Как вода железо "гложет"
На окраине Дели высится знаменитая железная колонна, омываемая тропическими дождями и палимая южным солнцем. Знаменита она не своими размерами (хотя высота ее выше 7 м, диаметр у основания 41,5 см, вес — 6,5 т), не архитектурными достоинствами памятников старины, а способом ее изготовления, предохранившим железо от окисления в течение многих веков. Колонна была отлита и установлена в честь индийского царя Чандрагупты II (умер в 413 году новой эры) на горе Стопа Вишну перед вишнуитским храмом в Аллахабаде. Увенчана она была изображением священной птицы Гаруды. При царе Ананг Пале колонну перевезли в Дели, где она находится и поныне. Тол
пы верующих, почитающих ее как святыню, отполировали темную поверхность колонны до блеска. Считается, что кто прислонится спиной к колонне и обхватит ее руками, обретет счастье. Изготовлена она почти из чистого железа (99,72 %), чем и объясняется ее коррозийная стойкость.
Индийские мастера издавна владели искусством обработки железа (Индия — родина булата). В описаниях восточных походов Александра Македонского упоминается, например, о подарке в 100 талантов стали (около 250 кг), который преподнес ему правитель одного из пенджабских княжеств еще за 700 лет до создания колонны.
Итак, колонна, насчитывающая почти 16 веков, пребывает в целости и сохранности, несмотря на тяжелейшие атмосферные условия, тогда как в наше время ежегодно съедается одной только коррозией около 100 млн т проката черных металлов. Но если коррозия — основное разрушающее оружие металлоконструкций на суше, то другой их злостный враг — кавитация — свирепствует на воде.
Способность жидкостей разрушать твердые тела известна издавна. Еще древние римляне утверждали: «Ferrum aqua erodit», что адекватно нашему: «вода камень точит». Водяные струи, разогнанные с помощью водяной «пушки», способны разрушать горные породы, угольные пласты и даже металлические конструкции. Их стремительного напора не выдерживает даже танковая броня, причем следы разрушения внешне сходны со следами от пуль и снарядов. Как показывают исследования, тонкая струя воды (менее 1 мм в диаметре), разогнанная до скорости, втрое превышающей скорость звука в воздухе, действует, как фреза. Просто удивительно, как жидкость, обладающая чрезвычайной текучестью, может обладать столь громадной разрушительной силой, свойственной в привычных для нас условиях лишь твердым телам. Однако в ряде процессов жидкости действительно могут проявлять свойства твердых тел. Так, например, в момент сверхскоростного удара жидкость сначала упруго сжимается. Такая деформация происходит за миллионные доли секунды (период релаксации). После чего она начинает растекаться, как ей и подобает. Процесс растекания длится в сотни раз дольше периода релаксации. Для повышения эффекта разрушения необходимо увеличить время релаксации, в течение которого жидкость обладает свойствами твердого тела. На практике это достигается введением в нее различного рода присадок.
Однако нет надобности разгонять жидкость до сверхвысоких скоростей. Чтобы разрушить конструкцию, достаточно и привычных для нас речных течений. Если скорость воды, обтекающей различные многочисленные препятствия гидротехнических сооружений, превысит 12 м/с, то можно ждать беды со стороны грозного разрушителя — кавитации. И эту огромную разрушительную силу несут в себе мириады крохотных газовых пузырьков. Перед кавитацией не устоит даже крепчайший бетон, замешанный на гранитном щебне. Промоины, каверны в плотинах достигают десятков метров в ширину и глубину, разрушая бетонные плиты — оболочки плотин.
Механизм кавитационного разрушения сложен и все еще недостаточно изучен. Поведением газовых пузырьков в жидкости ученые заинтересовались лишь с появлением флота с судовыми двигателями, гребные винты которых выходили из строя буквально через несколько сотен часов работы. После непродолжительной эксплуатации поверхность латунных винтов напоминала морскую губку, а на некоторых участках винта возникали сплошные дыры с рваными краями. Конкретный пример — за два года эксплуатации ледокола «Мурманск» каждая его винтовая лопасть из специальных легированных сталей потеряла в весе 200 кг. Кавитация усугубляется еще и тем, что приводит к понижению к. п. д. гидротурбин энергетических установок, использующих гребные винты, жидкостных насосов и пр.
При вращении гребного винта в воде возникают области повышенного и пониженного давления. Если понижение давления достигнет примерно 0,1 атмосферы (104 Па), произойдет разрыв жидкости с образованием полости, заполненной парогазовой смесью. В покоящейся жидкости давление пара и газа внутри такой полости уравновешивалось бы гидростатическим давлением и давлением,обусловленным силами поверхностного натяжения, но в области пониженного давления, генерируемого вращающимся винтом, кавитаци- онный пузырек начинает расти. Рост его зависит от степени разрежения воды в области образования полости и достигает своего максимального развития в условиях, когда локальное давление окружающей жидкости и давление ее насыщенного пара становятся одинаковыми. В зависимости от условий формирования кавитационной полости ее размеры могут колебаться в довольно широких пределах — от долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров. При вращении винта возникающие вихревые потоки воды переносят сформировавшиеся кавитацион- ные пузырьки в области повышенного давления, где их рост прекращается и они начинают сокращаться. Ихсокращение (захлопывание) происходит с большой скоростью и завершается часто так называемым гидравлическим ударом, сопровождаемым характерным сильным шумом с набором частот от сотен Гц до тысяч кГц. Захлопывающиеся кавитационные полости обладают огромной разрушительной силой или, другими словами, имеют высокую эрозионную активность. Пока не ясно, что же происходит с кавитационными пузырьками на конечной стадии их существования, можно лишь догадываться, что при захлопывании они распадаются. При этом жидкость с большой силой подобно сверхбыстрой струе из водяной пушки ударяет о поверхность обтекаемого тела и разрушает ее. Разодранные давлением на более мелкие части пузырьки инициируют образование «зародышей» новых кавитацион- ных полостей. Их наличие (в совокупности с другими неоднородно- стями среды) и понижает прочность на разрыв реальной жидкости. Тщательно дегазируя и очищая от примесей обычную техническую воду, можно повысить ее прочность с 0,1 до нескольких десятков атмосфер. Однако данное обстоятельство мало радует, поскольку никому и в голову не может придти очищать воду морей и океанов.
Усилия по поиску средств борьбы против кавитации привели к парадоксальному техническому решению: если нельзя избавиться от нее, то ее надо усилить до такой степени, чтобы мириады кавитаци- онных пузырьков слились в один большой паровой пузырь, который обволакивает всю рабочую поверхность лопасти и экранирует ее от действия гидравлических ударов схпопывающихся пузырьков. Были созданы так называемые суперка- витирующие винты специального профиля, способные работать в сверхскоростном режиме, обеспечивающем скорость хода корабля свыше 40 узлов. Такими винтами снабжены суда на подводных крыльях типа «Тайфун». Для обычных судов суперкавитирующие винты, рассчитанные на работу при сверх высоких оборотах, оказываются малоэффективными.
До настоящего времени так пока и не найдено достаточно надежных средств защиты от кавитации. Но если ее не удалось победить, то, может быть, следовало бы заставить это разрушающее оружие обратить во благо человеку, т. е. использовать данное явление в технологических процессах?
Действительно, кавитация широко применяется с целью очистки изделий и деталей от различного рода загрязнений в электронной технике, при производстве электровакуумных полупроводниковых приборов. Разрушительную силу кави- тационных пузырьков используют для очистки корпусов морских судов. Для этой цели созданы специальные устройства — кавитаторы. Используя явление так называемой кавитационной эрозии, можно в 10- 15 раз уменьшить давление струи воды по сравнению с традиционным способом очистки. На эффекте кавитации основано удаление заусенцев с мелких штампованных деталей приборного и часового производства. Ее используют для выделения из животных и растительных клеток ферментов, гормонов и других биологически активных веществ. В общем, у каждой медали две стороны.