдалении от тела.

Применение

А. с. 443663. Способ приготовления грубых кормов, включающий в себя обработку их раствором щелочи, отличается тем, что с целью размягчения и ускорения влагонасыщения корма обработку его осуществляют в кавитационном режиме.

2.5. Колебания и волны

Колебаниями называют процессы, точно или приблизительно повторяющиеся через одинаковые промежутки времени. По своему характеру колебания подразделяют на свободные (собственные) и вынужденные.

Свободные колебания — колебания в механической, электрической или какой-либо другой системе, совершающиеся при отсутствии внешнего воздействия за счет первоначально накопленной энергии. Для возбуждения собственных колебаний требуется определенное количество энергии. Частота собственных колебаний определяется целиком свойствами самой системы.

Вынужденные колебания совершаются под действием внешней периодической (или почти периодической) силы, например: колебания мембраны микрофона, барабанной перепонки уха, ударного элемента отбойных молотков, пластины магнитострикционного преобразователя ультразвуковых агрегатов. Частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы, а амплитуда колебаний зависит от свойств системы.

Автоколебания — незатухающие колебания, которые осуществляются в неконсервативной системе при отсутствии переменного внешнего воздействия (за счет внутреннего источника энергии), причем амплитуда и период этих колебаний определяются свойствами самой системы. Классический пример автоколебательной системы — маятниковые часы. Как правило, автоколебательные системы склонны к самовозбуждению.

Одними из самых интересных в этой области являются ультразвуковые эффекты и голография.

Ультразвук — продольные колебания в газах, жидкостях и твердых телах в диапазоне частоты 20* 10³ Гц.

Применение ультразвука связано в основном с двумя его характерными особенностями: лучевым распространением и большой плотностью энергии.

Из-за малой длины волны распространение ультразвуковых волн сопровождается эффектами: отражением, фокусировкой, образованием теней (ультразвуковая дефектоскопия).

Большая частота ультразвука позволяет сравнительно легко создавать ультразвуковые пучки с большой плотностью энергии, распространение которых в жидких и твердых телах сопровождается рядом эффектов, часто приводящих к необратимым явлениям. Эти эффекты — радиационное давление (избыточное давление, испытываемое препятствием вследствие воздействия на него ультразвуковой волны и определяемое импульсом, передаваемым волной в единицу времени единице поверхности препятствия), акустическая кавитация и акустические потоки, носящие вихревой характер и возникающие в свободном неоднородном поле и вблизи препятствий, находящихся в ультразвуковом поле.

Воздействие ультразвука на процесс пластической деформации обусловлено влиянием его на контактные условия, свойства и структуру деформируемого металла. В этом случае возможны два нелинейных эффекта: «акустическое разупрочнение» и «акустическое упрочнение». Первый наблюдается в процессе воздействия интенсивным ультразвуком и заключается в уменьшении статического напряжения, необходимого для осуществления пластической деформации. Акустическое упрочнение металлов достигается после воздействия ультразвуковых волн достаточно высокой интенсивности.

Акустическое разупрочнение является результатом активации дислокаций, происходящей в результате поглощения акустической энергии в местах дефектов кристаллической решетки и других структурных несовершенств. Благодаря этому за малое время происходит локальный нагрев вокруг этих источников поглощения, снятие напряжений, разблоровка дислокаций, увеличение их подвижности, что обеспечивает более интенсивный ход пластической деформации.

Если валики прокатного стана колебать в направлении, параллельном осям их вращения с ультразвуковой частотой, то усилие деформации снижается в 1, 5-2 раза, а степень деформации увеличивается на 20-50 %, причем контактное трение резко снижается.

При достижении определенного уровня акустической энергии, зависящего от свойства облучаемого металла, последний может пластически деформироваться при комнатной температуре без приложения внешней нагрузки.

Под действием ультразвука изменяются основные физико-химические свойства расплавов: вязкость, поверхностное натяжение на границе расплав — форма или расплав — твердая фаза, температура и диффузия.

Вязкость после ультразвуковой обработки расплава уменьшается на 10-50 %, причем характер изменения вязкости не позволяет считать, что уменьшение вязкости вызывается только тепловым воздействием ультразвука, поскольку наряду с тепловым воздействием наблюдаются и другие эффекты, например изменение трения между твердыми нерастворимыми примесями, находящимися в расплаве.

Воздействие ультразвука на расплав в процессе кристаллизации уменьшает поверхностное натяжение между расплавом и кристаллом при двухфазном состоянии, за счет чего уменьшается переохлаждение расплавов и увеличивается количество кристаллических зародышей, а структура расплава получается более мелкозернистой.

Ультразвуковая обработка металлов в жидком состоянии и во время кристаллизации приводит к изменению характера температурного поля. Возникновение акустических потоков в расплаве под действием ультразвука связано с потерей энергии в расплаве. Эти потери зависят от интенсивности ультразвука и акустических свойств среды. Акустические потоки вызывают интенсивное перемешивание расплава, выравнивание температуры и интенсификацию конвективной диффузии. При выравнивании температуры расплава увеличивается теплообмен со стенками и окружающей средой, в результате чего увеличивается скорость охлаждения. Физическая сущность влияния ультразвука на теплообмен при естественной или вынужденной конвекции заключается в проникновении акустических потоков в пограничный и ламинарный подслой, что приводит к деформации этих слоев, их турбулизации и перемешиванию. В результате этого в несколько раз увеличивается коэффициент теплопередачи и скорость теплообмена.

Ультразвук ускоряет диффузионные процессы в металлических расплавах и на границе с твердой фазой. В этом случае под действием ультразвука происходит более легкое перемещение атомов из одного устойчивого состояния в другое благодаря образованию кавитационных пузырьков. При этом необходимо учитывать влияние вторичных эффектов акустических потоков: повышение температуры, акустического давления, вызывающих турбулентное перемещение и разрушение пограничного слоя между жидкой и твердой фазой при ускорении диффузии на границе жидкость — твердое тело.

Под действием ультразвука растворенный газ сначала выделяется в виде пузырьков в зонах разрежения ультразвуковых волн, после этого пузырьки соединяются и при достижении достаточно большого размера всплывают на поверхность (дегазационный эффект). Эффект можно объяснить следующим образом. При воздействии ультразвука в расплаве возникает кавитация: в образованные кавитационные пустоты проникает растворенный газ. При захлопывании кавитационных пузырей этот газ не успевает снова раствориться в металле и образует газовые пузырьки. Зародыши газовых пузырьков образуются и в полупериод разрежения при распространении упругих ультразвуковых колебаний в расплаве, так как при уменьшении давления растворимость газов уменьшается. После этого газовые пузырьки под влиянием движений коагулируют и, достигая определенных размеров, всплывают. Ускорение диффузии под действием ультразвука тоже может способствовать нарастанию газовых пузырьков.

Ультразвуковой капиллярный эффект заключается в том, что при помещении в жидкость капилляра, смачиваемого жидкостью, в нем под действием сил поверхностного натяжения происходит подъем жидкости на некоторую высоту. Если жидкость в капилляре совершает колебания под влиянием источника ультразвука, то капиллярный эффект резко возрастает, высота столба жидкости увеличивается в несколько десятков раз, значительно возрастает и скорость подъема.

Экспериментально доказано, что в этом случае жидкость толкает вверх не радиационное давление и капиллярные силы, а стоячие ультразвуковые волны. Ультразвук снова и снова как бы сжимает столб жидко- ста и поднимает его вверх. Открытый эффект уже очень широко используется в промышленности, например при пропитке изоляционными составами обмоток электродвигателей, окраске тканей, в тепловых трубах и т. п.

Трудно перечислить все эффекты, возникающие в результате воздействия ультразвука на вещество, поэтому кратко перечислим основные области применения ультразвука.

Твердые вещества:

- размерная обработка сверхтвердых и хрупких материалов (сверление отверстий сложной формы, шлифование, полирование, наклеп, волочение проволоки, прокатка фольги и т. д.);

- лужение и паяние металлов, керамики, стекла и т. п.;

- сварка металлов и полимеров.

Жидкости (кавитирующие):

- очистка деталей от жировых и других загрязнений;

- диспергирование твердых порошкообразных материалов в жидкостях, эмульгирование несмешивающихся жидкостей;

- получение аэрозолей;

- полимеризация или деструкция высокомолекулярных соединений, ускорение массообразных и химических процессов;

- разрушение биологических объектов (микроорганизмов).

Газы:

- сушка сыпучих, пористых и других материалов;

- очистка газов от твердых частиц и аэрозолей.

Голография. Когда в некоторой области пространства складываются несколько электромагнитных волн, частоты которых с очень высокой степенью точности совпадают, возникает стоячая электромагнитная волна. Когда записывают голограмму, в определенной области пространства складывают две волны: одна из них идет непосредственно от источника (опорная волна), а другая отражается от объекта записи (объектная волна). В области стоячей электромагнитной волны размещают фотопластинку (или иной регистрирующий материал), в результате на этой пластинке возникает сложная картина полос потемнения, которые соответствуют распределению электромагнитной энергии (картине интерференции) в этой области пространства. Если теперь эту пластинку осветить волной, близкой к опорной, то она преобразует эту волну в волну, близкую к объектной. Таким образом, мы будем видеть (с той или иной степенью точности) такой же свет, какой отражался бы от объекта записи.

2.5.1. Резонанс

Входы: частота.

Выходы: амплитуда колебаний.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.20.

Сущность

Резонанс — частотно-избирательный отклик колебательной системы на периодическое внешнее воздействие, при котором происходит резкое возрастание амплитуды колебаний. Наблюдается при приближении частоты внешнего воздействия к определенным, характерным для данной системы значениям. В линейных колебательных системах число таких резонансных частот соответствует числу степеней свободы и они совпадают с частотами собственных колебаний. Резонанс может проявляться и как отклик на внешнее силовое воздействие (рис. 2.20, а), и как реакция на периодическое изменение параметров (рис. 2.20, б).

Математическое описание

Условие резонанса в колебательном контуре:

где f — резонансная частота, Гц;

L — индуктивность, Гн;

𝜀 = cos pt

Рис. 2.20. Колебательные системы с одной степенью свободы: а — последовательный колебательный контур; б — математический маятник

С – емкость, Ф.
Резонансная частота механического маятника

где g — ускорение свободного падения, м/с²;

L — длина от точки подвешивания маятника до центра его масс, м.

Применение

Наиболее широко явление резонанса используется в радиотехнике. В архитектуре и строительстве явление резонанса учитывают при расчете акустических характеристик помещений. Используя явление резонанса, можно также гасить нежелательные колебания. Используется для интенсификации различных технологических процессов.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 Следующая ⇒