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LABORATORIO CIENTÍFICO INFANTIL
El segundo descubrimiento de la cavitación. Laboratorio de ciencias para niños
Directorio / Laboratorio de ciencias para niños A finales del siglo XIX, la armada inglesa tuvo que reponer dos barcos que eran perfectos para la época. "Dering" y "Turbinia" tuvieron que pasar la última prueba: la velocidad, que, por cierto, los diseñadores presentaron como su principal ventaja. Por desgracia, no se alcanzó la velocidad estimada. Un estudio detallado de las posibles causas de falla mostró que las hélices a alta velocidad se desgastan muy intensamente, llenándose de baches, cavernas y las numerosas burbujas de aire-vapor que aparecen en las palas son las culpables. Bajo tales circunstancias, la tecnología se introdujo por primera vez en la cavitación. Es la técnica. Porque la ciencia conoce este fenómeno desde hace veinte años. Fue predicho teóricamente por el físico inglés O. Reynolds. Y si los diseñadores estuvieran más atentos a la investigación fundamental de su compatriota, tal vez no habría vergüenza. Sí, el teórico podría haber advertido a los ingenieros contra las esperanzas excesivas. Pero no más. Si le hubieran preguntado cómo construir una nave verdaderamente ultrarrápida, evitando de alguna manera la cavitación, el científico difícilmente habría encontrado una respuesta. Y hasta el día de hoy, después de más de un siglo desde que se descubrió la cavitación, la ciencia que estudia este fenómeno está en deuda con la tecnología. No siempre es posible ni siquiera hacer un cálculo preciso del umbral más allá del cual se produce la cavitación, que es destructiva para una máquina o estructura. Todavía se desmorona, revela el metal de las hélices, las palas de las bombas y turbinas, los cuerpos de hormigón de las presas, los canales, las esclusas. Aún más difícil, y los pensamientos tentadores sobre esto no nacieron ayer, para convertir las fuerzas destructivas de la cavitación y convertirlas en aliadas. ¿Por qué la poderosa ciencia moderna cede ante los secretos más importantes de la cavitación? Primero, recordemos lo que ella sabe sobre este fenómeno con bastante certeza. Las burbujas de cavitación aparecen en un líquido si se crea una presión reducida en él. Esto sucede, por ejemplo, cuando se circula a gran velocidad alrededor de un cuerpo sólido o, de hecho, es equivalente cuando el propio cuerpo se mueve rápidamente en un líquido. Las ondas sonoras y ultrasónicas, al pasar a través del líquido, también crean áreas de baja presión, provocando cavitación. Las burbujas de cavitación viven por muy poco tiempo. A gran velocidad, en una diminuta fracción de segundo, colapsan. Este colapso, como una explosión, genera una onda de choque. Que sean solo microexplosiones. En breves momentos hay cientos, miles de ellos. Se superponen entre sí, multiplicando su fuerza. En diferentes puntos del líquido, la temperatura salta instantáneamente hasta miles de grados, la presión, hasta muchas decenas de atmósferas. ¡Las burbujas pueden tener los rayos más delgados que actúan sobre una superficie dura como un proyectil acumulativo que destruye la armadura! De aquí es de donde provienen los increíbles poderes de las burbujas ingrávidas. La mayoría de las veces, lamentablemente, estas fuerzas son destructivas. Solo en unos pocos casos comienzan a funcionar de manera útil hoy en día; por ejemplo, limpian la superficie de las piezas, ayudan a revelar el patrón natural de las piedras de acabado, mezclan líquidos "incompatibles" como gasolina y agua. Para combatir mejor la cavitación dañina y destructiva y utilizarla más plenamente para el bien, solo hay una forma: penetrar más profundamente en sus secretos. ¿Cuál es la diferencia entre una burbuja de cavitación y una normal? ¿Qué está pasando dentro? ¿Qué leyes gobiernan la transformación de la energía en él? Si hoy los científicos supieran las respuestas a estas preguntas, verás, mañana los barcos ultrarrápidos se volverían reales. Pero hasta ahora solo hay numerosas hipótesis argumentativas. Y, por tanto, el ingeniero no es capaz de calcular con la precisión requerida una nueva estructura o máquina en la que le gustaría aprovechar las fuerzas de cavitación. Cuán insuficiente es el conocimiento de este fenómeno hasta ahora, tal ejemplo muestra. Hace casi medio siglo, se descubrió la sonoluminiscencia: el brillo de los líquidos bajo la acción del ultrasonido, así como las reacciones sonoquímicas que ocurren solo cuando los reactivos se irradian con sonido. Ambos fenómenos requieren mucha energía y solo la cavitación puede causarlos. Los efectos se han convertido en una especie de prueba de cavitación. Sin embargo, su mecanismo y naturaleza sigue siendo un misterio. ¿Por qué la cavitación es tan inabordable? ¿Qué obstáculos se interponen en el camino de sus secretos? Para imaginar más claramente las transformaciones que tienen lugar C con una burbuja de cavitación, primero hay que seguir con atención cómo nace, se mueve, desaparece, en una palabra, a lo largo de todas las etapas de su vida. La burbuja de cavitación se ha convertido en uno de los protagonistas de las películas de ciencia. En decenas de laboratorios de todo el mundo, se ha filmado en innumerables metros de película. Pero, por desgracia, incluso la filmación a ultra alta velocidad no se mantiene al día con los momentos de su vida. ¡Nuestro héroe de la película vive solo cienmilésimas o incluso millonésimas de segundo! También hay que tener en cuenta: el tamaño de las burbujas es de centésimas, milésimas de milímetro. Finalmente, la cavitación no es una ni mil burbujas que nacen en un instante. ¡En un centímetro cúbico del llamado campo de cavitación, alrededor de mil millones de ellos pulsan a la vez! No es casualidad que uno de los primeros héroes del cine holográfico, nada más aparecer en versión experimental de laboratorio, volviera a convertirse en burbuja de cavitación... Y los misterios no disminuían. Erizos en un tubo de ensayo En ciencia, a menudo sucede así: para resolver algún problema complejo, por el que las mejores mentes, armadas con la tecnología más avanzada, han estado luchando durante muchos años, falta alguna idea muy simple, alguna experiencia elemental, casi escolar. En el problema de la cavitación, este, quizás, un paso decisivo fue lo suficientemente afortunado como para ser tomado por científicos del sector de física química del Instituto de Investigación Científica de Síntesis Orgánica de toda la Unión. Si bien algunos investigadores confiaron en equipos cada vez más avanzados, los últimos métodos para resolver sistemas inusualmente complejos de ecuaciones diferenciales de movimiento de burbujas, los especialistas de VNIIOS buscaban una solución alternativa no frontal. ¿Cuál era su maniobra prevista? Argumentaron algo así. Ver claramente las burbujas de cavitación evita su escasez y su vida útil extremadamente corta. Depende de la frecuencia de las oscilaciones que excitan la cavitación. Si los investigadores pudieran obtener cavitación, digamos, a frecuencias de 10-100 Hz, las burbujas, según los cálculos, podrían vivir décimas de segundo y medir hasta un centímetro. Ahí es cuando veíamos a nuestro héroe de la película realmente de cerca. ¿Nunca antes se le había ocurrido a nadie esta simple idea? Por supuesto que ella vino. Hubo muchos intentos. Un artículo con los resultados del último de ellos, realizado por investigadores estadounidenses, reposaba sobre el escritorio del responsable del sector, M.A. Margulis. Y no hay nada reconfortante en ello. Una vez más, se recibió la confirmación del punto de vista habitual: la cavitación es un fenómeno umbral, es decir, se produce a partir de una determinada frecuencia, y esta frecuencia se calcula, por desgracia, en kilohercios... Y, sin embargo, algo nos obligaba a reproducir una experiencia deliberadamente fallida. Esto fue provocado por la buena ira ante un problema intratable y la pasión exploratoria, la perseverancia y la intuición.
No fue difícil para los estadounidenses hacer el experimento. Su esquema era simple: una varilla oscilante se sumerge en un recipiente con un líquido y el espectrómetro, si ocurre cavitación, debe registrar el brillo. Hicieron todo bien, nada como la cavitación. Intentaron aumentar la amplitud de las oscilaciones de la varilla, dicen, la excitación será más intensa. El espectrómetro supersensible es "silencioso". Ebullición, la turbulencia en el líquido aumenta, pero no se estira. El líquido es, por así decirlo, demasiado elástico, aunque se arremolina, se las arregla para fluir alrededor de una varilla que oscila lentamente. Pero es necesario que perciba las vibraciones de la vara como si fueran golpes. ¿Cómo lograr esto? Fue suficiente para excluir el flujo alrededor de la varilla oscilante y se descubrió la cavitación de baja frecuencia. Se montó un nuevo experimento con equipos que, probablemente, se pueden encontrar incluso en un aula de física de la escuela: una probeta, un trípode, una varilla tallada en plexiglás, un altavoz de 25 vatios, un viejo amplificador de válvulas... Su solo sutileza: se hizo una varilla oscilante en forma de pistón de tal manera que el espacio con las paredes del tubo era solo una décima de milímetro. En este caso, el líquido ya no podría fluir alrededor de la barra tan fácilmente como antes. El generador de sonido se enciende a una frecuencia de 90 Hz. Sobre lo que sucedió después, dice M. A. Margulis: No notamos nada fuera de lo común por un minuto. Luego, en un área pequeña cerca de la pared del tubo de ensayo lleno de líquido, aparecieron pequeñas burbujas esféricas debajo del pistón oscilante. Su número creció rápidamente. Formaron un gran coágulo, exteriormente parecido a un erizo. Este erizo palpitaba visiblemente. Poco a poco aumentamos la frecuencia. A 200 Hz y más, fue posible crear dos o incluso más erizos extraordinarios. Nacieron en diferentes partes de la probeta. De vez en cuando corrían el uno hacia el otro, se fusionaban e inmediatamente se dispersaban con estrépito. Inmediatamente se hizo evidente que los erizos no parecían conglomerados, acumulaciones de burbujas pulsantes individuales, sino que eran burbujas grandes y de formas extrañas... Pero no todos tuvieron tiempo de captar a simple vista. Los científicos utilizaron su herramienta habitual: la filmación a alta velocidad. Reprodujeron las imágenes, pero... no encontraron ningún erizo. Las protuberancias, los apéndices bastante gruesos, los tentáculos intrincadamente curvos que parecían salir disparados del cuerpo de una gran burbuja, no se parecían en nada a las agujas de un bonito habitante del bosque. Y los científicos le dieron a esta creación inusual un nombre más prosaico: una gran burbuja deformada (abreviada como BDP). Era posible ver en la pantalla cómo pequeñas burbujas transparentes de forma esférica se arrancaban del BJP y luego regresaban rápidamente. ¿Qué era? ¿Cavitación generando temperaturas de mil grados, presiones colosales? ¿O, tal vez, algún fenómeno nuevo observado por primera vez? Para comprobarlo, como ya sabemos, existen pruebas especiales, una especie de papeles tornasol que detectan la cavitación -reacciones sonido-químicas y el resplandor de los líquidos. Rompiendo barreras En el primer experimento de prueba, un sonido de baja frecuencia inició fácilmente una reacción en cadena de la transformación del ácido maleico en ácido fumárico. Aún quedaban dudas: aunque esta reacción tiene fama de ser compleja y caprichosa entre los químicos, requiere relativamente poca energía para iniciarse. Pero cuando el hierro ferroso en un tubo de ensayo de laboratorio se convirtió en hierro trivalente, cuando las moléculas de agua comenzaron a dividirse en él, como nueces bajo un golpe de martillo, ya no podía haber dos opiniones: se excitaba la cavitación real. Al principio, a los propios investigadores les resultó difícil creer en sus propios resultados. Sin embargo, múltiples controles confirmaron que las reacciones sonoquímicas ya se pueden llevar a cabo a una frecuencia de sonido de 7 Hz, y algunas soluciones comenzaron a brillar a 30 Hz. Estamos hablando de un descubrimiento que se puede llamar caliente. La investigación sobre la cavitación de baja frecuencia acaba de comenzar. Sin embargo, desde los primeros días traen resultados interesantes. Por ejemplo, tan pronto como los científicos vieron el BJP con sus propios ojos y se aseguraron de que cavitaban, una de las teorías más autorizadas sobre la cavitación colapsó. Se creía que surgían cargas opuestas en la superficie de la burbuja de cavitación emergente. En un momento determinado, se produce una avería electrónica. Por lo tanto, una gran liberación de energía, luminiscencia, iniciación de las reacciones químicas más difíciles. La única condición para tal curso de las cosas es que la burbuja de cavitación debe ser... una forma lenticular impecablemente regular. En la pantalla, como sabemos, los investigadores vieron más bien una planta de forma fantástica. "Obtuve" no solo electricidad, sino también otra: la teoría térmica de la cavitación. Ella dijo: en el proceso de rápida compresión y colapso de la burbuja de cavitación, la mezcla de vapor y gas se calienta a temperaturas de mil grados. Al mismo tiempo, naturalmente comienza a brillar como el filamento de una bombilla ordinaria, y la temperatura del plasma divide las moléculas, iniciando las reacciones químicas más increíbles. Sin embargo, ahora, como resultado de la investigación más exhaustiva, se ha establecido que la sonoluminiscencia es el mismo brillo frío que el de las luciérnagas que parpadean en la noche. Casi cada nuevo experimento mostró la cavitación ya familiar desde un lado inesperado, reveló sus extraordinarias habilidades. Digamos que el poder destructivo de la cavitación de alta frecuencia era bien conocido. En cuestión de minutos, podría convertir la superficie lisa de los metales en una rugosa, astillando partículas bastante grandes. La cavitación de baja frecuencia, por el contrario, resultó ser un instrumento delgado y delicado. No fue difícil para ella alisar, pulir la superficie más áspera, sacando solo partículas microscópicas de metal. cavitaciónLa cavitación de baja frecuencia preparó fácil y rápidamente emulsiones a partir de líquidos inmiscibles en condiciones normales, gránulos sólidos triturados sumergidos en un líquido, lanzó las reacciones químicas más intensivas en energía ... Por supuesto, la cavitación ultrasónica de alta frecuencia puede hacer todo esto. Pero para crearlo, como saben, necesitan equipos especiales, generadores. Ahora conecta la fuente de oscilaciones a la red que alimenta la radio doméstica, y todas las capacidades útiles de cavitación están a tu servicio. Por ejemplo, es necesario mezclar sustancias con sumo cuidado y rapidez en un reactor químico con capacidad para varios tanques de ferrocarril. Esta tarea es la más ordinaria, común para las industrias química, farmacéutica y microbiológica. La solución tradicional: como agitador, llevan algo así como una hélice o tornillo sinfín, fabricados con las aleaciones más caras y químicamente resistentes. Y puede montar una fuente simple de oscilaciones en el reactor, enchufarla a la salida de una red convencional; el efecto, según los cálculos, será aún mejor. Es poco probable que alguien pueda predecir hoy las diversas aplicaciones prácticas del "segundo" descubrimiento de la cavitación. Hasta ahora, solo despeja el camino para una comprensión más profunda de este fenómeno tan interesante, derriba las barreras que se han interpuesto en el camino de los investigadores durante muchas décadas. La comprensión del verdadero mecanismo de la cavitación, cómo y dónde surgen sus extraordinarias fuerzas, aún está por delante. Y detrás, como siempre ocurre en la ciencia, hay nuevas oportunidades para un ingeniero, un diseñador, un tecnólogo, hoy imposibles de prever. Autor: L. Galamaga
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