ГИДРОСТАТИКА. ГИДРО /АЭРО/ ДИНАМИКА. Указатель физических эффектов и явлений Ю.В.Горина.

III. ГИДРОСТАТИКА. ГИДРО /АЭРО/ ДИНАМИКА
III-1. Закон Архимеда.

Этот закон известен весы, обычно в его классической формулировке - на всякое тело, погруженное в жидкость или газ, действует со стороны жидкости подъемная сила, направленная вертикально вверх и приложенная к центру тяжести погруженного тела. Величина этой силы равна весу вытесненной жидкости. Эта формулировка хотя и в не очень явной, но отчетливой форме предполагает наличие поля тяготения /силы тяжести/, тем более что существование архимедовой силы обусловлено разностью статических давлений на элементы нижней и верхней поверхности тела.
Закон Архимеда по сути своей одни из самых охранных законов природы. Например, он недействителен в невесомости. В свободно подающем лифте /кабине, капсуле/ деревяшка, погруженная в сосуд со ртутью, всплывать не будет. Чтобы она всплыла, лифт должен затормозиться; таким образом, поплавок в жидкости может служить индикатором изменения ускорения. Сила тяжести, воздействуя на жидкость, вызывает появление силы, действующей на погруженное в жидкость, тело и направленной против силы тяжести.
Закон Архимеда - очень старый закон, и, казалось бы, все, чему положено плавать - давно плавает, а чему положено тонуть - тонет. Однако совсем недавно была предложена конструкция поворотного круга, исполненного в виде поплавка; поплавок, правда, огромный, но вполне приемлемый, и не только для поворотных кругов, но и для использования в качестве транспортеров на конвейерах. В а.с. № 254720 закон Архимеда использован при создании способа отливки деталей очень сложной формы.
Приведем еще пример:
Патент США № 3566699: Установка предназначена для измерения плотности жидкости, например плотности или удельного веса бурового раствора, применяемого при бурении нефтяных скважин.
Установка содержит первый поплавок, плавающий в жидкости, и второй поплавок, который удерживается в жидкости ниже первого поплавка. Между поплавками устанавливается устройство воспринимающее изменения силы плавучести, создаваемой вторым поплавком относительно первого. Эти изменения силы плавучести вызываются изменениями плотности бурового раствора.
При реализации такого способа необходимо следить, чтобы поплавок же прилип ко дну; как только исчезнет слой жидкости между дном сосуда и дном плавающего тела, закон Архимеда перестает работать.





Ш-2. Закон Паскаля

Давление, производимое на жидкость или газ, передается по все направлениям без изменения. Такая передача давления есть следствие возможности свободного перемещения молекул жидкости /или газа/ относительно друг друга.
Напомним, что это движение полностью хаотично, и, следовательно, в отсутствии силы тяжести или в состоянии невесомости давление во всех точках жидкости будет одинаковым. Собственно, потому и «не работаем» закон Архимеда в этих условиях.
На основе закона Паскаля работают гидравлические прессы и различного рода гидро- и пневмоусилители. См. Френкель Н.З. «Гидравлика», М – Л,1956г., Чертоусов М.Д. «Гидравлика. Специальный курс», М.,1957г.

III-3. ТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ И ГАЗА. ЗАКОН БЕНУЛЛИ. СКАЧОК УПЛОТНЕНИЯ

Упорядоченное движение жидкости без междуслойного перемешивания называется ламинарным течением. При увеличении скорости потока возникающие в жидкости колебания приводят к образованию хаотического турбулентного движения. При ламинарном течении жидкости передача импульса от слоя к слою происходит за счет молекулярного механизма /вязкость/, поэтому скорость потока жидкости в трубе плавно убывает от центра трубы к стенкам; при турбулентном потоке скорость почти постоянна по сечению трубы, резко убывая на самой границе жидкости со стенкой трубы. Для безвихревого течения справедлив закон Бернулли, согласно которому полное давление в установившемся потоке жидкости остается постоянным вдоль всего потока. Полное давление состоит из весового, статического и динамического давлений. Из закона Бернулли следует, что при уменьшении сечения потока из-за возрастания скорости, т.е. динамического давления, статическое давление падает. Закон Бернулли справедлив также и для ламинарных потоков газа. Явление понижения давления при увеличении скорости потока лежит в основе работы различного рода расходомеров, водо- и пароструйных насосов.
Отметим, что закон Бернулли справедлив в чистом виде только для жидкостей, вязкость которых равна нулю; также жидкости не «прилипают» к поверхности трубы. На самом деле экспериментально установлено, что скорость жидкости на поверхности твердого тела всегда в точности равна нулю. Именно поэтому на поверхностях, находящихся в потоке жидкости, всегда образуются какие-то наросты, осаждения; этим же объясняется и тот факт, что на лопастях бешено крутящегося вентилятора, всегда появляется слой пыли.
Что такое лобовое сопротивление при обтекании твердых тел потоком жидкости или газа - общеизвестно. Однако, кроме лобового сопротивления, при обтекании возникает так называемое волновое сопротивление, являющееся результатом затрат энергии
на образование акустических или ударных волн. В газе, например, ударные волны возникают при образовании скачка уплотнения у лобовой поверхности тела при обтекании его сверхзвуковым потоком газа. При образовании скачка уплотнения резко увеличивается плотность, температура, давление и скорость вещества потока; в результате могут иметь место процессы диссоциации и ионизации молекул, сопровождающиеся мощным световым излучением. Световое излучение может сильно разогреть как газ перед фронтом волны, так и поверхность движущегося тела. Подробнее об ударных волнах и скачке уплотнения можно прочесть в книге Зельдовича Я.Б., Райзера Ю.П. «Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений», М., 1963г. или в сборнике статей «Газовая динамика», 1950.г
III-4. ЭФФЕКТ МАГНУСА

Если твердый цилиндр вращается в набегающем потоке жидкости или газа, то в результате неравенства скоростей потоков на боковых сторонах цилиндра возникает, сила, направленная перпендикулярно образующим цилиндра и потоку.
Естественно, что такая же сила возникает и при движении вращающейся сферы в вязкой жидкости или газе /вспомните крученые мячи в футболе, теннисе, волейболе/. На основе эффекта Магнуса в свое время был построен корабль с вращающимися цилиндрами вместо парусов. Конечно, эти цилиндры работали в качестве двигателя только при боковом ветре.
В эффекте Магнуса взаимосвязаны: направление и скорость потока, направление и величина угловой скорости, направление и величина возникающей силы. Соответственно, можно измерять и использовать силу или же измерять поток и угловую скорость.
Патент США № 3587327: В устройстве для измерения угловой скорости и индикации направления вращения газовая струя разделяется на две струи, каждая из которых тангенциально касается противоположных сторон диска, неподвижно закрепленного на аксиально вращающемся валу. Вращение диска накладывает на струи разность давлений, величина которой пропорциональна скорости вращения вала. В зависимости от направления вращения вала на ту или другую струю накладывается большее относительное давление. В одном из вариантов изобретения к обеим струям подключено пропорциональное усилительное устройство, управляющее измерителем разностного давления, осуществляющим индикацию скорости и направление вращения. В другом варианте пороговое устройство, чувствительное к давлению, вырабатывает выходной сигнал, только когда выходное давление одной из струй превышает заданную величину.

III-5. ДРОССЕЛИРОВАНИЕ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ.
ЭФФЕКТ ДЖОУЛЯ-ТОМСОНА
Процесс Джоуля-Томсона заключается в переходе газа через пористую перегородку при малой разности давлений; при адиабатическом понижении давления /дросселировании/ какой-либо внешней работа не совершается. Дросселирование применяется для измерения и регулирования расхода; реальные газы при дросселировании могут изменять свою температуру /положительный и отрицательный эффект Джоуля-Томсона/.
Для каждого реального газа существует точка инверсии - значение температуры, при котором изменяется знак эффекта. Для воздуха и многих других газов точка инверсии лежит выше комнатных температур, и они охлаждаются в процессе Джоуля-Томсона. Исключение составляют водород /70°С/ и гелий /-230° С/. Дросселирование - один из основных процессов, применяемых в технике сжижения газов. См. напр. Малков М.П. «Справочник по физико-техническим основам глубокого охлаждения», М-Л, 1963г., Базаров «Термодинамика».
Пример: А.с. № 257801:Способ определения термодинамических величин газов, например, энтальпии, 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 дросселя охлаждают до первоначальной температуры, затем нагревают до температуры после дросселя с измерением подведенного к нему тепла и по известным соотношениям определяют искомые величины.

III-6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР. ЭЛЕКТРОГИДРОВЛИЧЕСКИЙ УДАР.

Быстрое перекрытие трубопровода с движущейся жидкостью вызывает резкое повышение давления, которое распространяется в виде упругой волны сжатия по трубопроводу против течения жидкости. Эта волна сжатия несет с собой большую энергию, получаемую за счет кинетической энергии жидкости.
Подход волны к какому-либо препятствию /изгибу трубопровода, задвижке и т.д./ вызывает явление гидравлического удара.
Ослабление гидравлического удара может быть достигнуто или увеличением времени перекрытия, или же включением каких-либо демпферов, поглощающих энергию волны. Для увеличения силы удара целесообразно применять жидкость без неоднородностей и мгновенные перекрытия.
Волны сжатия в жидкости возникают также при различного рода взрывных явлениях в движущейся или покоящейся жидкости /глубинные бомбы/.
Волну сжатия в жидкости возможно вызвать также мощным импульсным электрическим разрядом между электродами, помещенными в жидкость /электрогидравлический эффект Юткина /. См., например Юткин Л.А. «Электрогидравлический эффект», Машгиз, 1955г.
Обычно вслед за гидравлическим ударом следует удар кавитационный, возникающий из-за понижения давления за фронтом ударной волны сжатия /о кавитации - см. раздел У1/.
Чем круче фронт электрического импульса, чем менее сжимаемая жидкость - тем выше давление в ударе и тем «бризантнее» электрогидравлический удар.
Электрогидравлический удар применяется при холодной обработки металлов, при разрушении горных пород, для деэмульсации жидкостей, интенсификации химических реакций и т.д.

Нижеприводимые примеры наглядно иллюстрирует широту области применения электрогидравлического эффекта.
А.с. № 147162: Способ штамповки, вытяжки гибко-листовых пластических материалов, отличающийся тем, что указанные операции осуществляют действием электрогидравлических ударов, возникающих в открытом или закрытом сосуде, днищем, стенной или крышкой которых служит обрабатываемый материал.
Это наглядный пример того, как одной формулировкой можно охватить широкий круг задач.
Одновременно эта формулировка демонстрирует универсальность метода.
А.с. № 147917: Способ восстановления размеров полых деталей машин и других изделий, например поршней, пальцев, валов и т.п. раздачей или обжатием их до требуемых и заданных формой или калибром размеров, отличающийся тем, что эти операции осуществляют действием электрогидравлических ударов на разрядниках, размещаемых в жидкости вне или внутри изделия.
Патент США 3566447: Формование пластичных тел при помощи гидравлического удара высокой энергии. Патентуется гидродинамическая система, в которой столб жидкости, находящийся в баке гидро-пушки, направляется на заготовку. Для приведения жидкости в движение в указанном столбе жидкости производят электрический разряд, в результате чего генерируется направленная на заготовку ударная волна, которая в сочетании с собственным высоким давлением жидкости осуществляет деформацию заготовки. Скорость струи, направляемой на заготовку, составляет от 100 до 10.000 метров в сек.
Согласно авторскому свидетельству №167416 энергия гидравлического удара используется для пробивки групповых близкорасположенных отверстий в толстолистовом материале. Авторы применили обычный гидравлический удар, использовав для одновременной передачи импульса воду. Было бы интересно рассмотреть ту же конструкцию, использовав электрогидравлический удар в той же самой воде В а.с. 287860 также применен гидравлический удар, а именно: Способ промывки скважины от осадка с использованием шламоуловителя и облегченного промывочного агента, отличавшийся тем, что, с целью более полной очистки забоя скважины от осадка промывочный агент закачивают в скважину, и создают перепад давления между затрубным и внутритрубным пространствами, который затем реализуют в качестве гидравлического удара, направленного в сторону забоя, путем мгновенного снятия противодавления.
И снова: может быть, электрогидравлический удар выгоднее? Тем более, что можно воспользоваться системами электродов, примененными для электротермического воздействия на нефтяные пласты, См, напр., Джуварлы Ч.М. и др. «Электротермическое воздействие на нефтяные пласты", Баку, 1965г.
В а.с. № 179738 предлагается применить электрогидравлический удар для трамбовки или забивки свай; применение электрогидравлического удара позволяет создавать трамбующие рабочие органы с принудительным ударом; применение подобной идеи, по мнению авторов, поможет создать малогабаритные и высокопроизводительные машины для копания мерзлых грунтов, скалывания льда и т.д.
Ударная волна, возникающая в воде при быстром испарении металлических стержней электрическим током /см. ниже а.с. 129945/ вполне пригодна для разрушения валунов и других крепких материалов, для разбивки бетонных фундаментов, зачистки скальных основании гидротехнических вооружений и других работ, связанных с разрушением.
В США эффект Юткина применен для очистки электродов от налипшего на них при электролизе металла /ИР-68-1/, в Польше - для упрочнения стальных колец турбогенераторов. При этом стоимость операций, |как правило, сильно снижается.
Приведенные примеры иллюстрируют применение эффекта. Ниже даны примеры того, каким способом можно получить или усилить электрогидравлический удар.

В японском патенте 13120 /1965/ описан способ электрогидравлической 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; соответственно, можно уменьшить емкость конденсаторной батареи.
А.с. 129945: Способ получения высоких и сверхвысоких давлений для создания электрогидравлических ударов, отличающийся, тем, что высокие и сверхвысокие давления в жидкости получают путем испарения в ней действием импульсного разряда токопроводящих элементов в виде проволочки, ленты или трубки, замыкающие электроды.
А.с. 119074: Устройство для получения сверхвысоких гидравлических давлений, предназначенное для осуществления способа по авторскому свидетельству № 105011, выполненное в виде цилиндрической гидравлической камеры, сообщенной одним концом в трубопроводом, подающем жидкость, а другим – с ресивером, отличающийся тем, что с целью создания электрогидравлических ступеней сжатия применены искровые промежутки, располагаемые по длине камеры на определенном расстоянии друг от друга.
Заметим, что это авторское свидетельство есть фактически результат применения би-принципа /см. АРИЗ - 71. Дополнительные приемы устранения технических противоречий/.