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LABORATORIO SCIENTIFICO PER BAMBINI
Seconda scoperta della cavitazione. Laboratorio scientifico per bambini
Elenco / Laboratorio di scienze per bambini Alla fine del XIX secolo, la marina inglese doveva essere rifornita di due navi perfette per l'epoca. "Dering" e "Turbinia" hanno dovuto superare l'ultimo test - per la velocità, che, tra l'altro, è stata proposta dai progettisti come il loro principale vantaggio. Purtroppo non è stato possibile raggiungere la velocità calcolata. Uno studio dettagliato delle possibili ragioni del guasto ha mostrato: le eliche si consumano molto intensamente ad alta velocità, ricoprendosi di buche, cavità e il colpevole sono numerose bolle d'aria-vapore che compaiono sulle pale. In tali circostanze, la tecnologia ha conosciuto per la prima volta la cavitazione. È la tecnica. Perché la scienza conosce questo fenomeno da vent’anni. È stato teoricamente previsto dal fisico inglese O. Reynolds. E se i designer fossero stati più attenti alla ricerca fondamentale del loro connazionale, forse l'imbarazzo non si sarebbe verificato. Sì, il teorico potrebbe mettere in guardia gli ingegneri dall’eccessivo entusiasmo. Ma niente di più. Se gli fosse stato chiesto come costruire una nave veramente ultraveloce, aggirando in qualche modo la cavitazione, lo scienziato difficilmente avrebbe avuto una risposta. E ancora oggi, a più di un secolo dalla scoperta della cavitazione, la scienza che studia questo fenomeno è debitrice alla tecnologia. Non sempre è possibile calcolare con precisione la soglia oltre la quale si verifica la cavitazione, distruttiva per una macchina o una struttura. Si sbriciola ancora, rivela, il metallo delle eliche, le pale delle pompe e delle turbine, i corpi di cemento delle dighe, dei canali e delle chiuse. È ancora più difficile - e pensieri allettanti al riguardo non sono nati ieri - trasformare le forze distruttive della cavitazione e renderle alleate. Perché la potente scienza moderna cede ai segreti più importanti della cavitazione? Innanzitutto, ricordiamo cosa sa di questo fenomeno in modo abbastanza preciso. Le bolle di cavitazione compaiono in un liquido se al suo interno viene creata una pressione ridotta. Ciò accade, ad esempio, quando si scorre attorno ad un corpo solido ad alta velocità o, il che è sostanzialmente equivalente, quando il corpo stesso si muove rapidamente in un liquido. Anche le onde sonore e ultrasoniche che attraversano un liquido creano aree di bassa pressione e provocano la cavitazione. Le bolle di cavitazione non durano a lungo. Con grande velocità, in minuscole frazioni di secondo, crollano. Questo crollo, come un'esplosione, genera un'onda d'urto. Lasciamo che queste siano solo micro-esplosioni. In brevi istanti ne accadono centinaia, migliaia. Si sovrappongono l'uno all'altro, moltiplicando i loro poteri. In diversi punti del liquido la temperatura salta istantaneamente a migliaia di gradi, la pressione a molte decine di atmosfere. Le bolle possono produrre i raggi pungenti più fini che agiscono su una superficie dura come un proiettile cumulativo che distrugge l'armatura! Da qui derivano gli incredibili poteri delle bolle senza peso. Molto spesso, sfortunatamente, queste forze sono distruttive. Solo in pochi casi oggi iniziano a funzionare in modo utile: ad esempio, puliscono la superficie delle parti, aiutano a rivelare il modello naturale delle pietre di finitura e mescolano liquidi "incompatibili" come benzina e acqua. Per combattere meglio la cavitazione dannosa e distruttiva e utilizzarla più pienamente per sempre, c'è solo un modo: penetrare più a fondo nei suoi segreti. Qual è la differenza tra una bolla di cavitazione e una normale? Cosa sta succedendo dentro? Secondo quali leggi avviene in esso la trasformazione dell'energia? Se gli scienziati conoscessero oggi le risposte a queste domande, guarda, domani le navi superveloci diventerebbero reali. Ma finora ci sono solo numerose ipotesi contrastanti. Ciò significa che l'ingegnere non è in grado di calcolare con la precisione necessaria una nuova struttura o macchina nella quale vorrebbe sfruttare le forze della cavitazione. Quanto sia ancora insufficiente la conoscenza di questo fenomeno è dimostrato da questo esempio. Quasi mezzo secolo fa è stata scoperta la sonoluminescenza: il bagliore dei liquidi sotto l'influenza degli ultrasuoni, nonché le reazioni sonochimiche che si verificano solo quando i reagenti vengono irradiati dal suono. Entrambi questi fenomeni sono ad alta intensità energetica e solo la cavitazione può provocarli. Gli effetti sono diventati una sorta di test per la cavitazione. Tuttavia, il meccanismo e la loro natura rimangono ancora un mistero. Perché la cavitazione è così inaccessibile? Quali ostacoli si frappongono ai suoi segreti? Per immaginare più chiaramente le trasformazioni che avvengono con una bolla di cavitazione, devi prima monitorare attentamente come nasce, si muove, scompare, in una parola, tutte le fasi della sua vita. La bolla di cavitazione è diventata uno dei personaggi principali dei film scientifici. È stato girato su innumerevoli metri di pellicola in decine di laboratori in tutto il mondo. Ma ahimè, anche le riprese ad altissima velocità non riescono a tenere il passo con i momenti della sua vita. Il nostro eroe del cinema vive solo centomillesimi o addirittura milionesimi di secondo! Dobbiamo anche tenere conto: la dimensione delle bolle è centesimi, millesimi di millimetro. Infine, la cavitazione non è una e nemmeno mille bolle che nascono in un istante. In un centimetro cubo del cosiddetto campo di cavitazione, circa un miliardo di essi pulsano contemporaneamente! Non è un caso che uno dei primi eroi del cinema olografico, appena apparso in una versione sperimentale da laboratorio, fosse di nuovo una bolla di cavitazione... E i misteri non sono diminuiti. Ricci in una provetta Nella scienza accade spesso così: per risolvere qualsiasi problema complesso, sul quale le migliori menti, armate della tecnologia più avanzata, lottano da molti anni, manca qualche idea molto semplice, qualche esperienza elementare, quasi scolastica. Nel problema della cavitazione, questo passo forse decisivo è stato compiuto dagli scienziati del settore della fisica chimica dell'Istituto di ricerca scientifica di sintesi organica dell'Unione. Mentre alcuni ricercatori si affidavano ad attrezzature sempre più avanzate e ai metodi più recenti per risolvere sistemi insolitamente complessi di equazioni differenziali per il movimento delle bolle, gli specialisti di VNIIOS erano alla ricerca di una soluzione alternativa non frontale. Qual era la manovra prevista? Hanno ragionato in questo modo. È difficile vedere chiaramente le bolle di cavitazione a causa delle loro piccole dimensioni e della durata estremamente breve. Ciò dipende dalla frequenza delle oscillazioni che eccitano la cavitazione. Se i ricercatori riuscissero a ottenere la cavitazione, diciamo, a frequenze di 10-100 Hz, le bolle, secondo i calcoli, potrebbero vivere per decimi di secondo e avere dimensioni fino a un centimetro. Quindi vedremmo il nostro eroe del film davvero da vicino. Davvero questa semplice idea non è mai venuta in mente a nessuno prima? Ovviamente è venuta. Ci sono stati molti tentativi. Sul tavolo del capo del settore, M. A. Margulis, giaceva un articolo con i risultati dell'ultimo studio, realizzato da ricercatori americani. E non c'è nulla di confortante in questo. Ancora una volta si è avuta conferma del solito punto di vista: la cavitazione è un fenomeno soglia, cioè avviene a partire da una certa frequenza, e questa frequenza si calcola, ahimè, in kilohertz... Eppure, qualcosa ha costretto il esperimento ovviamente fallito da riprodurre. Ciò è stato guidato sia dalla rabbia per un problema intrattabile, sia dalla passione per la ricerca, dalla perseveranza e dall’intuizione.
Non è stato difficile per gli americani portare a termine l'esperimento. Il suo schema era semplice: un'asta oscillante viene abbassata in un recipiente con liquido e lo spettrometro, se si verifica cavitazione, dovrebbe registrare il bagliore. Tutto è stato fatto come dovrebbe, niente come la cavitazione. Abbiamo provato ad aumentare l'ampiezza delle oscillazioni della canna, dicendo che l'eccitazione sarebbe diventata più intensa. Lo spettrometro ultrasensibile è silenzioso. Il ribollire e la turbolenza nel liquido si intensificano, ma non si verifica alcun allungamento. Il liquido sembra essere troppo elastico; anche se gira, riesce comunque a scorrere attorno all'asta che oscilla lentamente. Ma è necessario che percepisca le vibrazioni della canna come se fossero colpi. Come raggiungere questo obiettivo? È stato sufficiente escludere il flusso attorno all'asta oscillante e si è scoperta la cavitazione a bassa frequenza Il nuovo esperimento è stato condotto con attrezzature che probabilmente si troverebbero anche in un'aula di fisica scolastica: una provetta, un supporto, un'asta scolpita nel plexiglass, un altoparlante da 25 watt, un vecchio amplificatore a valvole... L'unica sottigliezza - è stata realizzata un'asta oscillante a forma di pistone in modo tale che lo spazio con le pareti della provetta fosse solo di un decimo di millimetro. Allo stesso tempo, il liquido non poteva più scorrere attorno all'asta con la stessa facilità di prima. Il generatore sonoro è acceso ad una frequenza di 90 Hz. M. A. Margulis dice di quello che accadde dopo: "Non abbiamo notato nulla di speciale per un minuto." Quindi, in una piccola area vicino alla parete della provetta piena di liquido, apparvero piccole bolle sferiche sotto il pistone oscillante. Il loro numero è cresciuto rapidamente. Formavano un grosso coagulo che sembrava un riccio. Questo riccio pulsava visibilmente. Cominciarono ad aumentare gradualmente la frequenza. A 200 Hz e oltre è stato possibile creare due o anche più ricci straordinari. Sono nati in diverse parti della provetta. Di tanto in tanto si precipitavano l'uno verso l'altro, si univano e poi si separavano con uno schianto. È stato subito evidente che i ricci non sembrano conglomerati - grappoli di singole bolle pulsanti, ma sono grandi bolle dalla forma bizzarra... Ma non tutto è stato catturato ad occhio nudo. Gli scienziati hanno utilizzato il loro strumento abituale: le riprese ad alta velocità. Abbiamo riprodotto il video girato, ma... non abbiamo trovato nessun riccio. Le protuberanze, i processi piuttosto spessi, i tentacoli dalla curvatura intricata, che sembravano uscire dal corpo di una grande bolla, non somigliavano affatto agli aghi di un simpatico abitante della foresta. E gli scienziati hanno dato a questa insolita creatura un nome più prosaico: una grande bolla deformata (abbreviato BDP). Sullo schermo era possibile vedere come piccole bolle sferiche trasparenti si staccassero dal BDP e poi tornassero indietro. Cos'era? Cavitazione, che genera temperature di mille gradi e pressioni colossali? O forse qualche nuovo fenomeno osservato per la prima volta? Per verificare, come già sappiamo, ci sono test speciali, una sorta di cartina di tornasole che rivelano la cavitazione - reazioni suono-chimiche e il bagliore dei liquidi. Abbattere le barriere Nel primissimo esperimento di prova, il suono a bassa frequenza innescava facilmente una reazione a catena di conversione dell’acido maleico in acido fumarico. Restavano ancora dei dubbi: sebbene questa reazione sia considerata complessa e capricciosa tra i chimici, richiede relativamente poca energia per avviarsi. Ma quando in una provetta di laboratorio il ferro bivalente si trasformò in trivalente, quando le molecole d'acqua iniziarono a dividersi in esso, come noci sotto un martello, non potevano più esserci due opinioni: la vera cavitazione era eccitata. Inizialmente, i ricercatori stessi hanno avuto difficoltà a credere ai propri risultati. Tuttavia, ripetuti controlli hanno confermato che le reazioni suono-chimiche possono essere effettuate già ad una frequenza del suono di 7 Hz, e alcune soluzioni hanno cominciato a brillare a 30 Hz. Stiamo parlando di una scoperta che può definirsi calda. La ricerca sulla cavitazione a bassa frequenza è appena iniziata. Tuttavia, fin dai primi giorni portano risultati interessanti. Ad esempio, non appena gli scienziati videro con i propri occhi i BDP e si convinsero che cavitassero, una delle più autorevoli teorie sulla cavitazione crollò. Si credeva che sulla superficie della bolla di cavitazione emergente si formassero cariche opposte. Ad un certo momento si verifica un guasto elettronico. Da qui il grande rilascio di energia, la luminosità e l'avvio delle reazioni chimiche più difficili. L'unica condizione per una situazione del genere è che la bolla di cavitazione abbia... una forma a forma di lente impeccabilmente corretta. Sullo schermo, come sappiamo, i ricercatori hanno visto piuttosto una specie di pianta dalla forma fantastica. "Capito" non solo alla teoria elettrica, ma anche a un'altra: la teoria termica della cavitazione. Diceva: nel processo di rapida compressione e collasso della bolla di cavitazione, la miscela vapore-gas viene riscaldata a temperature di migliaia di gradi. Allo stesso tempo, inizia naturalmente a brillare come il filamento di una normale lampadina, e la temperatura del plasma divide le molecole e dà inizio alle reazioni chimiche più incredibili. Tuttavia, ora, a seguito di un'attenta ricerca, è stato stabilito: la sonoluminescenza è lo stesso bagliore freddo di quello delle lucciole che tremolano nella notte. Quasi ogni nuovo esperimento ha mostrato la cavitazione ormai familiare da un angolo inaspettato e ne ha rivelato le straordinarie capacità. Diciamo che il potere distruttivo della cavitazione ad alta frequenza era ben noto. Potrebbe trasformare la superficie liscia dei metalli in una superficie ruvida in pochi minuti, scheggiando particelle piuttosto grandi. La cavitazione a bassa frequenza, al contrario, si è rivelata un’arma sottile e delicata. Non le fu difficile levigare e lucidare la superficie più ruvida, facendo uscire solo microscopiche particelle di metallo. cavitazioneCavitazione a bassa frequenza, emulsioni preparate facilmente e rapidamente da liquidi che non si mescolano in condizioni normali, granuli frantumati di sostanze solide immerse in liquidi, lanciate le reazioni chimiche a maggior consumo energetico... Naturalmente, la cavitazione ultrasonica e ad alta frequenza può fare tutto questo. Ma per crearlo, come sai, hai bisogno di attrezzature speciali, generatori. Ora collega la sorgente di oscillazione alla rete che alimenta la tua radio di casa e tutte le utili capacità della cavitazione saranno al tuo servizio. Supponiamo che tu debba miscelare sostanze con la massima cura e velocità in un reattore chimico con una capacità di diversi serbatoi ferroviari. Questo compito è il più ordinario, comune per le industrie chimiche, farmaceutiche e microbiologiche. Soluzione tradizionale: il miscelatore è qualcosa come un'elica o una coclea, realizzato con le leghe più costose e chimicamente resistenti. Oppure puoi installare una semplice fonte di oscillazione nel reattore e collegarla a una normale presa di rete: l'effetto, come mostrano i calcoli, sarà ancora migliore. Difficile che qualcuno oggi possa prevedere le varie applicazioni pratiche della “seconda” scoperta della cavitazione. Per ora, apre solo la strada a una comprensione più profonda di questo interessante fenomeno e ribalta le barriere che hanno ostacolato i ricercatori per molti decenni. La comprensione del vero meccanismo della cavitazione, di come e dove si manifestano le sue forze straordinarie, deve ancora arrivare. E dietro, come sempre accade nella scienza, ci sono nuove opportunità per l'ingegnere, il progettista, il tecnologo, oggi impossibili da prevedere. Autore: L. Galamaga
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