книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

не имеет собственного объёма и заполняет собой любой ограничен- ный объём полностью, где находиться, и потому не имеет свободной поверхности, при этом может расширяться беспредельно, если пере- стаётдействоватьгравитация.Вединицеобъёмалюбогогаза(грамм — молекуле) содержится одинаковое количество материальных единиц (молекул) — закон Авогадро.

Воздух и вода это вещества бесплатные и неисчерпаемые на Земле. Воздух более доступен, чем вода, он есть везде и ничего не стоит.

Например, при тушении очагов пожара недостаток воды может быть восполнен пеной — смесью небольшого количества воды с воз- духом (или другим газом) и пенообразователя.

Пена это плёночно-модифицированное состояние жидкости охва- тывающейпорциигазаилипрощеэтомножествопузырьковгаза,огра- ниченных тонкой плёнкой жидкости, причём не химически чистой, а содержащей вещества (пенообразователи), сильно понижающие её поверхностное натяжение.Несмотрятонкость плёнки она очень устой- чива к внешним воздействиям,так как молекулы растворённого веще- ства адсорбируются (собираются) в поверхностном слое её жидкости, образуя наружный и внутренний слои, содержащие пенообразователь, и слой чистой жидкости между ними. Поверхностное натяжение слоя чистой жидкости больше, чем у слоёв её окружающих, поэтому она об- ладает «залечивающим» свойством, то есть способностью подтянуть к месту повреждения жидкость из оставшейся в целости части,обеспе- чивая одинаковуютолщину плёнки по всей её поверхности.

Это свойство позволяет обрести техническое преимущество, на- пример, в процессах сепарации влаги.

В известном авиационном сепараторе влаги по изобретению а. с. 314537 для отражения или резкого изменения направления движения воздушного потока предусмотрены специальные отражающие и от- бойные элементы из перфорированного материала. На таких элемен-

80

тах осуществляется инерционное отделение (извлечение) капельной влаги из воздушного потока. Техническим недостатком является зна- чительный вес сепаратора.

Взамен этому устройству предложен сепаратор влаги на осно- ве применения воздушно-механической пены (рисунок ниже). Воздушно-механическая пена хорошо исследована, способна свобод- но пропускать капельную влагу и, одновременно, не пропускать (от- ражать) воздух.

Сепаратор влаги содержит: 1, 4 — входной и выходной патрубки; 2 — завихри- тель;3 —отбойникизсетчатогоматериала;5 —корпус;6 —каналотводавлаги;7 — камеру сбора влаги; 8 — дренажный штуцер; 9 — сетчатый диск; 10, 11 — сетчатые перегородки; 12 — кольцевую полость приёма пенообразователя; 13 — емкость с раствором пенообразователя; 14 — трубопровод; 15 — капиллярные отверстия.

Осушаемый воздух поступает через входной патрубок 1 и закручи- вается завихрителем 2.

Пена образуется из отделяемой влаги, которая движется по вну- тренней поверхности корпуса 5 и, пройдя канал отвода влаги 6, за- хватывает частицу пенообразователя из капиллярных отверстий 15. Смесь,состоящая из частицы пенообразующего раствора,влаги и воз- духа,поступаетнасеточныйдиск9,гдеобразуетсясистемарастянутых пленок. Под напором воздушного потока из данных пленок образует- ся массовая пена, которая выталкивается потоком воздуха в полость контейнера ограниченную поверхностями отбойника 3 и перегоро- док 10 и 11. Размеры контейнера пропорциональны напору воздуш- ного потока. Влага, осаждающаяся на поверхность отбойника 3, похо- дит беспрепятственно сеточную и пенную структуры и падает на дно камеры сбора влаги 7 и затем удаляется наружу через дренажный

81

штуцер 8.Заполнение контейнера воздушно-механической пеной пе- рекрывает проход рабочего воздуха через камеру сбора влаги 7 в дре- нажный штуцер 8. Давление в пространстве за перегородкой 10 сни- жается и, тем самым перекрывается поступление пенообразователя из емкости 13 через кольцевую полость 12 к капиллярным отверстиям 15 и пенообразование прекращается. При повреждениях целостности пенной структуры и её схлопывании часть рабочего воздуха проника- ет за сеточный диск 9 и перегородку 10. Давление в трубопроводе 14 и, соответственно, над поверхностью раствора пенообразователя в ем- кости 13 повышается. Частицы пенообразователя из емкости 13 через капиллярные отверстия 15 вновь поступают в воздушно-водный по- ток, движущийся в канале 6. На сеточном диске 9 образуется массовая пена,которая выталкивается в полость контейнера и заполняет все пу- стоты в пенной структуре. Массовая пена способствует эффективному отражению воздушного потока от поверхности отбойника 3, активно поглощает испарения и летучие загрязнения, содержащиеся в потоке рабочего воздуха.Причём в качестве инициирующего веществадля об- разования воздушно-механической пены взят стандартный пенообра- зующий раствор безопасный для дыхания человека. В сепараторе, на- ходящемся в нерабочем состоянии,структура воздушно-механической пены постепенно разрушается, и ее остатки стекают через сеточную перегородку 11 в дренажный штуцер 8 и затем удаляются наружу.

В изобретении а. с. 494901 на «Способ гашения ударных волн» при обработке металлов взрывом (при штамповке взрывом) для гашения ударных волн предложено использовать воздушно-механическую пену, размещаемую вокруг заряда взрывчатого вещества (ВВ), тол- щиной пропорциональной мощности заряда ВВ. Для сохранения фор- мы и свойств пены её помещают в легкодеформируемую оболочку из полимерных плёнок. Этим достигнуто техническое преимущество по сравнению с ранее применяемой завесой ударных волн, созда- ваемой распылителями сред, которая не позволяла воздействовать на всю поверхность фронта расходящейся ударной волны. Действи- тельно, распылённая среда для поглощения ударных волн, которая разделена газом или воздухом, слабое препятствие для ударных волн из-за отсутствия между частицами среды сил взаимодействия. В про- тивоположность этому плёночная жидкость,растянутая на пузырьках газа,обладаетзначительным поверхностным натяжением,трудно по- дающимся разрушению, что является техническим преимуществом.

Разрушение пены связано с затратами энергии: взаимодействие продуктов взрыва с пеной при её послойном разрушении приводит к поглощению энергии газообразных продуктов детонации ВВ, что исключает образование в воздушной или газовой среде вне пены сильных ударных волн. Применение пены эффективно при прове-

82

дении работ во взрывных камерах, которые для этого заполняются воздушно-механической пеной.

Твёрдой пеной, например, является пенобетон, в раствор которого при его изготовлении добавляют пенообразователи. Изделия из пе- нобетона имеют ячеистую структуру, легки, дёшевы, плохо проводят тепло и звуки, при этом достаточно прочны.

В авиации для высадки пассажиров из самолёта вместо обычных мобильных трапов иногда используют надувные трапы, имеющиеся в специальных отсеках самолёта.

Вода в условиях невесомости дробиться на отдельные сферические фрагменты.

Вес 1 м 3 воздуха равен примерно 1,3 килограмма,тогда как вода — 1 тонне.

Газы сжимаемы, поэтому плотность их, в отличие от жидкости, за- висит от давления. При сжатии или расширении давление газа (при постояннойтемпературе) прямо пропорционально его плотности (за- кон Бойля — Мариотта).

С точки зрения молекулярно-кинетической теории газ это сово- купность слабо взаимодействующих частиц вещества, находящихся

внепрерывном броуновском (тепловом) движении, удары которых о стенку сосуда создают давление на неё.

Жидкое состояние вещества это промежуточное между твёрдым и газообразным состояниями вещества.Любое вещество можно пере- вестивгазообразноесостояниесоответствующимподборомдавления итемпературы,гдесуществуетграницагазообразнойобласти.Область существования жидкости ограничена уровнями температуры и дав- ления для каждого вещества. Чем выше температура, тем жидкость ближе к свойствам реальных газов (теплопроводность,диффузия,вяз- кость существенно снижаются). Чем ниже температура, тем жидкость становится ближе к свойствам твёрдых тел (плотность, сжимаемость, теплоёмкость, электропроводность увеличиваются).

Нестираемым инструментом являетсятонкая струя воды под боль- шим давлением, она дробит породу и режет металл.

Жидкость принимает форму сосуда,сохраняет свой объём,образует поверхность,обладаетпрочностьюнаразрыв(явлениеадгезии,чегонет у газа), может непрерывно переходить в газ (испаряться) и возвращать

впрежнее состояние (конденсироваться). Например, жидкий кислород кипит при – 1830 С и выделяет очень холодный пар.

Существует критическая точка давления и температуры, в кото- рой свойства жидкости и газа одного вещества практически тожде- ственны.

Газы растворяются в жидкостях,например,кислород вдвое больше растворяется в воде,чем азот (что благотворно для обитателей водоё-

83

мов). То есть, противоположные по агрегатному состоянию вещества (газ и жидкость) взаимно проникают.

Растворимостьгазов в жидкостях уменьшается с повышениемтем- пературы. Количество газа растворимого в единице объёма жидкости (при заданной температуре) зависит от давления над поверхностью жидкости или для смеси газов — от парциального давления каждого газа. Это используется для газирования жидкостей.

В жидкостях могутрастворяться,создавая растворы,или не раство- ряться другие жидкости и твёрдые тела.

А, например, сильно нагретый палладий легко пропускает через себя водород.

Наиболее технологически применяемыми парными агрегатными состояниями является использование газа и жидкости одного веще- ства, например, воды и водяного пара, хладагента и его пара, ртути и её паров.

Переход от жидкости к пару (газу) и обратно являются изменения- ми внутренней энергии данного вещества, что широко используется

вобъектах техники.

Визобретении а. с. 252262 «Способ снабжения пневматической энергией потребителей сжатого воздуха в шахтах» в качестве источни- ка пневматической энергии используется сжиженный воздух,преобра- зуемый в сжатый воздух (вместо сжатого компрессорами воздуха).

Способ основан на том, что промышленно получаемый на кисло- родных заводах жидкий воздух поступает в шахты в теплоизолиро- ванных резервуарах. Резервуары подаются непосредственно на рабо- чий горизонт, где находятся потребители пневматической энергии. Жидкий воздух с помощью дозатора и испарителя переводится в га- зообразное состояние, а затем редуцируется до требуемого давления, после чего поступает к потребителю. Цикл перевода жидкого воздуха

всжатый воздух благотворно сказывается на температурном режиме

вшахте, температура существенно ниже и комфортнее. Это дало тех- ническое преимущество предложенному способу.

Газ, например, водяной пар это более насыщенное энергией ве- щество, чем вода. Долгое время на парообразном рабочем теле дей- ствовала вся паровая техника: воду нагревали, пар собирался в котле до требуемого давления и направляли затем на рабочие устройства для совершения работы, после чего отработанный пар охлаждался до жидкого состояния и направлялся обратно в котёл.

Газы могут создавать функциональные пары и взаимодействовать, если обладают химически противоположными качествами одного рода: свойствами окислителя и восстановителя.

Окислитель — это атом или ион вещества, принимающий электро- ны (кислород, хлор).

84

Восстановитель — это атом или ион вещества, отдающий электро- ны (водород).

Например, газы водород и кислород в определённом соотношении взрываются или при окислении водорода образуют воду.

Это относится и к жидкостям: жидкости водород и кислород мощ- ное ракетное топливо.

Пары бензина и кислород воздуха взаимодействуют и двигают поршни в ДВС.

Керосин и кислород воздуха взаимодействующая пара в авиацион- ном двигателе.

Отработанные после сгорания топлива газы направляются в ат- мосферу на утилизацию или на обезвреживание Природе (что создаёт экологические проблемы).

Предельным состоянием газов является плазменное состояние, когда полная энергия взаимодействия материальных единиц равна тепловой энергии.

Плазма это газообразное состояние частично или полностью иони- зированного вещества, где плотности носителей зарядов противопо- ложных знаков практически одинаковы. Плазма состоит в основном из электронов и ионов,что проявляется в магнитном поле,где надан- ные заряды разной массы действует одинаковая сила Лоренца.

Твёрдое тело это агрегатное состояние вещества, обладающее ста- бильностью формы и особым характером теплового движения мате- риальных единиц, которые совершают исключительно малые колеба- ния вокруг своих положений равновесия.

Бесплатным и неисчерпаемым источником твёрдых веществ явля- ется земная кора, недра Земли.

Воздух и вода, как более доступные и дешёвые вещества, могут за- менять дорогие твёрдые материалы.

Сплошныетвёрдыетелатверды и имеютзначительный вес и могут быть заменены на пористые, губчатые тела, твёрдые пены, где нали- цо взаимное проникновение веществ противоположных агрегатных состояний. Например, пемза легка и применяется как абразивный материал. К искусственным губчатым материалам относят пористую резину, пенопласт.

Структурными материальными единицами твёрдого тела являют- ся атомы, ионы, молекулы, частицы,домены и фракции веществ.

Свойства твёрдых тел обусловлены атомно-молекулярным строе- нием и законами движения материальных единиц (включая субатом- ные составляющие) — электронов, ионов и атомных ядер.

Твёрдые тела имеет две диаметрально противоположные струк- турные крайности: кристаллическую и аморфную. Первая характери- зуется стабильной пространственной периодичностью расположения

85

равновесных положений материальных единиц, представляющих со- бой так называемую «кристаллическую решетку».

Вторая — имеет хаотическую структуру, где материальные едини- цы расположены хаотично вокругхаотично расположенных равновес- ных положений. Устойчивым состоянием и минимумом внутренней энергии обладаеттолько кристаллическое твёрдое тело.

Аморфное тело, находясь в метастабильном состоянии, с течением времени кристаллизуется, и таким образом, противоположные край- ности меняются местами.

Все вещества при атмосферном давлении и температуре (чуть бо- лее) абсолютного нуля (– 273,15 0 С) становятся твёрдыми,кроме гелия (он остаётся жидким).

Жидкость и твёрдое тело это агрегатные состояния противополож- ные друг другу. Переход от жидкости к твёрдому телу и обратно явля- ются изменениями внутренней энергии данного вещества, что широ- ко используется в объектах техники.

Межмолекулярное притяжение материальных единиц воды и во- дородная связь создают уникальные свойства у воды, как жидкости, и у льда, как твёрдого тела.

Вода технологически легко заполняет любой объём и приобретает любую форму. Имеет свободную поверхность, образованную силами межмолекулярногосцепленияеёматериальныхчастиц,поверхностное натяжение или поверхностную энергию.Силы поверхностного натяже- ния направлены на сокращение свободной поверхности у небольших объёмов жидкости — капель. Форма капель определяется действием поверхностного натяжения и сил тяжести (гравитации). И в планетар- номмасштабеводныепространстваЗемлиимеютформуприплюснуто- го шара (огромной капли) с минимальной свободной поверхностью.

В тихую погоду зеркальная поверхность водоёма своим созданием обязана межмолекулярному сцеплению материальных частиц воды, силам поверхностного натяжения воды. В ней отражаются прибреж- ные пейзажи, солнечные и лунные дорожки.

На спортивных соревнованиях по прыжкам в воду спортсмен, вхо- дя в воду сомкнутыми руками вперёд,преодолеваетсилы межмолеку- лярного сцепления частиц воды. Чтобы ослабить поверхностное на- тяжение и, тем самым, снизить риск получения травм, воду в месте входа спортсмена обычно газируют.

У жидкого водорода и гелия, у легкоиспаряющихся жидкостей по- верхностное натяжение очень мало. У жидких металлов поверхност- ное натяжение очень велико.

Переходя в твёрдое состояние, лёд увеличивает свой объём и соз- даёт значительное давление на сосуд, в котором находиться, что при- меняется в технологии обработки давлением.

86

Подобным свойством обладает сурьма Sb. В отличие от большин- ства металлов,она при кристаллизации расплава расширяется,а,мед- ленно охлаждаясь и застывая, издаёт низкочастотные звуки, напоми- нающее пение тибетских колоколов и чаш.

Металл висмут (Bi) также расширяется (на 3,3 % по объёму) при охлаждении и кристаллизации,что пригодно для объёмной штампов- ки.У металлов коэффициент объемного теплового расширения равен утроенному коэффициенту линейного расширения.

Расплавленные металлы текучи и могут принять любую заданную форму. После кристаллизации и остывания металла полученное твёр- дое изделие сохраняет свою принятую форму и прочность. На этом основано литейное производство.

Металлы, нагретые в атмосфере водорода, насыщаются им, стано- вясь хрупкими. Процесс называется наводородораживанием, обрат- ный процесс — обезводородораживанием.

В технике применяется не чистые металлы, а их сплавы. Сплав же- леза с углеродом (металл с неметаллом) — чугун и сталь, наиболее ис- пользуемые материалы в различных отраслях промышленности.

Сплавымагнияилититана,алюминияскремнием(силумин)исме- дью (дуралюмин), железом, цинком применяют в авиастроении.

Самое дешёвое вещество на Земле это воздух.Он есть везде,досту- пен и его много.Из него получают все остальные газы: азот,кислород, углекислый газ и др.

Вторым по дешевизне веществом является вода. Земля покрыта на 79 % водой. Много воды находится в недрах Земли. Это раствори- тель многих веществ. Вода распределена неравномерно и не всегда доступна, есть дефицит чистой пресной воды. Для её получения за- действованы значительные технические мощности по опреснению морской воды, добычи её из недр Земли, водоподготовки и очистки воды из наружных источников пресной воды.

Вода в глубинах Земли при температуре свыше 5600 С и давлении 34 МПа (около 335 атмосфер) переходит в сверхкритическое состоя- ние — это не пар и не жидкость, а нечто среднее, с высокой химиче- ской активностью, растворяющей практически все материалы. Вода источник многих солей, при разложении (электролизе) получают со- ставляющие её вещества — водород и кислород.

Дорогим состоянием и всегда доступным являются твёрдые тела. Хотя твёрдых веществ на Земле много, но пригодных для нужд чело- века мало, поэтому они требуют переработки в конструкционные ма- териалы годные к применению в различных отраслях промышленно- сти и народного хозяйства.

87

Смачивание и несмачивание (гидрофильность

игидрофобность), адгезия (прилипание)

иинадгезия (без прилипания), проницаемость (капиллярность) и непроницаемость

Нашпредметныймирэтомирмолекулимежмолекулярноговзаимо- действия. Постоянство и кажущая неизменность этого мира обеспече- на непрерывным межмолекулярным взаимодействием материальных частиц веществ тел составляющих его. Явление растекания жидкости по твёрдой поверхности,находящейся в окружении газа,пара или дру- гой жидкости называют смачиванием.Противоположное явление,ког- да жидкость не растекается, а образует сферическую каплю на твёрдой поверхности и стекает, относят к несмачиванию. Наблюдаемые явле- ния рассматривают как результат межмолекулярного взаимодействия частицтел и сред в контактетрёх состояний веществ.

Если межмолекулярное взаимодействие (сцепление) между части- цами жидкости и твёрдого тела сильнее, чем сцепление между моле- кулами жидкости, то жидкость смачивает поверхность твёрдого тела. Еслимежмолекулярноевзаимодействие(сцепление)междучастицами жидкости сильнее, чем между молекулами жидкости и твёрдого тела, то наблюдается несмачивание. При соприкосновении жидких метал- лов с твёрдыми металлами,окислами,графитом или алмазом,смачи- вание обусловлено в большей степени образованием химических сое- динений, жидких и твёрдых растворов,диффузионными процессами. Поверхностно активные вещества (гидрофильные или полярные и ги- дрофобныеилиуглеродные)могутспособствоватьсмачиваниюипре- пятствовать смачиванию. Хорошее смачивание требуется при нане- сении лакокрасочных материалов, стирке, крашении. Несмачивание нужно гидроизоляционным материалам, гидрофобным покрытиям.

На явлении смачивания полезного продукта базируется способ обогащения руд, называемый флотацией. Получают концентрат при- годный для дальнейшей обработки.

В Природе внешняя поверхность листьев деревьев отталкивает до- ждевые капли, не смачивается. Смачивание и несмачивание опреде- ляетсяформойменискауданнойжидкостивтрубеисследуемоготвёр- догоматериала.Выпуклыйменискозначаетнесмачиваниежидкостью поверхноститвёрдоготела,вогнутый вниз мениск говорито смачива- нии жидкостью данного твёрдого тела. Гидрофильность и гидрофоб- ность (фильно — «любовь», фобно — «боязнь») — противоположности, характеризуют степень сродства твёрдых тел к воде, обусловленную силами межмолекулярного взаимодействия между материальными частицами твёрдого тела и воды (фактических противоположностей).

88

Гидрофильность наблюдается у карбонатов, силикатов, глин, сили- катного стекла. Гидрофобность наблюдается у металлов без окисной плёнки, парафинов, жиров, воска, пластмасс.

Адгезия (прилипание) это явление образования связи между по- верхностными слоями двух разнородных (твёрдых или жидких) со- прикасающихся тел. Например, нанесение лака, клея на твёрдую поверхность при полном её смачивании, образование гальванопо- крытия.Прилипание одинаковыхтел называюткогезией.Химическое взаимодействие на поверхности раздела сред с образованием слоя хи- мического соединения, например коррозии, обусловлено также адге- зией.Адгезия (прилипание) измеряют силой отрыва единицы площа- ди поверхностей контакта тел. Противоположное явление инадгезия (без прилипания)требуетисключения межмолекулярного взаимодей- ствия,разрушения поверхностного слоя,придания соприкасающимся поверхностям не смачивающих, гидрофобных свойств, исключения соприкосновения, контакта.

Вышеуказанные явления относят к сплошным твёрдым телам и однородным жидкостям, хотя поверхность твёрдых тел не идеаль- но гладкая и чистая,а имеет сложный рельеф,плёнки,шероховатость, поры и т. п. Большинство твёрдых тел пронизано множеством мелких каналов (ткани, дерево, керамика, красный кирпич, бумага). При со- прикосновении с водой и другими жидкостями такие тела впитываю их в себя.Явление впитывания жидкостей пористымителами называ- ют капиллярным. Узкие трубочки или мелкие поры называют капил- лярами (слат.«волос»).Жидкость,смачивая внутреннюю поверхность капилляра, поднимается над уровнем жидкости. Жидкость втягива- ется межмолекулярными силами в капилляр на значительную высоту

втом случае, если мала плотность жидкости и больше её поверхност- ное натяжение, и чем уже канал капилляра.

Капиллярные явления пригодны для перемещения жидкости там, гдедругие способы её перемещения невозможны.Пористыетела в от- личие отсплошныхтел обладаютпроницаемостьюдля жидкостей или газов.

Например, применяемый на летательных аппаратах сепаратор влаги с подвижным ротором (а. с. 356918, а. с. 625440) имел лопастную крыльчатку из алюминиевого сплава — сплошного, непроницаемого материала. Разработчик НПП «Наука», г. Москва (рисунок на с. 90).

Влажный воздух поступает в сепаратор слева направо, вращает крыльчатку и,освободившись откапельной влаги,поступаетна выход

вотсеки летательного аппарата.

Воздух, содержащий аэрозоль влаги, входил в контакт с поверх- ностями лопастей крыльчатки, и влага, смачивая их, образовывала плёнку влаги. Межмолекулярное взаимодействие плёнки влаги с по-

89