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LABORATOIRE SCIENTIFIQUE POUR ENFANTS
La deuxième découverte de la cavitation. Laboratoire scientifique pour enfants
Annuaire / Laboratoire scientifique pour enfants A la fin du XIXe siècle, la marine anglaise devait se reconstituer avec deux navires parfaitement adaptés à l'époque. "Dering" et "Turbinia" ont dû passer le dernier test - pour la vitesse, qui, soit dit en passant, a été présentée par les concepteurs comme leur principal avantage. Malheureusement, la vitesse calculée n'a pas pu être atteinte. Une étude détaillée des raisons possibles de l'échec a montré : les hélices s'usent très intensément à grande vitesse, se couvrent de nids-de-poule, de cavités, et le coupable est de nombreuses bulles d'air-vapeur qui apparaissent sur les pales. Dans de telles circonstances, la technologie s’est familiarisée pour la première fois avec la cavitation. C'est la technique. Car la science connaît ce phénomène depuis vingt ans. Cela a été théoriquement prédit par le physicien anglais O. Reynolds. Et si les designers avaient été plus attentifs aux recherches fondamentales de leur compatriote, l'embarras ne serait peut-être pas arrivé. Oui, le théoricien pourrait mettre en garde les ingénieurs contre toute excitation excessive. Mais rien de plus. Si on lui avait demandé comment construire un vaisseau véritablement ultra-rapide, contournant d'une manière ou d'une autre la cavitation, le scientifique n'aurait guère eu de réponse. Et aujourd’hui encore, plus d’un siècle après la découverte de la cavitation, la science qui étudie ce phénomène doit beaucoup à la technologie. Il n’est pas toujours possible de calculer avec précision le seuil au-delà duquel se produit la cavitation, destructrice d’une machine ou d’une structure. Il s'effrite encore, il révèle, le métal des hélices, les pales des pompes et des turbines, les corps de béton des barrages, des canaux et des écluses. Il est encore plus difficile - et les idées tentantes à ce sujet ne sont pas nées d'hier - de transformer les forces destructrices de la cavitation et de s'en faire des alliées. Pourquoi la puissante science moderne cède-t-elle aux secrets les plus importants de la cavitation ? Tout d'abord, rappelons-nous de manière très précise ce qu'elle sait de ce phénomène. Des bulles de cavitation apparaissent dans un liquide si une pression réduite y est créée. Cela se produit, par exemple, lors d'un écoulement à grande vitesse autour d'un corps solide ou, ce qui est essentiellement équivalent, lorsque le corps lui-même se déplace rapidement dans un liquide. Les ondes sonores et ultrasonores traversant un liquide créent également des zones de basse pression et provoquent de la cavitation. Les bulles de cavitation ne durent pas longtemps. À grande vitesse, en infimes fractions de seconde, ils s’effondrent. Cet effondrement, comme une explosion, génère une onde de choc. Que ce ne soient que des micro-explosions. En peu de temps, des centaines, voire des milliers d’entre eux se produisent. Ils se chevauchent, multipliant leurs pouvoirs. En différents points du liquide, la température grimpe instantanément jusqu'à des milliers de degrés, la pression jusqu'à plusieurs dizaines d'atmosphères. Les bulles peuvent produire les plus belles raies pastenagues qui agissent sur une surface dure comme un projectile cumulatif qui détruit l'armure ! C’est de là que viennent les incroyables pouvoirs des bulles en apesanteur. Malheureusement, le plus souvent, ces forces sont destructrices. Ce n'est que dans quelques cas qu'ils commencent à fonctionner utilement aujourd'hui - par exemple, ils nettoient la surface des pièces, aident à révéler le motif naturel des pierres de finition et mélangent des liquides « incompatibles » tels que l'essence et l'eau. Pour mieux lutter contre la cavitation nocive et destructrice et l'utiliser plus pleinement à des fins bénéfiques, il n'y a qu'un seul moyen : pénétrer plus profondément dans ses secrets. Quelle est la différence entre une bulle de cavitation et une bulle ordinaire ? Que se passe-t-il à l'intérieur ? Selon quelles lois s'y déroule la transformation de l'énergie ? Si les scientifiques connaissaient aujourd’hui les réponses à ces questions, regardez, demain, les navires ultra-rapides deviendraient réalité. Mais jusqu’à présent, il n’existe que de nombreuses hypothèses concurrentes. Et cela signifie que l’ingénieur n’est pas en mesure de calculer avec la précision requise une nouvelle structure ou une nouvelle machine dans laquelle il voudrait exploiter les forces de cavitation. Cet exemple montre à quel point les connaissances sur ce phénomène sont encore insuffisantes. Il y a près d'un demi-siècle, la sonoluminescence a été découverte - la lueur de liquides sous l'influence d'ultrasons, ainsi que des réactions sonochimiques qui se produisent uniquement lorsque les réactifs sont irradiés par le son. Ces deux phénomènes sont très gourmands en énergie et seule la cavitation peut les provoquer. Les effets sont devenus une sorte de test de cavitation. Cependant, le mécanisme et leur nature restent encore un mystère. Pourquoi la cavitation est-elle si inaccessible ? Quels obstacles s'opposent à ses secrets ? Afin d'imaginer plus clairement les transformations qui s'opèrent avec une bulle de cavitation, il faut d'abord surveiller attentivement comment elle naît, bouge, disparaît, en un mot, toutes les étapes de sa vie. La bulle de cavitation est devenue l’un des personnages principaux des films scientifiques. Il a été filmé sur d’innombrables mètres de film dans des dizaines de laboratoires à travers le monde. Mais hélas, même le tournage à ultra-haute vitesse ne peut pas suivre les moments de sa vie. Notre héros de cinéma ne vit que des cent millièmes, voire des millionièmes de seconde ! Il faut aussi prendre en compte : la taille des bulles est des centièmes, millièmes de millimètre. Enfin, la cavitation, ce n’est pas une ni même mille bulles nées en un instant. Dans un centimètre cube de ce qu'on appelle le champ de cavitation, environ un milliard d'entre eux pulsent en même temps ! Ce n'est pas un hasard si l'un des premiers héros du cinéma holographique, dès son apparition en laboratoire, version expérimentale, était à nouveau une bulle de cavitation... Et les mystères n'ont pas diminué. Hérissons dans un tube à essai En science, cela se produit souvent ainsi : pour résoudre tout problème complexe, sur lequel les meilleurs esprits, armés de la technologie la plus avancée, se battent depuis de nombreuses années, il manque une idée très simple, une expérience élémentaire, presque scolaire. Dans le problème de la cavitation, cette étape peut-être décisive a été franchie par des scientifiques du secteur de la physique chimique de l'Institut de recherche scientifique de l'Union sur la synthèse organique. Alors que certains chercheurs s'appuyaient sur des équipements de plus en plus avancés et sur les méthodes les plus récentes pour résoudre des systèmes d'équations différentielles inhabituellement complexes pour le mouvement des bulles, les spécialistes de VNIIOS recherchaient une solution de contournement non frontale. Quelle était leur manœuvre envisagée ? Ils raisonnaient à peu près comme ça. Il est difficile de voir clairement les bulles de cavitation en raison de leur petite taille et de leur durée de vie extrêmement courte. Cela dépend de la fréquence des oscillations qui excitent la cavitation. Si les chercheurs parvenaient à obtenir une cavitation, par exemple à des fréquences de 10 à 100 Hz, les bulles, selon les calculs, pourraient vivre des dixièmes de seconde et mesurer jusqu'à un centimètre. Ensuite, nous verrions notre héros de film en très gros plan. Cette idée simple n’est-elle vraiment jamais venue à l’esprit de personne auparavant ? Bien sûr, elle est venue. Il y a eu de nombreuses tentatives. Un article reprenant les résultats du dernier d'entre eux, réalisé par des chercheurs américains, gisait sur la table du chef du secteur, M. A. Margulis. Et cela n’a rien de réconfortant. Une fois de plus, la confirmation du point de vue habituel a été reçue : la cavitation est un phénomène de seuil, c'est-à-dire qu'elle se produit à partir d'une certaine fréquence, et cette fréquence se calcule, hélas, en kilohertz... Et pourtant, quelque chose a forcé le expérience manifestement infructueuse à reproduire. Cela était motivé à la fois par une bonne colère face à un problème insoluble, ainsi que par la passion, la persévérance et l’intuition de la recherche.
Il n’a pas été difficile pour les Américains de réaliser l’expérience. Son schéma était simple : une tige oscillante est descendue dans un récipient contenant du liquide, et le spectromètre, en cas de cavitation, devrait enregistrer la lueur. Tout a été fait comme il se doit – rien de tel que la cavitation. Nous avons essayé d'augmenter l'amplitude des oscillations de la tige, en disant que l'excitation deviendrait plus intense. Le spectromètre ultrasensible est silencieux. Le bouillonnement et les turbulences dans le liquide s'intensifient, mais il n'y a pas d'étirement. Le liquide semble trop élastique ; bien qu'il tourbillonne, il parvient toujours à s'écouler autour de la tige qui oscille lentement. Mais il faut qu'elle perçoive les vibrations de la tige comme s'il s'agissait de coups. Comment y parvenir ? Il suffisait d'exclure l'écoulement autour de la tige oscillante et une cavitation basse fréquence a été découverte. La nouvelle expérience a été réalisée avec un équipement que l'on trouverait probablement même dans une salle de physique d'une école : un tube à essai, un support, une tige en plexiglas, un haut-parleur de 25 watts, un vieil amplificateur à tubes... Sa seule subtilité - une tige oscillante en forme de piston a été réalisée de manière à ce que l'écart avec les parois du tube à essai ne soit que d'un dixième de millimètre. Dans le même temps, le liquide ne pouvait plus circuler autour de la tige aussi facilement qu’auparavant. Le générateur de sons est allumé à une fréquence de 90 Hz. M. A. Margulis dit à propos de ce qui s'est passé ensuite : "Nous n'avons rien remarqué de spécial pendant une minute." Puis, dans une petite zone près de la paroi du tube à essai rempli de liquide, de petites bulles sphériques sont apparues sous le piston oscillant. Leur nombre augmenta rapidement. Ils formaient un gros caillot qui ressemblait à un hérisson. Ce hérisson palpitait visiblement. Ils ont commencé à augmenter progressivement la fréquence. À 200 Hz et plus, il était possible de créer deux hérissons extraordinaires, voire plus. Ils sont nés dans différentes parties de l’éprouvette. De temps en temps, ils se précipitaient l'un vers l'autre, se confondaient puis s'envolaient avec fracas. Il a été immédiatement remarqué que les hérissons ne ressemblent pas à des conglomérats - des amas de bulles individuelles pulsantes, mais à de grosses bulles aux formes bizarres... Mais tout n’a pas été capturé à l’œil nu. Les scientifiques ont utilisé leur outil habituel : le tournage à grande vitesse. Nous avons diffusé la vidéo filmée, mais... nous n'avons trouvé aucun hérisson. Les protubérances, processus plutôt épais, tentacules finement incurvés, qui semblaient jaillir du corps d'une grosse bulle, ne ressemblaient pas du tout aux aiguilles d'un joli habitant de la forêt. Et les scientifiques ont donné à cette créature inhabituelle un nom plus prosaïque - une grande bulle déformée (en abrégé BDP). Sur l'écran, il était possible de voir comment de petites bulles sphériques transparentes se détachaient du BDP puis revenaient en courant. Qu'est-ce que c'était? Cavitation, génératrice de températures à mille degrés et de pressions colossales ? Ou peut-être un nouveau phénomène observé pour la première fois ? Pour vérifier, comme nous le savons déjà, il existe des tests spéciaux, des sortes de tests décisifs qui révèlent la cavitation - les réactions sonores-chimiques et la lueur des liquides. Faire tomber les barrières Lors de la toute première expérience de test, un son basse fréquence a facilement déclenché une réaction en chaîne de conversion de l’acide maléique en acide fumarique. Des doutes subsistaient encore : bien que cette réaction soit considérée comme complexe et capricieuse par les chimistes, elle nécessite relativement peu d'énergie pour être déclenchée. Mais lorsque, dans un tube à essai de laboratoire, le fer divalent s'est transformé en trivalent, lorsque les molécules d'eau ont commencé à s'y fendre, comme des noix sous un marteau, il ne pouvait plus y avoir deux opinions - une véritable cavitation était excitée. Au début, les chercheurs eux-mêmes avaient du mal à croire à leurs propres résultats. Cependant, des contrôles répétés ont confirmé que des réactions sonores et chimiques peuvent déjà être effectuées à une fréquence sonore de 7 Hz, et certaines solutions ont commencé à briller à 30 Hz. Nous parlons d'une découverte que l'on peut qualifier de chaude. La recherche sur la cavitation basse fréquence ne fait que commencer. Cependant, dès les premiers jours, ils apportent des résultats intéressants. Par exemple, dès que les scientifiques ont vu le BDP de leurs propres yeux et ont été convaincus qu'ils avaient une cavitation, l'une des théories les plus autorisées sur la cavitation s'est effondrée. On pensait que des charges opposées apparaissaient à la surface de la bulle de cavitation émergente. A un certain moment, une panne électronique survient. D'où la grande libération d'énergie, la lueur et le déclenchement des réactions chimiques les plus difficiles. La seule condition pour que cela se produise est que la bulle de cavitation ait... une forme de lentille impeccablement correcte. Sur l’écran, on le sait, les chercheurs ont plutôt vu une sorte de plante aux formes fantastiques. "Je comprends" non seulement la théorie électrique, mais aussi une autre théorie - la théorie thermique de la cavitation. On pouvait y lire : lors du processus de compression rapide et d'effondrement de la bulle de cavitation, le mélange vapeur-gaz est chauffé à des températures de plusieurs milliers de degrés. En même temps, il commence naturellement à briller comme le filament d’une ampoule ordinaire, et la température du plasma divise les molécules et déclenche les réactions chimiques les plus incroyables. Cependant, aujourd'hui, grâce à des recherches minutieuses, cela a été établi : la sonoluminescence est la même lueur froide que celle des lucioles scintillent dans la nuit. Presque chaque nouvelle expérience montrait la cavitation désormais familière sous un angle inattendu et révélait ses capacités extraordinaires. Disons que le pouvoir destructeur de la cavitation haute fréquence était bien connu. Il pourrait transformer la surface lisse des métaux en une surface rugueuse en quelques minutes, éliminant ainsi des particules assez grosses. La cavitation basse fréquence, au contraire, s’est révélée être une arme subtile et délicate. Il ne lui était pas difficile de lisser et de polir la surface la plus rugueuse, en retirant uniquement les particules microscopiques de métal. cavitationLa cavitation basse fréquence prépare facilement et rapidement des émulsions à partir de liquides qui ne se mélangent pas dans des conditions normales, des granules broyés de substances solides immergées dans un liquide, lancent les réactions chimiques les plus énergivores... Bien sûr, la cavitation ultrasonique à haute fréquence peut faire tout ça. Mais pour le créer, comme vous le savez, vous avez besoin d'un équipement spécial, de générateurs. Connectez maintenant la source d'oscillation au réseau qui alimente votre radio domestique, et toutes les capacités utiles de la cavitation sont à votre service. Supposons que vous deviez mélanger des substances avec le plus grand soin et la plus grande rapidité dans un réacteur chimique d’une capacité de plusieurs réservoirs ferroviaires. Cette tâche est la plus courante, courante dans les industries chimiques, pharmaceutiques et microbiologiques. Solution traditionnelle : le mélangeur est quelque chose comme une hélice ou une vis sans fin, fabriqué à partir des alliages les plus coûteux et chimiquement résistants. Ou vous pouvez installer une simple source d'oscillation dans le réacteur et la brancher sur une prise réseau ordinaire - l'effet, comme le montrent les calculs, sera encore meilleur. Il est peu probable que quiconque soit aujourd’hui en mesure de prédire les diverses applications pratiques de la « seconde » découverte de la cavitation. Pour l’instant, cela ne fait qu’ouvrir la voie à une compréhension plus approfondie de ce phénomène intéressant et renverser les barrières qui se dressaient sur le chemin des chercheurs depuis de nombreuses décennies. Comprendre le véritable mécanisme de la cavitation, comment et où ses forces extraordinaires apparaissent, reste encore à venir. Et derrière cela, comme c'est toujours le cas dans la science, se trouvent de nouvelles opportunités pour l'ingénieur, le concepteur, le technologue, qui sont aujourd'hui impossibles à prévoir. Auteur : L. Galamaga
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