Добрые дела злых пузырьков растут и множатся
В 1973 году в журнале «Наука и жизнь» была опубликована статья* с забавным названием «Злым пузырькам найдено доброе дело», посвящённая нескольким полезным применениям кавитации, которая долгое время считалась явлением сугубо вредным. Как теперь стало ясно, тогда только лишь начинались широкомасштабные исследования использования этого явления в различных сферах деятельности. За прошедшее время кавитация обосновалась в пищевой, фармацевтической и топливной промышленности, машиностроении, материаловедении, химии, медицине, косметологии, а также занялась очисткой и обеззараживанием. И интерес к ней не спадает. Настало время разобраться, что же произошло за эти пятьдесят с лишним лет.
* Башкиров В. Злым пузырькам найдено доброе дело. «Наука и жизнь» № 10, 1973 г.
Открытое в конце XIX века явление кавитации заключалось в образовании и росте паровых пузырей в воде, когда из-за движения давление в некоторой её области становилось ниже давления насыщенного пара. Насыщенный пар в спокойном состоянии находится в равновесии с жидкостью. Можно сказать, что при этом давление воды не даёт расти всегда существующим в ней затравочным газовым и паровым пузырькам. Но когда равновесие нарушается, пар сразу их раздувает. А затем, при переходе в область с большим давлением воды, пар в пузырьках конденсируется в воду и его объём очень сильно уменьшается. В результате давление воды приводит к схлопыванию или коллапсу пузырька. А поскольку это происходит быстро, возникает сильная ударная волна, способная разрушить даже металл. Собственно, кавитацию и обнаружили по разрушающему воздействию на быстро вращающиеся гребные винты паровых кораблей**.
** См. статью: Савченко А. Вода показывает зубы. «Наука и жизнь» № 1, 2026 г.
Позднее выяснилось, что кавитация губительно действует также на гидротурбины, насосы, регулирующие клапаны, различные гидравлические системы и т. п. Кроме того, она снижает эффективность их работы. Изначально это явление считалось исключительно вредным, и все усилия учёных и инженеров были направлены на борьбу с ним, которая продолжается и по сей день.
Теорию кавитации, описывающую схлопывание пустого пузырька и образование ударной волны, создал в 1917 году британский физик, нобелевский лауреат Джон Стретт, более известный как лорд Рэлей, занимавшийся теоретическим изучением кавитации с 1908 по 1919 год. Именно он показал, что при этом может возникать высокое давление в тысячи атмосфер, объяснив тем самым принцип «работы» кавитации.
А в 1944 году советские физики Марк Иосифович Корнфельд и Леонид Яковлевич Суворов обнаружили, что пузырьки вблизи твёрдой поверхности не схлопываются симметрично, а сильно деформированы (сплющены), и предложили ещё один механизм кавитационного разрушения. Они предположили, что при этом на пузырьке, в противоположной от твёрдой поверхности точке, образуется углубление, которое превращается в высокоскоростную струю жидкости, повреждающую поверхность. В последующие десятилетия эта гипотеза получила как теоретическое, так и экспериментальное подтверждение.
Надо сказать, что по поводу механизмов кавитационного разрушения до сих пор ведутся дискуссии. Многие исследователи придерживаются точки зрения, что его причиной служит ударная волна, которая возникает в жидкости не в момент максимального сжатия, как у Рэлея, а когда кавитационная полость после этого снова начнёт расширяться под действием давления сжатого в ней содержимого. Гораздо меньшее число исследователей убеждены в том, что к разрушению приводит нагрев микрообъёмов металла, контактирующих с пузырьком, ведь их температура может подниматься, по крайней мере, на несколько сотен градусов. Правда, термические гипотезы имеют только косвенное подтверждение и не могут объяснить ряд сопутствующих явлений. Впрочем, определённую роль нагрев играть может.
Однако со временем понятие кавитации расширилось. Помимо гидродинамической была открыта акустическая кавитация, которая происходит при прохождении звуковых волн большой интенсивности, в первую очередь ультразвуковых. В этом случае, в отличие от гидродинамического, образование и схлопывание пузырьков происходит в одном и том же месте, но в разные моменты времени. Образуются они в полупериоде пониженного давления в звуковой волне, а схлопываются — в полупериоде повышенного давления. То, что мощные ультразвуковые волны могут вызывать образование пузырьков воздуха в воде, первым заметил известный американский физик Роберт Вуд в 1917 году, но полноценно акустическую кавитацию описал британский физик из Гарвардского университета Фрэнсис Блейк лишь в 1949 году.
Явление акустической кавитации позволило объяснить целый ряд накопившихся к этому времени экспериментальных фактов. Например, в 1927 году всё тот же Вуд вместе с Альфредом Лумисом провёл целый ряд экспериментов по воздействию мощного ультразвука на различные материалы. Они получили очень важные результаты, которые через несколько десятилетий станут основой для современных кавитационных технологий, но вот со схлопыванием пузырьков, то есть процессом, аналогичным кавитации, их не увязали. В частности, они обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло или ртуть и вода) подвергнуть облучению ультразвуком, то в сосуде образуется устойчивая эмульсия, то есть мелкая взвесь этих веществ в воде. Красное красящее вещество у них расходилось по раствору, давая чистый однородный цвет, а биологические клетки разрушались. С кавитацией связали и открытое в 1934 году в Кёльнском университете явление сонолюминесценции — возникновение вспышек света при прохождении через жидкость мощной ультразвуковой волны.
Практически сразу после работы Блейка начался поиск практического применения кавитации, благо устройство для генерации ультразвука на основе магнитострикции — изменения размера металлического стержня под действием переменного магнитного поля — уже изобрёл в 1932 году американский физик Ньютон Гейнс. Метод оказался удачным и используется по сей день. Кстати, Гейнс получал в своих опытах с ультразвуком однородные коллоидные растворы, а бактерии уничтожал настолько быстро, что даже делал частичную стерилизацию молока в непрерывном процессе. Но, как и Вуд, с явлением кавитации он это не связал.
В результате в начале 1950-х годов в США появились патенты, в которых предлагалось использовать ультразвук для «интенсивного перемешивания», «обработки» и «полировки». А в декабре 1954 года был выдан патент, в котором впервые используется термин «ультразвуковая очистка». В нашей стране физические основы промышленного применения акустической кавитации в 1958—1965 годах разработали известный физик-акустик, заведующий лабораторией, а затем и отделом ультразвука Акустического института АН СССР Лазарь Давидович Розенберг и его сотрудники. В результате появились аппаратура и технологии ультразвуковой очистки, сушки, распыления и т. д.
Вот именно в это время и была опубликована статья в журнале «Наука и жизнь», которая отразила наметившуюся тенденцию к переходу от борьбы с кавитацией к её применению. Однако, как оказалось, она появилась лишь на самом старте подобных работ, интенсивность которых очень сильно возросла ближе к концу XX века. Об этом говорит такой любопытный, но вполне показательный факт. В 1984 году авторитетный советский специалист по кавитации, внёсший значительный вклад в её применение в промышленности, доктор технических наук Иван Маркович Федоткин опубликовал обзор «Использование кавитации в технологических процессах» на 68 страницах. Через 13 лет, в 1997—2000 годах, его книга «Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности» вышла уже в двух томах в общей сложности на 1738 страницах! В XXI веке вал работ по этой теме продолжается.
В этой статье я расскажу лишь об основных направлениях исследований по применению «злых пузырьков» для добрых дел, которые накопились за 50 с лишним лет, прошедших с момента публикации в «Науке и жизни» первой статьи, поскольку небольшая статья не может отобразить всё многообразие работ, активно ведущихся во всём мире. Тут нужно превзойти титанический труд Федоткина.
О новых видах кавитации
В 1970-е годы понятие кавитации продолжило расширяться. Исследования по распространению импульсного лазерного излучения в воде показали, что оно тоже приводит к образованию пузырьков, которые после выключения лазера схлопывались, производя такое же действие, как при кавитации. Поэтому, несмотря на то, что здесь механизм образования пузырьков уже не был связан с понижением давления в жидкости, явление назвали лазерно-индуцированной кавитацией. В этом случае вода поглощает энергию сфокусированного на ней лазера и превращается не просто в пар, а в плазму, образуя пузырьки.
Лазерно-индуцированная кавитация обладает серьёзными преимуществами по сравнению с другими видами. Она очень хорошо управляется и точно позиционируется для воздействия, что важно, скажем, при использовании в медицине и микроэлектронике. В устройствах для её генерации нет движущихся частей и механических деформаций, а пузырьки обладают хорошей симметрией. Поэтому технологии лазерной генерации кавитации широко исследовались в течение последних десятилетий.