Белые пятна безбрежного океана

В 1907 г. известные на весь мир океанские лайнеры "Мавритания" и "Лузитания" начали терять ход. При осмотре на винтах обоих кораблей были обнаружены язвины глубиной 6-8 см. Винты пришлось менять каждые два месяца, поскольку они теряли обтекаемую форму - вода "пожирала" их. Замена каждого винта обходилась фирме в 70000 долларов. В конечном счете плавучие "города" были поставлены на прикол.

В первую мировую войну в германском морском флоте винты на торпедных катерах работали не более недели, затем их меняли. Вновь поставленные винты уже через 24 ч работы начинали терять форму.

В США на одной из рек возвели гидростанцию. Воду подняли до проектной отметки и пустили к турбинам. Раздался грохот, словно в недрах станции начали рваться фугасы. Испуганные инженеры бросились перекрывать воду. Следов от якобы подложенных под станцию фугасов не оказалось. Зато на стенах водоподводящих туннелей тут и там были вырваны куски бетона - непонятная причина привела в ярость поток воды. Ничего подобного до сих пор гидростроителям видеть не приходилось.

Так вода стала неожиданным и непреодолимым барьером на пути увеличения скорости морских судов, вращения турбин, насосов, увеличения скорости потока в обыкновенных трубах. Она превратилась во врага номер один гидравлической техники.

Кавитация... Это замечательно!

Представьте себе горизонтальную трубу, по которой течет вода. Пусть на каком-то участке трубы из каких-то конструктивных соображений выполнили сужение. Когда поток воды будет проходить суженный участок, скорость воды возрастет.

Неизбежное возрастание скорости легко объясняется законом сохранения вещества: через каждое сечение трубы за одно и то же время пройдет одно и то же количество воды. А чтобы то же количество успело пройти через малое сечение, вода вынуждена двигаться быстрее. При этом с уменьшением диаметра трубы вдвое скорость возрастает в четыре раза, т. е. зависимость здесь квадратичная.

Увеличение скорости означает увеличение кинетической энергии потока. На основании закона сохранения энергии последняя из ничего появиться не может. Поэтому рост кинетической энергии неизбежно вызовет падение потенциальной энергии, а роль потенциальной энергии в потоке воды выполняет давление.

Таким образом, чем меньше диаметр, тем выше в нем будет скорость и тем ниже упадет давление. В наших возможностях довести диаметр до сколь угодно малых размеров. Возрастет ли при этом скорость до бесконечности? Упадет ли давление до нуля? Нет, ничего этого не произойдет.

Как только в своем падении давление приблизится по величине к давлению насыщенных паров, начнется бурное выделение растворенных в воде газов с одновременным парообразованием. Короче говоря, вода, какой бы холодной она ни была, закипит. Кипение будет сопровождаться образованием великого множества пузырьков, тех самых безобидных пузырьков, понаблюдать которые мы предлагали вам в стакане с водопроводной водой.

Подхваченные потоком воды, пузырьки устремятся из суженного участка в широкую часть трубы. Но здесь скорость движения должна резко снизиться, а давление соответственно возрасти. Увеличение давления приведет к обратному процессу: конденсации пара, растворению газов в воде, т. е. к исчезновению пузырьков. Тут-то и начинается самое неприятное. Пузырьки будут лопаться. Их стенки, смыкаясь в тысячные доли секунды, вызовут скачок давления до сотен тысяч атмосфер. Исчезая, пузырек оставляет след - гидравлический удар. Он подобен уколу иголки. Но какому уколу! И кроме того, иголок-то мириады.

В итоге "иголочки" сделают свое коварное дело: кристалл за кристаллом начнут они "съедать" металл трубы и, если им не препятствовать, то на стенке сначала появятся раковины, а затем и сквозные дыры. На рис. 4 V₁ и P₁ - скорость и давление перед сужением. При значительном сужении скорость V в трубопроводе возрастает до некоторого критического значения V₂=V_кp, а давление падает до давления насыщенных паров Р₂ = Р_н.п. Вода закипит. При выходе из сужения скорость V падает до V₃, а давление возрастет до Р₃. Здесь вода и начнет "поедать" трубу. Описанное явление получило в гидравлической технике название кавитации (по латыни "кавитас" - полость, пузырь).

Рис. 4. Возникновение кавитации в трубопроводе

Кавитация способна возникнуть не только в сужении трубы, но всюду, где изменение профиля обтекаемого тела вызовет местное возрастание скорости, значит и местное падение давления. Тек это имеет место под крыльями речных судов типа "Ракета", ставя тем самым непреодолимый барьер скорости движения. "Ракетам" именно по этой причине не суждено выйти на рубежи 80-100 км/ч.

Кавитация - непримиримый и коварный враг гидравлической техники. Она накладывает жесткое вето на увеличение скорости потока или скорости тела в потоке. Стоит нарушить запрет, и самый прочный металл, способный выдержать даже прямое попадание бронебойного снаряда, будет обращен в пыль от воздействия пузырьков обыкновенной воды.