Пузыри в жидкости (стр. 5 из 5)
Предположим, что плотности граничащих жидкостей практически одинаковы и равны
. В рассматриваемой ситуации на пузырек, отделенный от границы между жидкостями тонким слоем нижней жидкости действуют две силы. Одна из них – выталкивающая сила, стремящаяся продавить пузырек сквозь границу. Другая сила возникает, когда всплывающий пузырек деформирует границу между жидкостями. Эта сила стремится воспрепятствовать увеличению площади между жидкостями в том месте, где пузырек стремится ее прорвать. Эту силу 
вычислим, упростив форму границы. В этом упрощении формы границы в основном и заключается упрощенность расчета.Силу
можно оценить, следуя вот каким рассуждениям. Перемещение газового пузырька вверх сопровождается увеличением площади цилиндрической границы между верхней и нижней жидкостями. Если пузырек сместится на величину 
, то сопутствующее этому увеличение поверхностной энергии 
. Это означает, что всплыванию пузырька будет препятствовать сила 
. Вот теперь из условия 
, мы легко определим критический размер пузырька, при котором сила 
оторвет его от столба нижней жидкости. Окутанный ею пузырек всплывает в верхней жидкости. Оценка R* оказывается следующей: 
.Из формулы следует, что при разумных значениях величин, определяющих R* (
Дж/м2, 
кг/м3), оказывается, что 
м.Теперь о втором эффекте. Оказывается, что пузырек, прорывающийся через границу в «верхнюю» жидкость, уносит с собой немного «нижней» жидкости, даже если она и тяжелее.
5. Кавитация
Это понятие разъясняется так: образование разрывов сплошности жидкости в результате местного понижения давления в ней. Разрывы жидкости, это конечно же пузырьки. Слово «кавитация» происходит от латинского слова cavitas, что означает пустота.
Временно поставим перед собой иную цель: ознакомимся с основной закономерностью, которой подчиняется жидкость, текущая в трубке. Представим себе горизонтальную трубку переменного сечения, по которой течет жидкость. Там, где площадь сечения поменьше, жидкость течет быстрее, а там, где побольше, - медленнее. Согласно закону сохранения энергии, можно утверждать следующее. Над выделенным объемом текущей жидкости совершается работа сил давления, вынуждающих ее течение. Если жидкость не обладает вязкостью, то эта работа будет расходоваться только на изменение ее кинетической энергии. Закон сохранении энергии дает право приравнять работу сил давления изменению кинетической энергии жидкости. Из этого равенства следует уравнение Даниила Бернулли, которое выполняется в любом сечении трубки:
.В этом уравнении
- плотность жидкости, 
- скорость ее течения, 
- давление жидкости в потоке, а 
- величина постоянная. Прочесть ее можно так: сумма плотности кинетической энергии и давления в текущей жидкости остается неизменной.Записанное уравнение является фундаментальным в науке о жидкости.
Всмотримся в формулу внимательно. Вот что формула гласит: чем уже сечение трубки, тем больше
, чем больше , тем меньше , а это означает», что может оказаться настолько большим, что давление станет меньше некоторого критического 
. Газовые или паровые пузырьки, имеющиеся в движущейся жидкостии попавшие зону, где 
, начинают увеличиваться в объеме, жидкость «кавитирует», превращаясь в пенообразную среду. Перемещаясь вместе с потоком в область, где давление 
, пузырьки начинают схлопываться и исчезают.Итак, мы с уверенностью предсказываем появление пузырьков в текущей жидкости, основываясь, как на фундаменте, только на законе сохранения энергии. Фундамент надежный и пузырьки искать следует.
В действительности кавитация может происходить и тогда, когда в жидкости по какой-либо причине возникают участки, в которых скорость ее движения различна. Например, вблизи вращающихся лопастей теплохода, или вблизи стержня, вибрирующего в воде.
«Капля камень точит»- это известно всем. А вот, что пузырек металл разрушает, - это кажется не общеизвестно. Зарегистрировано множество случаев разрушения гребных винтов быстроходных кораблей кавитационными пузырьками. Эти разрушения иной раз выводят винт из строя всего за несколько часов хода корабля. Кавитационная зона вблизи вращающегося гребного винта строителям кораблей тщательно исследуется с целью избрать оптимальную форму, при которой без ущерба для прочих характеристик корабельного винта его кавитационнная стойкость будет наибольшей. Это важный этап в конструировании и изготовлении корабля.
А вот еще один пример разрушающего воздействия кавитации. Если в воде будет вибрировать металлический стержень, его торцевая поверхность покроется очагами кавитационного разрушения: пузырьки металл разрушают.
Есть несколько предположений о механизме передачи летящего пузырька поверхности металла. Достигнув поверхности препятствия, пузырек может быстро схлопнуться, возбудить ударную волну, и это повлечет за собой удар воды по поверхности. Физики, подробно, изучавшие кавитационные разрушения металлов, убедились в том, что импульсные давления, воспринимаемые поверхностью, оказываются достаточными, чтобы пузырьки создавали и развивали очаги разрушений на поверхности металла. Например, так: многократно повторяющиеся импульсные напряжения приводят к локальным усталостным разрушениям.
Заключение
В ходе выполнения работы были рассмотрены и изучены только часть вопросов, связанных с изучением свойств пузырей в жидкости.
В каждом разделе работы были рассмотрены различные процессы, происходящие с пузырями в жидкости и показано, как общие законы физики обнаруживают себя в этих явлениях. Так, при свободном всплывании пузырька в режиме ламинарного течения воды применялась формула Дж. Г. Стокса, для определения давление газа, заключенного в пузыре - закон Менделеева — Клайперона, а основная закономерность, которой подчиняется жидкость, текущая в трубке, описывается уравнение Д. Бернулли, которое является фундаментальным в науке о жидкости.
Можно сделать вывод, что пузырек оказывается главным участником очень важных технологических процессов и физических явлений.
В работе рассмотрены следующие вопросы: о флотации, процессе, при котором руда освобождается от пустой породы, о кавитации – процессе появления несплошностей в жидкости вследствие местного понижения давления (эти несплошности превращаются в пузырьки, которые, схлопываясь, могут изъязвлять и разрушать металл, находящийся в жидкости, в частности гребные винты кораблей), о барботаже – продувании сквозь жидкость газовых пузырьков (их поток приводит к совершенному перемешиванию жидкости, а иной раз используется для ее равномерного прогрева).
Выполнен модельный опыт о флотации.
В процессе выполнения работы получены дополнительные знания по физике, которые могут быть использованы в дальнейшей учебной деятельности.
В заключении следует отметить, что тематика данной исследовательской работы является достаточно актуальной и поэтому и достаточно интересной.
Список использованных источников и литература
1. Гегузин Я.Е. Пузыри. – М.: Наука, 1985. – 176 с.
2. Перельман Я.И. Занимательная физика. Книга 1. – М. Наука, 1990
3. Кутателадзе С.С., Накоряков В.Е. Тепломассообмен и воны в газожидкостных системах. – Новосибирск: Наука, 1984. – 301 с.