Вода показывает зубы
Вода — удивительно коварная жидкость. Тёплая, когда течёт из крана на кухне, она легко разрывает толстые стальные трубы, если ей стало холодно и она замёрзла. В воде можно плавать и весело плескаться, но она становится больше похожей на камень, если вы ненароком прыгните в неё плашмя даже с небольшой высоты. А ещё вода не любит быстрых и норовит «обкусать» скоростным катерам и быстроходным лодкам их стальные гребные винты и подводные крылья. Потому что у неё есть «зубы» — кавитация.
По латыни cavitas — пустота или полость, а с точки зрения физики кавитация — это образование мельчайших полостей-каверн из газа или пара в объёме жидкости при понижении давления ниже некоторого порогового значения. По сути своей — вскипание. Кавитация возникает в потоках жидкости и может оказаться разрушительной, например, для гребных винтов судов.
При обтекании потоком жидкости сложных поверхностей с острыми кромками возникают зоны очень низкого давления, где даже ледяная вода вскипает огромным числом крохотных паровых пузырьков-каверн. Из физики известно: чем выше скорость потока, тем ниже в нём давление. Попадая затем вместе с потоком в зону более высокого давления, пар внутри каверн мгновенно конденсируется и в них возникает чудовищное разрежение. В образующуюся пустоту со всех сторон с огромной скоростью устремляются молекулы воды, которые затем ударяются о поверхности, обтекаемые потоком. Давление этих микроскопических гидроударов впечатляет — тысячи атмосфер! Словно миллиарды сверхострых и сверхтвёрдых иголок, они строчат по деталям, выкрашивая их. Кавитационная эрозия способна разрушить гребные винты, клапаны и краны на трубопроводах и даже системы охлаждения двигателей.
Коварный враг
На кораблях с кавитацией впервые столкнулись в конце XIX века, когда появились скоростные миноносцы и катера с паротурбинной силовой установкой. Гребные винты на них были небольшого диаметра и имели прямой привод от турбины без редуктора, из-за чего вращались с огромной частотой — около 3000 об/мин. Первый такой английский миноносец «Дэринг» не смог на ходовых испытаниях в 1894 году из-за кавитации набрать даже проектную скорость. С этим стали бороться увеличением размера и числа винтов.
А на первом в мире судне с паротурбинной установкой, на знаменитой яхте «Турбиния» конструктора Чарльза Парсонса, построенной в том же 1894 году, обнаружили другое странное явление. Первый турбоход, как птица, пролетел перед строем Королевского флота в 1897 году на морском параде в честь Бриллиантового юбилея королевы Виктории. Скорость «Турбинии» по тем временам была просто умопомрачительная — 34,5 узла, или 64 км/ч! Но триумф создателей чудо-кораблика вскоре несколько потускнел. Лопасти всех его девяти гребных винтов на трёх валах выглядели так, словно их изъели термиты.
Наука гидродинамика довольно быстро определила причину проблем: скорость воды на засасывающей (выпуклой) стороне лопастей настолько возрастает, что давление в ней снижается до величины, при которой вода вскипает. Возникает кавитация. Каждый паровой пузырёк переносится потоком от места своего образования в ту зону лопасти, где разрежение меньше. Пар в пузырьке мгновенно конденсируется, и эрозия разрушает лопасть. Через определённое время при таком режиме «холодного кипения» винт может даже разрушиться.