Физические эффекты и явления

Физические эффекты и явления

О Г Л А В Л Е Н И Е ВВЕДЕНИЕ 1. Механические эффекты 1.1. Силы инерции. 1.1.1. Инерционное напряжение. 1.1.2. Центробежные силы. 1.1.3. Момент инерции. 1.1.4. Гироскопичекий эффект. 1.2. Гравитация. 1.3. Трение. 1.3.1. Явление аномально низкого трения. 1.3.2. Эффект безысносности. 1.3.3. Эффект Джонсона-Рабека. 2. Деформация. 2.1. Общая характеристика. 2.1.1. Связь электропроводности с деформацией. 2.1.2. Электропластический эффект. 2.1.3. Фотопластический эффект. 2.1.4. Эффект Баушингера. 2.1.5. Эффект Пойнтинга. 2.2. Передача энергии при ударах. Эффект

Ю.Александрова. 2.3. Эффект радиационного распухания. 2.4. Сплавы с памятью. 3. Молекулярные явления. 3.1. Тепловое расширение вещества. 3.1.1. Сила теплвого расширения. 3.1.2. Получение высокого давления. 3.1.3. Разность эффекта. 3.1.4. Точность теплового расширения. 3.2. Фазовые переходы. Агрегатное состояние вещества. 3.2.1. Эффект сверхпластичности. 3.2.2. Изменение плотности и модуля упругости при

фазовых переходах. 373. Поверхностные явления. Капиллярность. 3.3.1. Поверхностная энергия. 3.3.2. Смачивание. 3.3.3. Автофобность. 3.3.4. Капиллярное давление, испарение и конденсация 3.3.5. Эффект капиллярного подьема. 3.3.6. Ультразвуковой капиллярный эффект. 3.3.7. Термокапиллярный эффект. 3.3.8. Электрокапиллярный эффект. 3.3.9. Капиллярный полупроводник. 3.4. Сорбция. 3.4.1. Капиллярная конденсация. 3.4.2. Фотоадсорбционный эффект. 3.4.3. Влияние электрического поля на адсорбцию. 3.4.4. Адсорболюминесценция. 3.4.5. Радикально-рекомбинационная люминесценция. 3.4.6. Адсорбционная эмиссия. 3.4.7. Влияние адсорбции на электропроводность

полупроводников. 3.5. Диффузия. 3.5.1. Эффект люфора. 3.6. Осмос. 3.6.1. Электроосмос. 3.6.2. Обратный осмос. 3.7. Тепломассообмен. 3.7.1. Тепловые трубы. 3.8. Молекулярные неолитовые сита. 3.8.1. Цветовые эффекты в неолитах. 4. ГИДРОСТАТИКА. ГИДРО-АЭРОДИНАМИКА. 4.1.1. Закон Архимеда. 4.1.2. Закон Паскаля. 4.2. Течение жидкости и газа. 4.2.1. Ламинарность и турбулентность. 4.2.2. Закон Беркулли. 4.2.3. Вязкость. 4.2.4. Вязкоэлектрический эффект. 4.3. Явление сверхтекучести. 4.3.1. Сверхтеплопроводность. 4.3.2. Термомеханический эффект. 4.3.3. Механокалорический эффект. 4.3.4. Перенос по пленке. 4.4.2. Скачок уплотнения. 4.4.3. Эффект Коанда. 4.4.4. Эффект воронки. 4.5. Эффект Магнуса. 4.6. Дросселирование жидкостей и газов. 4.6.1. Эффект Джоуля-Томсона. 4.7. Гидравлические удары. 4.7.1. Электрогидравлический удар. 4.7.2. Светогидравлический удар. 4.8. Квитанция. 4.8.1. Гидродинамическая квитанция. 4.8.2. Акустическая квитанция. 4.8.3. Сонолюминесценция. 5. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ. 5.1. Механические колебания. 5.1.1. Свободные колебания. 5.1.2. Вынужденные колебания. 5.1.3. Явление резонанса. 5.1.4. Автоколебания. 5.2. Акустика. 5.2.1. Явление реверберации. 5.3. Ультразвук. 5.3.1. Пластическая деформация и упрочнение. 5.3.2. Влияние ультразвука на физико-химические свойства

металлических расплавов: 5.3.2.1. на вязкость 5.3.2.2. на поверхностное натяжение 5.3.2.3. на теплообмен 5.3.2.4. на диффузию 5.3.2.5. на растворимость металлов и сплавов 5.3.2.6. на модифицирование сплавов 5.3.2.7. на дегазацию расплавов. 5.3.3. Ультразвуковой капиллярный эффект. 5.3.4. Некоторые возможности использования ультразвука. 5.3.5. Акустомагнетоэлектрический эффект. 5.4. Волновое движение. 5.4.1. Стоячие волны. 5.4.2. Эффект Допплера-Физо. 5.4.3. Поляризация. 5.4.4. Дифракция. 5.4.5. Интерференция. 5.4.6. Голография. 6. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ. 6.1. Взаимодействие тел. 6.1.1. Закон Кулона. 6.2. Индуцированные заряды. 6.3. Втягивание диэлектрика в конденсатор. 6.4. Закон Джоуля-Ленца. 6.5. Проводимость металлов. 6.5.1. Влияние фазовых переходов. 6.5.2. Влияние высоких давлений. 6.5.3. Влияние состава. 6.6. Сверпроводимость. 6.6.1. Критические значения параметров. 6.7. Электромагнитное поле. 6.7.1. Магнитная индукция. Сила Лоренца. 6.7.2. Движение зарядов в магнитном поле. 6.8. Проводник с током в магнитном поле. 6.8.1. Взаимодействие проводников с током. 6.9. Электродвижущая сила индукции. 6.9.1. Взаимная индукция. 6.9.2. Самоиндукция. 6.10. Индукционные токи. 6.10.1. Токи Фуко. 6.10.2. Механическое действие токов Фуко. 6.10.3. Магнитное поле вихревых токов. Эффект Мейснера. 6.10.4. Подвеска в магнитном поле. 6.10.5. Поверхностный эффект. 6.11. Электромагнитные волны. 6.11.1. Излучение движущегося заряда. 6.11.2. Эффект Вавилова-Черенкова. 6.11.3. Бататронное излучение. 7. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙТВА ВЕЩЕСТВА. 7.1.1. Изоляторы и полупроводники. 7.1.2. Сопротивление электрическому току. 7.1.3. Тепловые потери. 7.2. Диэлектрическая проницаемость. 7.2.1. Частотная зависимость. 7.3. Пробой диэлектриков. 7.4. Электромеханические эффекты в диэлектриках. 7.4.1. Электростракция. 7.4.2. Пьезоэлектрический эффект. 7.4.3. Обратный пьеэоэффект. 7.5. Пироэлектрики. 7.5.2. Сегнетоэлектрики. 7.5.3. Сегнетоэлектрическая температура Кюри. 7.5.4. Антисегнетоэлектрики. 7.5.5. Сегнетоферромагнетики. 7.5.6. Магнитоэлектрический эффект. 7.6. Влияние электрического поля и механических напряжений

на сегнетоэлектрический эффект. 7.6.1. Сдвиг температуры Кюри. 7.6.2. Аномалии свойств при фазовых переходах. 7.6.3. Пироэффект в сегнетоэлектриках. 7.7. Электреты. 8. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА. 8.1. Магнетики. 8.1.1. Диамагнетики. 8.1.2. Парамагнетики. 8.1.3. Ферсомагнетизм. 8.1.3.1. Точка Кюри. 8.1.4. Антиферомагнетики. 8.1.4.1. Точка Нееля. 8.1.5. Температурный магнитный гистерезис. 8.1.6. Ферромагнетизм. 8.1.7. Супермарамагнетизм. 8.1.8. Пьезомагнетики. 8.1.9. Магнитоэлектрики. 8.2. Магнитокалорический эффект. 8.3. Магнитострикция. 8.3.1. Термострикция. 8.4. Магнитоэлектрический эффект. 8.5. Гиромагнитные явления. 8.6. Магнитоакустический эффект. 8.7. Ферромагнитный резонанс. 8.8. Аномалии свойств при фазовых переходах. 8.8.1. Эффекты Гипокинса и Баркгаузена. 9. КОНТАКТНЫЕ, ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭМИССИОННЫЕ

ЯВЛЕНИЯ. 9.1. Контактная разность потенциалов. 9.1.1. Трибоэлектричество. 9.1.2. Вентильный эффект. 9.2. Термоэлектрические явления. 9.2.1. Эффект Зеебека. 9.2.2. Эффект Пельтье. 9.2.3. Явление Томсона. 9.3. Электронная эмиссия. 9.3.1. Автоэлектронная эмиссия. 9.3.2. Эффект Мольтере. 9.3.3. Тунельный эффект. 10. ГАЛЬВАНО- И ТЕРМОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ. 10.1.1. Гальваномагнитные явления. 10.1.2. Эффект Хола. 10.1.3. Эффект Этиингсгаузена. 10.1.4. Магнитоопротивление. 10.1.5. Эффект Томсона. 10.2. Термомагнитные явления. 10.2.1. Эффект Нернета. 10.2.2. Эффект Риги-Ледюка. 10.2.3. Продольные эффекты. 10.2.4. Электронный фототермомагнитный эффект. 11. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ. 11.1. Факторы, влияющие на газовый разряд. 11.1.1. Потенциал ионизации. 11.1.2. Фотоионизация атомов. 11.1.3. Поверхностная ионизация. 11.1.4. Применение ионизации. 11.2. Высокочастотный тороидальный разряд. 11.3. Роль среды и электродов. 11.4. Тлеющий разряд. 11.5. Страты. 11.6. Коронный разряд. 11.7. Дуговой разряд. 11.8. Искровый разряд. 11.9. Факельный разряд. 11.10. "Стекание" зарядов с острия. 12. ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ. 12.1. Электроосмос. 12.2. Обратный эффект. 12.3. Электрофорез. 12.4. Обратный эффект. 12.5. Электрокапиллярные явления. 13. СВЕТ И ВЕЩЕСТВО. 13.1. Свет. 13.1.1. Световое давление. 13.2. Отражение и преломление света. 13.2.1. Полное внутреннее отражение. 13.3. Поглощение и рассеяние. 13.4. Испускание и поглощение. 13.4.1. Оптико-акустический эффект. 13.4.2. Спектральный анализ. 13.4.3. Спектры испускания. 13.4.4. Вунужденное извлечение. 13.4.5. Инверсия населенности. 13.4.6. Лазеры и их применение. 14. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ФОТОХИМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ. 14.1. Фотоэлектрические явления. 14.1.1. Фотоэффект. 14.1.2. Эффект Дембера. 14.1.3. Фотопьезоэлектрический эффект. 14.1.4. Фотомагнитный эффект. 14.2. Фотохимические явления. 14.2.1. Фотохромный эффект. 14.2.2. Фотоферроэлектрический эффект. 15. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ. 15.1. Люминесценция, возбуждаемая электромагнитным

излучением. 15.1.1. Фотолюминесценция. 15.1.2. Антистокосовские .............. 15.1.3. Рентгенолюминесценция. 15.2. Люминесценция, возбуждаемая корпускулярным

излучением. 15.2.1. Катодолюминесценция. 15.2.2. Ионолюминесценция. 15.2.3. Радиолюминесценция. 15.3. Электролюминесценция. 15.3.1. Инжекцронная люминесценция. 15.4. Химилюминесценция. 15.4.1. Радикалолюминесценция. 15.4.2. Кандолюминесценция. 15.5. Механолюминесценция. 15.6. Радиотермолюминесценция. 15.7. Стимуляция люминесценции. 15.8. Тушение люминесценции. 15.9. Поляризация люминесценции. 16. АНИЗОТРОПИЯ И СВЕТ. 16.1. Двойное лучепреломление. 16.2. Механооптические явления. 16.2.1. Фотоупругость. 16.2.2. Эффект Максвелла. 16.3. Электрооптические явления. 16.3.1. Эффект Керра. 16.3.2. Эффект Поккельса. 16.4. Магнитооптические явления. 16.4.1. Эффект Фарадея. 16.4.2. Обратный эффект. 16.4.3. Магнитооптический эффект Зерра. 16.4.4. Эффект Коттона-Муттона. 16.4.5. Прямой и обращенный эффект Зеемана. 16.5. Фотодихроизм16.5.1. Дихроизм. 16.5.2. Естественная оптическая активность. 16.6. Поляризация при рассеивании. 17. ЭФФЕКТЫ НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКИ. 17.1. Вынужденное рассеяние света. 17.2. Генерация оптических гармоник. 17.3. Параметрическая генерация света. 17.4. Эффект насыщения. 17.5. Многофотонное поглощение. 17.5.1. Многофотонный фотоэффект. 17.6. Эффект самофокусирования. 17.7. Светогидравлический удар. 17.8. Гистеризисные скачки. 18. ЯВЛЕНИЯ МИКРОМИРА. 18.1. Радиоактивность. 18.2. Рентгеновское и -излучение. 18.2.1. адгезолюминисценция. 18.2.2. Астеризм. 18.3. Взаимодействие рентгеновского и -излучений с

веществом. 18.3.1. Фотоэффект. 18.3.3. Когерентное рассеяние. 18.3.4. Образование пар. 18.4. Взаимодействие электронов с веществом. 18.4.1. Упругое рассеяние. 18.4.2. Неупругое рассеяние. 18.4.3. Тормозное изучение. 18.4.4. Совместное облучение электрозами и светом. 18.5. Взаимодействие нейтронов с веществом. 18.5.1. Нейтронное распухание. 18.6. Взаимодействие -частиц с веществом. 18.7. Радиотермолюминесценция. 18.8. Эффект Месбауэра. 18.9. Электронный парамагнитный резонанс. 18.10. Ядерный магнитный резонанс. 18.11. Эффект Сверхаузера-Абрагама. 19. РАЗНОЕ. 19.1. Термофорез. 19.2. Фотофорез. 19.2.1. "Перпендикулярный" фотофорез. 19.3. Стробоскопический эффект. 19.4. Муаровый эффект. 19.4.1. Контроль размеров. 19.4.2. Выявление дефектов. 19.4.3. Конусные шкалы. 19.4.4. Измерение параметров оптических сред. 19.4.5. Контроль оптики. 19.5. Высокодисперсные структуры. 19.5.1. Консолидированные тела. 19.6. Эпекстрореологический эффект. 19.7. Ресалектрический эффект. 19.8. Жидкие кристалы. 19.8.1. Электрооптические эффекты. 19.8.2. Динамическое рассеяние. 19.8.3. Управление окраской кристаллов. 19.8.4. Визуализация ИК-изобретения. 19.8.5. Химическая чувствительность. 19.9. Смачивание (к 3.3.2) 19.9.1. Эффект ратекания жидкости под окисными пленками

металлов. 19.9.2. Эффект капиллярного клея. 19.9.3. Теплота смачивания. 19.9.4. Магнитотепловой эффект смачивания. 19.10. Лента Мебиуса. 19.11. Обработка магнитными и электрическими полями.

Приложение 1: Возможные применения некоторых физических

эффектов и явлений при решении

изобретательских задач.

В В Е Д Е Н И Е

- - - - - - -

Вы держите в руках "Указатель физических эффектов и явлений". Это не справочник, потому что он включает в себя лишь незначительную часть огромного колличества эффектов и явлений изученного окружающего нас мира. Это и не учебник. Он не научит Вас эффективному использованию физики при решении головоломных технических задач. Роль "Указателя" заключается в том, что он поможет вам увидеть и ощутить одну из важнейших тенденций развития технических систем -переход от исследования природы и практического воздействия на нее на макроуровне к исследованию к исследованию ее на микроуровне и связанный с этим переход от макротехнологии к микротехнологии.

Микротехнология основывается на совершенно иных принципах, чем технология,имеющая дело с макротелами. Микротехнология строится на основе применения к производству современных достижений химической физики, ядерной физики, квантовой механики. Это новая ступень взаимодействия человека и природы, а самое главное - это взаимодействие происходит на языке природы, на языке ее законов.

Человек, создавая свои первые технические системы, использовал в них макромеханические свойства окружаещего вас мира. Это не случайно, так как научное познание природы началось исторически именно с механических процессов на уровне вещества.

Вещество с его внешними формами и геометрическими параметрами является обьектом, непосредственно данным * человеку в ощущениях. Это тот уровень организации материи, на котором она предстает перед человеком как явление, как количество, как форма. Поэтому каждый технологический метод воздействия соответствовал (и во многих современных технических системах сейчас соответствует) простейшей форме движения материи - механической.

С развитием техники все методы воздействия совершенствуются, но тем не менее, в их соотношении можно проследить известные изменения. Механические методы в большинстве случаев заменяются более эффективными физическими и химическими методами. В добывающей промышленности, например, вместо механического дробления руды и подьема ее на поверхность, получают распространение методы выщелачивания рудного тела и получением раствора металла с последующим его выделением химическим путем. В обрабатывающей промышленности микротехнологии приводит к революционным преобразованием: сложные детали выращивают в виде монокристалов, внутренние свойства вещества изменяют воздействием сильных электрических, магнитных, оптических полей. в строительстве использование фундаментальных свойств вещества позволяет отказываться от сложных и дорогих механизмов. Например: только одно явление термического расширения позволяет создавать неломающиеся домкраты, строить арочные мосты в 5 раз быстрее (при этом отпадает необходимость в опалубке и подьемных механизмов). Прямо на месте строительства можно сделать несущую часть арочного моста высотой до 20 метров, а делается это сказочно просто: два стометровых металлических листа накладывают друг на друга, между ними помещают асбестовую прокладку. Нижний лист нагревают токами ВЧ до 700 градусов, соединяют его с верхним, а при остывании этого "пирога" получают арку.

Чем объяснить эффективность микротехнологии? Здесь трудно различить вещество, являющееся орудием воздействия, и вещество, служащее преом труда. Здесь нет инструмента непосредственного воздействия, рабочего оружия или рабочей части машины, как это имеет место при механических методах. Функции орудия труда выполняют частицы веществ-молекул, атомы-участвующих в процессе. Причем сам процесс легко управляем, коль скоро мы можем легко воздействовать определенными полями на части, создавая соответствующие условия и тогда не только не нужно, но часто и не возможното есть автоматически и непрерывно. В это проявляется, говоря словами Гегеля, "хитрость" научно-технической деятельности.

Переход от механических и макрофизических методов воздействия к микрофизическим позволяет значительно упростить любой технологический процесс, добиться при этом большего экономического эффекта, получить безотходные процессы, если вещества и поля на входе одних процессов становятся веществами и полями на выходе других. Надо только помнить, что безграничность возможностей научно-технической деятельности может успешно реализося лишь при соблюдении границ возможного в самой природе, а уж природа ведет свои производства на тончайшем атомном уровне бесшумно, безотходно и полностью автоматически.

"Указатель" покажет Вам на примерах эффективности использования законов природы проектировании новой техники может быть подскажет решение стоящей пред Вами технической задачи. В него вошли многие физэффекты, которые еще ждут своего применения и своего "применителя" (не Вы ли им будете?).

Но составителя нового сборника будут считать свою задачу выполненной лишь в том случае, если помещенная в него информация станет для Вас тем "зародышем", с помощью которого Вы "вырастите" для себя (и поделитесь с другими) многогранный кристалл физических эффектов и явлений, растворенных в безграничном мире. И чем больше будет этот "кристалл", тем будет проще заметить закономерности его строения. Это интересует нас, надеемся, заинтересует и Вас и, тогда следующий "Указатель" сможет стать настоящим лоцманом в необъятномморе технических задач.

ОБНИНСК, 1979 г. Денисов С. Ефимов В. Зубарев В. Кустов В.

Несколько соображений об Указателе физэффектов.

--------- ----------- -- --------- ----------

Чтобы уверенно решать сложные изобретательские задачи, нужна, во-первых, программа выявления технических и физических противоречий. Во-вторых, нужен информационный фонд, включающий средства устранения противоречий: типовые приемы и физические эффекты. Разумеется, есть еще и "в-третьих","в-четвертых" и т. д. Но главное - программа и информационное обеспечение.

Вначале была просто программа - первые модификации АРИЗ. Путем анализа патентных материалов постепенно удалось составить список типовых приемов и таблицу их применения. В число типовых приемов попали и некоторые физические эффекты. В сущности, все приемы прямо или косвенно "физичны". Скажем, дробление; на микроуровне этот прием становится диссоциацией-ассоциацией, десорбцией-сорбцией и т.п. Но в типовых приемах главное - комбинационные изменения. Физика либо проста (тепловое расширение, например), либо скромно держится на втором плане.

К 1967-68 г.г. стало ясно, что дальнейшее развитие информационного обеспечения АРИЗ требует создания фонда физических явлений и эффектов. В 1969 г. за эту работу взялся студент-физик В.Гутник, слушатель Молодежной изобретательской школы при ЦК ЛКСМ Азербайджана (в начале 1970 г. школа стала и "при РС ВОИР";в 1971 г. была преобразована в АзОИИТ - первый в стране общественный институт изобретательского творчества). В 1970 г. была организовна Общественная лаборатория методики изобретательства при ЦС ВОИР. В план ее работы было включено создание "Указателя применения физэффектов при решении изобретательских задач".

За два года В.Гутник проанализировал свыше 5.000 изобретений "с физическим уклоном" и отобрал из них примерно 500 наиболее интересных; эта информация положила начало картотеке по физэффектам. К 1971 г. появились первые наброски Указателя. Но В.Гутник ушел в армию, работа прервалась. С 1971 г. разработку "Указателя" начал вести физик Ю.Горин, слушатель, а затем преподаватель АзОИИТ ныне кандидат наук. К 1973 г. Ю.Горин подготовил первый "Указатель". В него были включены свыше 100 эффектов и явлений и примеры их изобретательского применения. Полный текст "Указателя" (300 машинописных страниц) в 1973 г. был передан в ЦК ВОИР, но не был издан. В том же 1973 г. удалось подготовить сокращенный текст "Указателя" (108 стр.) и отпечатать его на рататоре (баку,150 экз.). Позже этот текст печатался в Брянске и других городах. Всего было отпечатано около 1000 экз.

Практика применения этого - еще во многом периодичного "Указателя" свидетельствует, что разделы, оживляющие забытые знания, в общем работают удовлетворительно. Однако большая часть физики относится к тому, что раньше было мало известно или вобще не известно человеку, пользующемуся указателем. Изложенные, слишком кратко, сведения о "новых" эффектах практически не работают. Да исамих эффектов в первом выпуске Указателя было слишком мало. Далеко не ко всем эффектам удалось подобрать характерные примеры их изобретательского применения. Нуждались в корректировке и таблицы применения физэффектов.

Несмотря на появление нового Указателя, изобретательские задачи и физика по-прежнему оставались "на разных берегах реки": Указатель еще не стал мостом между техникой и физикой. Однако работа продолжалась.

С января 1977 г. эта работа была перенесена в ОБНИНСК и велась коллективом. За год С.А.Денисов, В.Е.Ефимов, В.В.Зубарев, В.П.Кустов подготовили вторую модификацию Указателя: охвачено 400 эффектов и явлений, подобраны характерные примеры их изобретательского применения, изложение стало более точным и насыщенным. Успешной работе способствовало содействие преподавателей теории решения изобретательских задач из многих городов: в ОБНИНСК все время поступала информация по физэффектам.

Нынешний Указатель - это справочник, который следовало бы издать массовым тиражом. В сущности, это настольная книга изобретателя (даже, если он не работает в АРИЗ).

Как использовать указатель?

Прежде всего, его надо внимательно прочитать. Точнее проработать: прочитать и без спешки просмотреть примеры, каждый раз обдумывая - почему использован данный эффект, а не какой-то другой. Эту работу следует сделать вдумчиво, неторопливо, потратив на нее месяц-полтора и осваивая разделы указателя небольшими дозами. По ряду разделов (особенно по магнетизму, люминесценции, поляризованному свету) необходимо дополнительно посмотреть учебники и специальную литературу.

Прорабатывая указатель, желательно по каждому разделу задавать себе упражнения: как использовать эти эффекты в моей работе, какие новые применения этих эффектов я мог бы предложить? Допустим на этот эффект наложено "табу", применять эффект нельзя; каким другим эффектом можно воспользоваться? Можно ли построить игрушку применив данный эффект? Можно ли данный эффект использовать в космосе и что при этом измениться? и т.д. Особое внимание следует обращать на всякого рода аномалии,отклонения,странности, а также на различные переходные состояния вещества и условия, при которых эти преходы осуществляются. Если проработав таким образом указатель вы не пришли ни к одной новой идее, значит что-то неладно; скорее всего,проработка была поверхностной.

Когда занятия идут на семинарах, курсах, в общественных школах и т.п. Преподаватель может использовать упражнения такого типа: "придумать новый и интересный физический эффект. Как его можно использовать в технике? Что изменится в природе, если такой эффект станет реальностью? Подобные упражнения - на стыке физики и фантастики - особенно эффективны для развития творческого мышления. Вообще указатель надо, прежде всего, использовать до решения задач, регулярно углубляя знания и тренируя мышление. Желательно, в частности, пополнять указатель, наращивая сильные примеры и включая новые физэффекты.

При решении задач применение указателя более регламентировано: таблица применения физэффектов в АРИЗ-77 дает название эффекта, который надо использовать для устранения физического противоречия. По указателю можно получить сведения об этом эффекте, а затем обратиться к литературе, рекомендованной указателем.

Мост между изобретательскими задачами и физикой еще не достроен. работа над указателем продолжается. в первом полугодии 1978 г. Должны быть подготовлены два выпуска сводной картотеки дополнительно к нынешнему тексту указателю. Подготовка таких выпусков должны идти регулярно: здесь по-прежнему нужна помощь всех преподавателей. Предстоит также разработать таблицы превращения полей (какие эффекты переводят одно поле в другое?). Но центральная на ближайшие годы проблема - как замкнуть мост между изобретательством и физикой? Здесь наметилось несколько подходов. Можно перевести физэффекты на вепольный язык, дать каждому эффекту его вепольную формулу. Для этого надо развить вепольный язык, зделать его богаче,гибче. Но принципиальных трудностей здесь пока невидно.

Другая возможность состоит в том, чтобы построить систему эффектов например, по анологии с системой приемов (простые,парные,сложные...) По структуре нынешний Указатель все еще привязан к структуре обычных курсов физики. Система физических эффектов, видимо, должна выглядеть иначе: эффекты собираются в группы, каждая из которых будет включать эффект, обратный эффект, би-эффект (пример: интерференция), плюс - минус эффект (сочетание эффекта и обратного эффекта), эффект сильно сжатый по времени, эффект сильно растянутый по времени и т.д.

Вероятно, возможны и другие подходы. Так или иначе очнвидно, что нельзя дальше ограничиваться чисто механическими наращиваниями в память ЭВМ. А дальше что? Каждый эффект, безразлично - записан он на бумагу или хранится в памяти ЭВМ придется извлекать и пробовать его "вручную"... Положение Указателя должно идти своим чередом. Но уже нынешний Указатель вполне достаточный фундамент для построения теории применения физэффектов при решении изобретательских задач.

В журнале " " за 1975 г. т.24.н11, стр.512-515 (журнал ГДР, реферат - см. реферативный журнал "Физика иа. Общие вопросы физики", 1976,н4,стр.25) сообщается о создании информационного каталога физических явлений для разработки технологических методов. Это близко к идее Указателя, хотя в Указателе уклон не в технологию, а в преодоление противоречий при решении изобретательских задач. Каталог выполнен ввиде папок, которые могут пополняться. Это примерно то, что у нас было до составления первой модификации Указателя - папки по эффектам. Но немцы - да и кто угодно - без особого труда могут нас нагнать, достаточно засадить за работу несколько десятков физиков - и из малой "кучи эффектов" будет сделана "большая куча". Наше преимущество - в подходе к проблеме. Мы понимаем, что дело не в том, чтобы набрать "большую кучу" информации и засунуть ее в ЭВМ, которая сама разберется - что к чему. Мы понимаем, что везде, в том числе и в данной проблеме - надо искать обьективные законы. Технические системы развиваются закономерно, поэтому применение физики в изобретательстве тоже должно подчиняться определенным законам.

На выявление этих законов и нужно напрвить основные усилия.

1978, январь Г.Альтшуллер

Механические эффекты

1.1.Силы инерции.

Силы инерции возникают при движении тел с ускорением, т.е. в случаях, когда они изменяют свое количество движения.

1.1.1. Если на тело действует сила, приложенная к его поверхности, возникающая при этом сила инерции слагается из сил инерции его элементарных частиц как бы последовательно; более удаленные от места приложения действующей на тело силы частицы "давят" на более близкие. Во всем обьеме тела возникают напряжения приводящие к смещениям частиц тела. Этот эффект используется в различных инерционных выключателях, переключателях и акселерометрах.

А.с. 483 120: Переключатель для электромеханической игрушки, содержащий корпус с контактами и установленный в нем с возможностью ограниченного поворота диск с токосьемками и прикрепленным к нему одним концом поводком, отличающийся тем, что с целью реверсированияэлектродвигателя при столкновении игрушки с препятствием,на свободном конце поводка укреплен груз.

Силу инерции можно также использовать для создания дополнительного давления в различных технологических процессах.

А.с. 509 539: Способ получения карбонила вольфрама путем обработки порошкообразного вольфрама окисью углерода при осуществлении ее циркуляции и выводе конечного продукта из зоны реакции с последующей его конденсацией, отличающийся тем, что с целью упрощения процесса и обеспечения его непрерывности, процесс ведут в измельчительном аппарате с инерционной нагрузкой 15-40 при давлении окиси углерода 0,9-10 ата и температуре 20-30 C.

1.1.2. Центробежная сила инерции возникает, когда тело под действием центростремительной силы - причины изменяет направление своего движения, при этом сохраняется энергия тела. Эта сила действует всегда только в одном направлении - от центра вращения.

А.с. 518 322: Способ шлифования криволинейных поверхностей движущейся абразивной лентой, при котором ленту поджимает к обрабатываемой детали контактным копиром, эквидестантным на толщину ленты обрабатываемой поверхности, отличающийся тем, что с целью обеспечения возможности обработки выпуклых поверхностей, ленту прижимают к рабочей поверхности контактного копира центробежными силами.

Фактически, это есть сила взаимодействия между телами вращающимся и удерживающим его на окружности. В свою очередь, вращающееся тело также воздействует на удерживающее. По третьему закону Ньютона эти силы равны по величине ипротивоположны по направлению в каждый момент времени. Взаимодействие двух тел осуществляется через какие-либо связи - нитку, стержень, электрическое и гравитационное поля и т.д. В случае разрыва связей, соединяющих взаимодействующие тела, оторвавшееся тело будет двигаться прямолинейно (по инерции).

Патент ФРГ 1 229 253: Способ изготовления листочков или чешуек из стекла, отличающийся тем, что стекло, размягченное при нагревании, наносят на стенку в форме круга, имеющего по окружности закраину. Стенки для образованияпленки из стекла приводят во вращение. Пленка размягченного стекла выбрасывается через закраину под действием центробежных сил. Затем пленка затвердевает на некотором расстоянии от вращающейся стенки и разбивается на листочки.

1.1.3. Чем больше масса вращающегося тела и чем дальше она отнесенаот центра вращения, тем большим моментом инерции обладает тело.

А.с. 538 800: Способ регулирования энергии ударов в кузнечно-прессовых машинах ударного действия, заключающийся в изменении момента инерции маховых масс, отличающийся тем, что с целью повышения качества обрабатываемых изделий и долговечности машин, момент инерции изменяют путем подачи или отвода жидкости во внутренние полости маховых масс.

А.с. 523 213: Способ уравновешивания сил инерции подвижных элементов машин, заключающийся в том, что уравношиваемый элемент машины, соединяют с аккумулирующим телом и приводит их во вращение, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности уравновешивания, в качестве аккумулирующего тела используют маховик с изменяемым радиусом центра масс, например, центробежный регулятор.

Силы, возникающие в процессе вращательного движения, можно использовать для ускорения некоторых технологических процессов.

А.с. 283 885: Способ деарации порошкообразных веществ путем уплотнения, отличающийся тем, что с целью интенсификации, деарацию производят под воздействием центробежных сил.

А.с. 415 036: Способ приготовления сорбена для акстракционной хромофотографии путем смещения жидкой фазы и твердого носителя, отличающийся тем, что с целью повышения равномерности распределения жидкой фазы на твердом носителе и интенсификации процесса, удаления избытка жидкой фазы, смещение производят в центробежном поле.

а также для деформации:

А.с. 517 501: Способ отбортовки труб из термопластичного материала, включающий опреации нагревания ее конца до размягчения и последующей его деформации, отличающийся тем, что с целью упрощения изготовления изделия и повышения его качества, деформацию размяченного конца трубы осуществляют ее вращением.

Подвергая нагретую жидкость действию центробежного поля можно значительно увеличить производительность парогенераторов т.к., если нагретую жидкость под давлением подавать по касательной к вращающемуся цилиндру, то жидкость закрутится. При этом жидкост будет закручиваться с большего на меньший радиус, а это в силу закона сохранения момента количества движения, вазовет рост линейной скорости. Согласно закону Бернулли увеличение скорости приведет к падению давления в движущейся жидкости. Поэтому жидкость, недогретая до кипения, попав в зону пониженного давления, закипит и сухой пар будет скапливаться в центре цилиндра.

На каждый элемент обьема вращающейся вязкой жидкости действуют две силы: центробежная, пропорциональная ее плотности и сила тяжести, также пропорциональная той же плотности. Поэтому на форму параболического мениска плотность не влияет, т.е. любые жидкости будут иметь одинаковые формы.

А.с. 232 450: Способ изготовления изделий с параболлической поверхностью, основанный на использовании вращения резервуара с жидкостью, отличающийся тем, что с целью снижения стоимости и повышения точности параболической поверхности, в качестве формовочного элемента используют жидкость с большим удельным весом, на которую наносят жидкость с меньшим удельным весом, затвердевающую при вращении резервуара.

1.1.4. Отметим еще одну особенность вращающихся систем. Вращающееся тело обладает гироскопическим эффектом - способностью сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения. При силовом воздействии с уелью изменить направление оси вращения возникает процессия гироскопических систем. Гироскопы широко применяются в технике: они являются одним из основных элементов современных систем управления судами, самолетами, планетоходами, космическими кораблями.

А.с. 474 444: Локомотив с электропередачей, содержащий аккумулятор энергии ввиде вращающегося маховика, связанный с преобразователем энергии, представляющий собой обратимую электрическую машину, отличающийся тем, что с целью устранения сил гироскопического эффекта маховика на устойчивость локомотива, маховик с преобразователем энергии смонтированы в оболочке и помещены в гироскопический механизм с двумя степенями свободы.

Измеряя процессию гироскопа, можно определить величину внешних сил, воздейставующих на гироскоп.

А.с. 487 336: Устройство для определения силы трения, содержащее корпус, карданный подвес, ротор с приводом, установленные в карданном подвесе, держатели образца и контрообразца, нагружающий механизм, взаимодействующий с держателем контробразца, датчик угловой скорости процессии, связанный с рамками карданного повеса, отличающийся тем, что с целью определения силы трения при высоких, порядка сотен м/с скоростях вращения, держатель образца установлен на роторе, нагружающий механизм с держателем контробразца установлены на внутренней рамке карданного подвеса, а датчик угловой скорости процессии связан с внешней рамкой процессии.

Посколько при вращательном движении само тело остается на одном месте, а только участки тела совершают круговые движения, то во вращающемся теле можно аккумулировать кинетическую энергию, которую затем можно преобразовывать в кинетическую энергию поступательного движения. На этом принципе работают инерционные аккумуляторы, используемые, например, в гиробусах.

А.с. 518 302: Машины для инерционной сварки, трением, содержащая привод вращения и шпиндель с массой для накопления энергии, отличающийся тем, что с целью уменьшения энергоемкости процесса, масса для накопления энергии выполнена ввиде инерционного пульсатора.

А.с. 518 381: Привод кузнечно-прессовой машины, содержащий электродвигатель и насос, соединенный трубопроводом через распределительную систему с аккумулятором и рабочим цилиндром машины, отличающийся тем, что с целью повышения КПД он снабжен дополнительным аккумулятором энергии - маховиком, установленным в кинематической цепи, связывающей электродвигатель с насосом.

Силы инерции проявляются при изменении скорости движущегося тела или при появлении центростремительной силы; в этих случаях всегда появляется реальная сила, которую можно использовать в различных процессах и при этом совершенно "бесплатно".

1.2. Гравитация.

Кроме того, масса является мерой инертности тела, любая масса является источником гравитационного поля. Через гравитационные поля осуществляется взаимодействие масс. Гравитационные силы самые слабые из всех сил, известных науке; тем не менее, при наличии больших масс (например, Земля) эти силы во многом предопределяют поведение физических систем. Количественно гравитационные взаимодействия описываются законом всемирного тяготения. Сила тяготения пропорциональна массе. Такая пропорциональность приводит к тому, что ускорение, приобретаемое в данной точке гравитационного поля различными телами, для всех тел одинаково (конечно, если на эти тела не действуют никакие другие силы - сопротивление воздуха и т.д.). Если рассматривать движение тел под действием силы тяжести Земли, то это движение будет равноускоренным - ускорение будет постоянно по величине и по направлению. Все отклонения от постоянства ускорения имеют те или иные конкретные причины - вращение Земли, ее несферичность, несимметричное распределение масс внутри Земли, сопротивление воздуха или иной среды, наличие электрических или магнитных полей и т.д. Постоянство ускорения - это возможность измерять массы посредством измерения веса, это часы, датчики времени,- это бесплатные силы гравитации - точно калиброванные.

Патент США 3 552 283: Устройство отмечающее положение плоскости Земли при помощи устройства, отмечающего поожение плоскости Земли, образуется изображение на экспонируемой фотографической пленке, позволяющее определить на проявленном негативе или на позитивном отпечатке положение плоскости Земли независимо от положения камеры во время киносьемки. Устройство содержит прозрачное тело с грузиком, смещаюшимся под действием силы тяжести в самый нижний угол этого тела. Прозрачное тело может располагаться внутри корпуса камеры или внутри кассеты для роликовой пленки, причем единственным требованием к прозрачному телу является то, чтобы оно находилось на пути световых лучей, идущих от фотографируемого обьекта на пленку, установленную в камере. На краю кадра проявленного негатива или позитивной пленки образуется метка ввиде стрелки, направленной в сторону плоскости Земли. Метка ввиде стрелки может использоваться для правильной ориентации пленки или диапозитива.

А.с. 189 597: Устройство для установления заданных промежутков времени, отличающееся тем, что с целью повышения точности измерения при записи сейсмограмм, оно выполнено ввиде стержня, с расположенным на нем грузом, замыкающим во время свободного падения контакты, соединенные с электродетонаторами.

1.3. Трение.

Трение представляет собой силу, возникающую при относительном перемещении двух соприкасающихся тел в плоскости их касания. Ввиду зависимости сил трения от многих, порой очень трудно учитываемых факторов, предпочитают пользоваться феноменологической теорией трения, описывающей в основном факты, а не их обьяснения.

Различают трения качения и трения скольжения. Феноменологическая теория трения базируется, в основном на представлении о том, что касание твердых тел имеет место лишь в отдельных пятнах, на которых действуют силы диффузии, химической связи, адгезии и т.п.; при скольжении каждое пятно касания (так называемая фрикционная связь) существует ограниченное время. Сумма всех сил, действующих на пятна касания, усредненая по времени и по поверхности носит название силы трения. Продолжительность существования фрикционной связи определяет такие важные величины, как износостойкость, температуру пограничного слоя, работу по преодолению сил трения. Характерно,что при трении наблюдаются значительные деформации пограничного слоя, сопровождающиеся структурными превращениями, избирательной диффузией: учет всех этих процессов затруднен из-за сильной зависимости от температуры. Температура на пятнах касания возрастает очень быстро и может достигать несколько сот градусов.

Обычно трение качения, при котором основная работа затрачивается на передеформирование материала при формировании валика перед катящимся телом, много меньше трения скольжения. Но как только скорость качения достигает скорости распространения деформаций, трение качения резко возрастает; поэтому при больших скоростях качения лучше использовать трение скольжения.

Трение покоя больше трения движения, и этот факт снижает чувствительность точных приборов. Заменить трение покоя трением движения - это значить уменьшить силу трения и как-то стабилизировать ее. Задачу можно решить, заставив трущиеся элементы совершать колебания.

В патенте США 3 239 283: задача решается выполнением втулки подшипника из пьезоэлектрического материала и покрытием ее электропроводящей фольгой. Пропуская переменный ток, под действием которого пьезоэлектрик вибрирует, ликвидируют трение покоя.

1.3.1. Явление аномального низкого трения. Установлено, что при достаточно сильном облучении одной из трущихся поверхностей ускоренными частицами (например, атомами гелия) коэффициент трения падает в десятки и даже сотни раз, достигая сотых и тысячных долей единицы (открытие-121). Для возникновения эффекта сверхнизкого трения необходимо, чтобы процесс трения осуществлялся в вакууме. Переход в состояние сверхнизкого трения может осуществляться далеко не всеми телами. Этой способностью обладают вещества со слоистой кристаллической структурой. Исследования показали, что очень тонкий поверхностный слой вещества при совместном действии трения и облучения испытывает сильную ориентацию, благодаря чему его структурные элементы располагаются параллельно плоскости контакта, за счет чего сильно уменьшается способность вещества образовывать сильные адгезионные связи. Роль облучения сводится к очень интенсивной очистке поверхности контакта от премисей и от молекул воды, препяствующих ориентации. К тому же водная пленка сама является источником довольно сильных адгезионных связей. Явление аномально низкого трения можно использовать к примеру в подшипниках:

А.с. 290 131: Подшипник скольжения, содержащий корпус, в котором смонтирован вал посредством сегментов с металлической рабочей поверхностью, расположенных равномерно по окружности, отличающееся тем, что с целью уменьшения коэффициента трения при работе в вакууме, он снабжен источником быстрых и нейтральных молекул газа, например, инертного, встроенного в корпус между сегментами и направляющим поток молекул на рабочую поверхность вала, покрытую полимером, например, полиэтиленом.

1.3.2. Эффект безызиосности.

Всегда и везде ранее принималось, что трение и износ два неразрывно связанных явления. Однако в результате открытия (нр -41) Крагельского И.В. и Гаркунова Д.Н. удалось разьединить это, хотя и традиционное, но невыгодное содружество. В их подшипнике трение осталось - износ исчез; за это исчезновение ответственен процесс атомарного переноса. Самый опасный вид износа - схватывание. В соответствии с принципом "обратить вред в пользу" - схватывание входит как составная часть в атомарный перенос; далее оно компенсируется противоположным процессом. Рассмотрим пару сталь - бронза с глицериновой смазкой. Глицерин, протравливая поверхность бронзы способствует покрытию ее рыхлым слоем чистой меди, атомы которой легко переносятся на стальную поверхность. Далее устанавливается динамическое равновесие - атомы меди летают туда и обратно, и износа практически нет, ибо медный порошок прочно удерживает глицерин, который в свою очередь, защищает медь от кислорода. В авиации уже испытаны бронзовые амартизационные буксы в стальной стойке шасси самолета.

1.3.3. Эффект Джонсона-Рабека.

Если нагревать пару соприкасающихся трущихся поверхностей полупроводник и металл, то сила трения между этими поверхностями будет увеличиваться. Этот эффект используется в тормозах и муфтах крутящего момента.

Патент США 3 343 635: Тормоз представляющий собой вал, покрытый полупроводниковым материалом, охваченный металлической лентой. Тормозной момент зависит от температуры полупроводникового слоя и регулируется путем пропускания электрического тока через вал и охватывающую его ленту.

Патент Англии 1 118 627: Устройство для передачи вращения между двумя валами, состоящая из двух соприкасающихся дисков, один из которых выполнен из полупроводникового материала, а второй - металлический. Регулирование передаваемого момента происходит при нагреве соприкасающихся упомянутых материалов путем пропускания электрического тока между ними.

Интересное использование трения:

А.с. 350 577: Способ получения отливок, заключающийся в пропускании расплавленного металла через каналы, выполненные в теле оправки, отличающееся тем, что с целью совмещения процесса плавки и заливки металла, оправку поднимают к металлической заготовке и вращают, расплавляя заготовку теплом, выделяющимся в процессе трения.

Л И Т Е Р А Т У Р А

К 1.2. Я.Н.Ройтенберг, Гироскопы, М., "Наука", 1975

В.А.Павлов, Гироскопический эффект, его проявление и

использование, Л., "Судостроение", 1972

Н.В.Гулия, Возрожденная энергия, "Наука и жизнь", 1975,

нр-7. К 1.3. А.А.Силин, Трение и его роль в развитии техники,

М., "Наука", 1976.

И.В.Крагельский, Трение и износ, М., "машиностроение",1968

Д.Н.Гаркунов, Избирательный перенос в узлах трения,

М., "Транспорт", 1969.

2. Д Е Ф О Р М А Ц И Я .

----------------------

2.1. Общая характеристика.

В самом общем случае под деформацией понимается такое изменение положение точек тела, при котром меняется взаимные расстояния между ними. Причинами деформаций, сопровождающихся изменениями формы и размеров сплошного тела, могут служить механические силы, электрические, магнитные, гравитационные поля, изменения температуры, фазовые переходы и т.д.

В теории деформации твердых тел рассматриваются многие типы деформаций-сдвига, кручения и т.д. Формальное описание их можно отыскать в любом курсе сопромата.

Если деформация исчезает после снятия нагрузки, то она называется упругой, в противном случае имеет место пластическая деформация. Для упругих деформаций справедлив закон Гука, согласно которому деформация пропорциональна механическому напряжению.Если рассматривать деформации на атомарном уровне то упругая деформация характеризуется,прежде всего практически одинаковым изменением растояния между всеми атомами кристала; при пластических деформациях возникают дислокации-линейные дефекты кристалической решотки.

Величина деформации любого вида определяется свойствами деформируемого тела и величиной внешнего воздействия; следовательно,имея данные о деформации, можно судить либо о свойствах тела,либо о воздействиях; в некоторых случаяхи о том и о другом, а в некоторых- о степени изменения свойств деформируемого тела при том или ином внешнем воздействии.

А.с. 232571: Способ измерения спорных реакций машин и

станков в эксплуатационных условиях,отличающийся тем,

что,с целью определения реакций в спорах с резиновым

упругим элементом, измеряют величину деформации свобод

ной поверхности резинового упругого элемента, по кото

рой судят о величине опорной реакции.

2.1.1. С в я з ь э л е к т р о п р о в о д н о с т и

с д е ф о р м а ц и е й.

В 1975 году зарегистрировано открытие: обнаружена зависимость пластической деформации металла от его проводимости. При переходе в сверхпроводящее состояние повышается пластичность металла. Обратный переход понижает пластичность.

Напомним, что макроскопическая пластическая деформация осуществляется перемещением большого количества дислокаций, способность же кристалла оказывать сопротивление пластической деформации определяется их подвижностью.

Эффект наблюдался на многих сверхпроводниках при различных способах механических испытаний. В экспериментах было обнаружено значительное повышение пластичности металла /разупрочнение/ при переходе его в сверхпроводящее состояние. Величина эффекта в некоторых случаях достигла нескольких десятков процентов.Детальное изучение явления разупрочнения привело к выводу,что "виновником" его следует считать изменение при сверхпроводящем переходе тормозящего воздействия электронов проводимости на дислокации. Силы "трения" отдельной дислокации об электроны в несверхпроводящем металле резко уменьшаются при сверхпроводящем переходе.Таким образом, обнаружена прямая связь механической характеристики металлаего пластичности с чисто электронной характеристикой-проводимостью.

Главный вывод-электроны металлов тормозят дислокации в с е г д а.Сверхпроводящий переход помог выявить роль электронов и позволил оценить электронную силу торможения. Но переход в сврхпроводящее состояние- не единственная возможность влиять на электроны. Этому служит магнитное поле, давление и т.д. Ясно, что такие воздействия должны изменять и пластичность металла, особенно, когда электроны- главная причина торможения дислокаций.

Магнитное поле в сочетании с низкой температурой способны изменять буквально все свойства вещества: теплоемкость, теплопроводность,упругость,прочность и даже цвет. Появляются новые электрические свойства. Превращения происходят практически мгновенно- за 10 в11-ой и 10 в12-ой сек. Исходя из экспериментов ожидают использования новых эффектов в обычных условиях.

2.1.2. Э л е к т р о п л а с т и ч е с к и й

э ф ф е к т в м е т а л л а х

Установлен электропластический эффект в металлах и доказана возможность его применения для практических целей. Открытие этого эффекта привело к более глубокому пониманию механизма пластической деформации, расширило представление о взаимодействии свободных электронов в металле с носителями пластической деформации-дислокациями.

Появилась возможность управлять механическими свойствами металлов, в частности, процессом обработки металлов давлением. Например, деформировать вольфрам при температурах не превышающих 200 гр.С и получить из него прокат с высоким качеством поверхности. В экспериментах с импульсным током было найдено, что электрический ток увеличивает пластичность и уменьшает хрупкость металла. Если создать хорошие условия теплоотвода от деформируемых образцов и пропускать по ним ток высокой плотности 10 в4-ой 10 в6-ой а/см./2 то величина эффекта будет будет порядка десятков процентов. Электрический ток вызывает также увеличение скорости релаксации напряжений в металле и оказывается удобным технологическим фактором для снятия внутренних напряжений в металле. Электропластический эффект также линейно зависит от плотности тока (вплоть до 10 в5-ой а/см./2 ) и имеет большую величину при импульсном токе, а при переменном вообще не наблюдается.

Видна связь явления разупрочнения металла при сверхпроводящем переходе с электропластическим эффектом. В этом и другом случае происходит разупрочнение металла. Однако, если в первом случае в основе явления лежит уменьшение сопротивления движению и взаимодействию дислокаций при устранении из металла газа свободных электронов,во втором случае причиной облегчения деформации является участие самого электронного газа в пластической деформации металла. Электронный газ из пассивной и тормозящей среды превращается в среду, имеющую направленный дреф и поэтому ускоряющую движение и взаимодействие дислокацийе (или снижающую обычное электронное торможение дислокаций) Этот эффект уже находит свое применение на практике:

А. .. : "Способ снижения прочности металлов, например,при пластической деформации при котором через заготовку пропускают электрический ток отличающийся тем, что с целью снижения прочности металла при сохранении его низкой температуры, к заготовке прикладывают импульсы тока плотностью преимущественно 10 а/см./2, с частотой подачи 20-25Гц.

2.1.3. Ф о т о п л а с т и ч е с к и й э ф ф е к т .

Естественно ожидать изменение пластических свойств и при других воздействиях на электронную структуру образца. Например, воздействие светового излучения на кристалы полупроводника вызывает в них перераспределение электрических зарядов. Не будет ли свет влиять на пластические свойства полупроводников? Советские ученые Осиньян и Савченко на этот вопрос отвечают утвердительно. Их открытие зарегистрировано под номером 93 в такой формулировке:

"Установлено ранее неизвестное явление,заключающееся в изменении сопротивления пластической деформации кристаллов полупроводников под действием света, причем максимальное изменение происходит при длинных волн, соответствующих краю собственного поглащения кристаллов".

В их опытах образцы полупроводников сжимались и растягивались до наступления пластической деформации. Затем образец освещался светом. Вызванное им перераспределение носителей заряда оказывало тормозящее действие на дислокации носителей пластической деформации и тотчас прочность образца увеличивалась почти вдвое. Стоило выключить свет, как прочность уменьшалась и вскоре достигала своего первоначального значения.

Дальнейшие исследования привели к наблюдению еще одного интересного явления - и н ф р а к р а с н о г о гашения фотопластического эффекта.

Эффект фотопластичности предполагается использовать для

разработки нового типа элементов автоматики, новой тех

нологии полупроводнико,для создания качественно новых

приемников видимого светового и инфракрасного излуче

ния.

2.1.4. Э ф ф е к т Б а у ш и н г е р а .

При упругих деформациях перемена знака внешнего усилия вызывает только изменение знака деформации,без изменения ее абсолютной величины. Если же под влиянием внешних усилий в металле возникают дислокации,т.е. наступает режим пластической деформации то упругие свойства металла изменяются и начинает сказываться влияние знака первоначальной деформации. Если металл подвергнуть слабой пластической деформации нагрузкой одного знака,то при перемене знака нагрузки обнаруживается понижение сопротивления начальным пластическим деформациям (эффект Баушингера). Возникшие при первичной деформации дислокации обуславливают появление в металле остаточных напряжений, которые складываясь с рабочими напряжениями при перемене знака нагрузки,вызывают снижение предела пропорциональности,упругости и текущести материала. С увеличением начальных пластических деформаций величина снижения механических характеристик увеличивается. Эффект Баушингера явно проявляется при незначительном начальном наклепе.Низкий отпуск наклепанных материалов ликвидирует все проявления эффекта Баушингера. Эффект значительно ослабляется при многократных циклических нагружениях материала с наличием малых пластических деформаций разного знака

2.1.5. Э ф ф е к т П о й н т и н г а .

Пойнтингом было установлено,что при закручивании стальных и медных проволок они не только закручиваются, но также упруго удлиняются и увеличиваются в объеме. Удлинение проволоки примерно пропорционально квадрату угла закручивания: при заданном значении угла удлинение пропорционально квадрату радиуса. Диаметр проволоки при закручивании уменьшается, величина радиального сжатия при этом пропорциональна квадрату угла закручивания. Эффект был открыт давно, и еще Пойнтингом было доказано,что удлинение при закручивании не связано с изменениями модуля ЮНГА -это позволяет предполагать,что свойства материала остаются без изменений.

Эффект Пойтинга нашел применение в машиностроении.

Пример тому А.с.546456: Способ демонтажа прессовых сое

динений деталей типа вал-втулка путем воздействия на

охватываемую деталь усилием выпрессовки, отличающийся

тем, что с целью снижения усилия выпресовки, например,

подшипников качения с вала, перед выпрессовкой,охваты

ваемую деталь,например,вал, скручивают.

Малая величина эффекта позволяет указать на возможность его применения в некоторых областях измерительной техники. Калиброванные изменения радиуса- это переменный калибр толщины: радиальное сжатие с одновременным удлинением -это изменение (хотя и малое,но надежно калибрированное) электросопротивления проволоки и т. д.

2.2 Передача энергии при ударах. Эффект Александрова.

Коэффициент передачи энергии от ударяющего тела к ударяющему зависит от отношения их масс-чем больше это отношение,тем больше передаваемая энергия. Поэтому в машинах ударного действия всегда старались учесть это соотношение, по крайней мере,до 1954 года,когда Е.В.Александровым было установлено, что с ростом соотношения масс коэффициент передачи растет лишь до определенного критического значения,определяемого свойствами и конфигурацией соударяющихся тел (удар упругий) При увеличении отношения масс соударяющихся тел сверх критического коэффициента передачи энергии определяется не реальным соотношением масс а критическим значением этого отношения.

Соответственно,коэффициент востановления определяется формой и массой соударяющихся тел и степенью рассеяния энергии. Очевидно,этот эффект обязательно должен учитываться при проектировании машин ударного действия. Наглядная иллюстрация к тому:

А.с.. 203557 Механизм для воздействия на твердое тело

ударной нагрузкой,содержит два или более соударяющихся

элементов,причем один из них является рабочим, непос

редственно воздействующим на твердое тело, отличающийся

тем,что в нем предусмотрено средство для создания перед

каждым соударением элементов дополнительного зазора в

системе "соударяющиеся элементы-твердое тело" и один

или несколько из соударяющихся элементов, за исключени

ем рабочего, выполнены из материала с меньшим модулем

упругости, чем материал элемента.

На основе открытия Александрова создан так называемый механический полупроводник,в котором передача энергии практически осуществляется только в одном направлении, независимо от жесткости опоры. На этой основе уже создан новый отбойный молоток,который в два раза легче серийного и обладает большой производительностью.Теоретически доказана возможность и целесообразность бурения на глубинах до 100 м без погружения бурильной машины в скважину.

А.с..447496: Наддолотный утяжелитель,состоящий из несо

единенных между собой свободно установленных на буриль

ной колонне грузовых трубчатых элементов, отличающихся

тем,что с целью усиления ударных нагрузок на доло

то,каждый вышележащий грузовой трубчатый элемент имеет

большую массу по сравнению с нижележащими.

2.3. Эффект радиационного распухания металла.

Как бы не пытались исправить деформированную деталь, она все равно вспомнит свойдефект,частично востановит прежнюю покоробленность.Виной тому внутреннее напряжение в материалах. Они существуют всегда.Отжиг ликвидирует их в металлах, но при остывании, которое идет не равномерно,внутренние напряжения хотя и ослабленные,появляются вновь.С помощью холодной правки идеально выгладить стальное изделие невозможно. Здесь на помощь может прийти радиоактивное излучение.

При облучении нейтроны врываются в недра металла и, сталкиваясь с ядрами ионов (или атомов) выбивают их из узлов кристалической решотки.Те,в свою очередь,ударяясь о другие ионы, либо остаются на месте,либо оставляют эти места свободными. Большая же часть ионов внедряется в междоузлия.Обрабатываемая часть изделия при этом увеличивает свой объем.

Так вот, если изогнутую деталь подвергнуть радиоактивному облучению с выгнутой стороны, то внедрившиеся частицы, расталкивая ионы и атомы кристаллической решотки, начнут разгибать деталь. Изменения кривизны можно контролировать обычным измерительным прибором,следить за ней постоянно во время правки и закончить процесс точно на "нуле". Причем править можно в сборе, на готовой машине.

Действие радиации легко расчитать. Известно,что максимальное изменение объема стали при нейтронном облучении составляет 0,3% . Например,если подвергнуть облучению только средний участок стальной детали длиной 1000мм и высотой 50мм ,то устраняется прогиб в 2,5мм.

Не металические и композиционные материалы при облучении изменяют свой объем еще сильней.Например,пластмассы - до 24% .

С помощью радиации мы не просто выпрямляем деталь, а перераспределяем внутренние напряжения до нового равновесного состояния массой внедрившихся частиц. Поэтому изделие самопроизвольно уже не разогнется. Этот способ защищен авторским свидетельством . 395147 (см.18.5.1)

2.4. С п л а в ы с п а м я т ь ю .

Некоторые сплавы металлов: титан-никель,золото-кадмий, медь-алюминий обладают "эффектом памяти". Если из такого сплава изготовить деталь,а затем ее деформировать,то после нагрева до определенной температуры деталь востанавливает в точности свою первоначальную форму. Из всех известных сейчас науке сплавов "с памятью" наиболее уникальны по спектру свойств сплавы из титана и никеля: сплавы ТН (за рубежом они известны под названием нитинол). Сплавы ТН развивают большие усилия при восстановлении своей формы.

Этим воспользовались в Институте металлургии им. А.А.Бойкова. После того, как нитинолу дадут "запомнить" слежную форму, изделие вновь превращается в плоский лист. На его поверхность наносят обычными приемами - с помощью проката, напыления, сварки взрывом или как-либо иначе слой любого другого металла или сплава.

Такой металлический слоеный пирог после нагревания вновь превращается в деталь сложной конфигурации. Таким способом можно, в принципе создавать многослойные изделия любой формы, которые обычными приемами сделать никак нельзя. ТН сплавы легко обрабатываются, из них изготавливают всевозможные изделия: листки, прутки, поковки. Кроме того, эти сплавы сравнительно экономичны, коррозионностойки, хорошо гасят вибрации. Из нитинола американцы сделали антенны для спутников. В момент запуска антенна свернута, занимает очень мало места. В космосе же нагретая солнечными лучами, она принимает сложнейшие формы, приданные ей еще на Земле.

При соединении полых деталей с каркасом заклепки из сплава ТН существенно упростят дело. Вставили заклепку "с памятью", нагрели ее, она "вспомнила", что уже была некогда расплющена, и приняла свою первоначальную форму. Сплавы "с памятью" открывают новые возможности в деле непосредственного преобразования тепловой энергии в механическую. Нагретую ТН-проволочку свернули в спираль. Охладили, подвесили гирькупружинка растянулась. Если теперь через проволочку пропустить электрический ток, пружинка нагреется и восстановит свою форму - гирька поползет вверх, выключаем ток - гирька вновь спускается и т.д. По сути дела - это искуственный мускул. На этом принципе можно делать двигатели нового типа, использующие даровую энергию Солнца.

Перспективы для сплавов "с памятью" самые заманчивые: тут и тепловая автоматика, быстродействующие датчики, термоупругие элементы, реле, приборы контроля, тепловые домкраты, напряженный железобетон и многое другое.

Л И Т Е Р А Т У Р А

- - - - - - - - -

К 2.1.1. М.И.Каганов, В.Д.Нацик, Электроны тормозят дислока

цию "Природа", 1976, н'5, стр.23-24: н'6, стр.131-139.

К 2.1.2. В.И.Спицын, О.А.Троицкий, Электропластическая дефор

мация металлов, "Природа", 1977.

К 2.1.3. Ю.Осипьян, И.Савченко, "Письма в ЖЭТФ, вып.7, н'4.

К 2.1.4. С.И.Ратнер, Ю.С.Данилов, Изменение пределов пропор

циональности и текущести при повторном нагружении,

"Заводская лаборатория", 1950, н'4.

Ф.Ходж Теория идеально пластических тел, М.. "ИЛ", 1956

К 2.4. И.И.Карнилов и др., Никелид титана и другие сплавы с

эффектом "памяти", "Наука", 1977.

3.1. Тепловое расширение вещества.

Все вещества (газы, жидкости, твердые тела) имеют атомно-молекулярную структуру. Атом, равно как и молекулы, во всем диапозоне температур находятся в непрерывном хаотическом движении, причем, чем выше температура обьема вещества, тем выше скорость перемещения отдельных атомов и молекул внутри этого обьема (в газах и жидкостях) или их колебания - в кристаллических решетках твердых тел. Поэтому с ростом температуры увеличивается среднее расстояние между атомами и молекулами, в результате чего газы, жидкости и твердые тела расширяются - при условии, что внешнее давление остается постоянным. Коэффиценты расширения различных газов близки между собой (около 0,0037 град в степени "-1"; для жидкостей они могут различаться на порядок (ртуть - 0,00018 град в степени "-1", глицерин - 0,0005 град в степени "-1", ацетон - 0,0014 град в степени "-1", эфир - 0,007 град в степени "-1"). Величина теплового расширения твердых тел определяется их строением. Структуры с плотной упаковкой (алмаз, платина, отдельные металлические сплавы) мало чувствительны к температуре, рыхлая, неплотная упаковка вещества способствует сильному расширению твердых тел (аллюминий, полиэтилен).

3.1.1. При температурном расширении или сжатии твердых тел развиваются огромные силы; это можно использовать в соответствующих технологических процессах.

Например, это свойство использовано в электрическом

домкрате для растяжения арматуры при изготовлении нап

ряженного железобетона. Принцип действия очень прост: к

растягиваемой арматуре прикрепляют стержень из металла

с подходящим коэффициентом термического расширения. За

тем его нагревают, током от сварочного трансформатора,

после чего стержень жестко закрепляют и убирают нагрев.

В результате охлаждения и сокращения линейных размеров

стержня развивается тянущее усилие порядка сотен тонн,

которое растягивает холодную арматуру до необходимой

величины.

Так как в этом домкрате работают молекулярные силы, он практически не может сломаться.

3.1.2. С помощью теплового расширения жидкости можно создать необходимые гидростатические давления.

А.с. н' 471140: Устройство для волочения металлов со

смазкой под давлением, содержащее установленные в кор

пусе рабочую и уплотнительную волоки, образующие между

собой и корпусом камеру (в которой находится смазка).

Ред.(и средства для создания высокого давления, ОТЛИЧА

ЮЩИЕСЯ тем, что с целью упрощения конструкции и повыше

ния производительности средство для создания в камере

высокого давления выполнено ввиде нагревательного эле

мента, расположенного внутри камеры.

3.1.3. Тепловое расширение может просто решить технические задачи, которые обыными средствами расширяются с большим трудом. Напрмер, для того чтобы ступица прочно охватывала вал, первую перед напрессовкой нагревают. После охлаждения надетой на вал ступицы силы термического сжатия делают этот узел практически монолитным. Но как после этого разобрать данное соединение? Механически - почти не возможно без риска испортить деталь. Но достаточно сделать вал из металла коэффицентом термического или, если это невозможно, ввести в сопрягаемое пространство прокладку из металла с меньшим терморасширением, как техническое противоречие исчезает.

Общеизыестные биметаллические пластинки - соединенные каким-либо способом две металлические полоски с различным терморасширением - являются отличным преобразователем тепловой энергии в механическую.

А.с. н 175190: Устройство для учета колличества наливов

металла в изложницу, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что с

целью автоматизации процесса учета,оно выполнено ввиде

корпуса,прикрепленного,к изложнице,в полости,которого

расположено счетное устройство, состоящее из трубки с

шариками и биметаллической пластинки, на конце которой

укреплен отсекатель,пропускающий при нагреве пластинки

шарик,падающий в накопительную емкость.

Использование эффекта различного расширения у различных металлов позволило создать т е п л о в о й д и о д .

А.с 518614: Тепловой диод,содержащий входной и выходной

теплопроводы,имеющие узел теплового контакта о т л и ч

а ю щ и й с я тем,что с целью упрощения конструкции,

узел теплового контакта выполнен по типу "вилка-розет

ка" и вилка выполнена в теле входного, а розетка в теле

выходного теплопроводов.

2.Диод по пункту 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что

входной теплопровод выполнен из материала с высоким ко

эффициентом линейного удлинения,например меди, а выход

ной - из материала с малым коэффициентом линейного уд

линения,например,инвара.

3.1.4. Тепловое расширение,как процесс обратимый и легко управляемый,применяется при проведении весьма филигранных работ, таких,как микроперемещение объектов,например,в поле зрения микроскопа или измерения с помощью тепловых электроизмерительных приборов.

Патент США 3569707 Устройство для измерения импульсного

излучения при помощи теплодатчиков.Энергия,поглащаемая

материалом,на который воздействует импульсное ядерное

излучение,измеряется путем детектирования теплового

расширения этого материала тензодатчиками.

3.2. Фазовые переходы.Агрегатные состояния веществ.

При фазовых переходах первого рода скачком изменяются плотность веществ и энергия тела; очевидно,при фазовых переходах первого рода в с е г д а выделяется или поглощается конечное количество тепловой энергии. При фазовых переходах второго рода плотность и энергия меняются непрерывно, а скачок испытывает такие величины, как теплоемкость,теплопроводность; фазовые переходы второго рода не сопровождаются поглощением или выделением энергии. Примером фазового перехода второго рода может служить переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние,переход форромагнетика в парамагнетик при точке Кюри,переупорядочение кристаллов сплавов и др.

Характерным примером фазового перехода первого рода может служить перход вещества из одного агрегатного состояния в другое.

В физике рассматривают четыре агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное и плазменное.

При переходах из одного агрегатного состояния в другое, как уже отмечено выше, обязательно выделяется или поглощается тепло. Переход от более упорядоченных структур к менее упорядоченным требуют притока тепла извне, при обратных переходах выделяется такое же колличество тепла, которое поглощается при прямом переходе. Отметим, что, как правило, переход из одного агрегатного состояния в другое обычно имеет место при постоянной температурк, таким образом, фазовый переход является источником Э или поглотителем тепла, работающим практически при постоянной температуре.

А.с.н 426030: Способ изолирования катушки индуктивности

в глубинном приборе путем заполнения диэлектриком каме

ры, в которой расположена катушка, отличающийся тем,

что с целью упрощения конструкции прибора и повышения

его эксплуатационной надежности, в качестве диэлектрика

используют вещество, температура плавления которого ни

же минимальной температуры в зоне измерения и выше тем

пературы корпуса прибора перед его спуском и в период

спуска в скважину.

Нередко изменения агрегатного состояния вещества позволяет очень просто решать до этого почти неразрешимые технические задачи. Например, как заполнить послойно емкость смешивающимися между собой жидкостями?

А.с.н 509275: Способ послойного заполнения емкости сме

шивающимися жидкостями путем последовательного анализа

их, отличающийся тем, что с целью упрощения процесса,

первую жидкость налитую в емкость, замораживают, следу

ющую жидкость наливают на верхний слой замороженной

жидкости, а затем последнюю размораживают.

При изменениях агрегатного состояния резко изменяются электрические характеристики вещества. Так,если металл в твердом или жидком виде-проводник,то пары металла-типичный диэлектрик. Это свойство остроумно использовано в патенте США

Прибор для измерения давления жидкого металла содержит

пробоотборную трубку типа трубки Вентури. Через участок

этой пробоотборной трубки пропускается регулируемый

электрический ток. При определенной величине тока, тем

пература взятой пробы жидкого металла возрастает до тех

пор,пока жидкий металл не перейдет в парообразное сос

тояние, в результате чего ток прерывается. Период вре

мени в течение которого через участок пробоотборной

трубки протекает ток,является функцией давления жидкого

металла в системе. Таким образом, период времени при

отборе пробы и подсчете импульсов тока вплоть до момен

та испарения определяется давлением жидкого металла в

системе.

3.2.1. Как отмечалось выше,перекристаллизация металла является фазовым переходом второго рода. В момент перекристаллизации возникает э ф ф е к т с в е р х п л а с т и чн о с т и металла.

В этот момент металл, ранее имевший прочную и сверхпрочную структуру,становится пластичным как глина.Но длится это явление считанные мгновения и протекает в очень узком,причем непостоянном интервале температур.Непосредственно подстеречь момент,когда начинается фазовое превращение, невозможно,но известно,что при перестройки кристаллической решотки металл начинает переходить из паромагнитного состояния в феромагнитное,что сопровождается резким изменением его магнитной проницаемости. Этим воспользовались авторы изобретения.

По А.С..207678 пусковое устройство пресса связано с

прибором улавливающим момент фазового перехода: заго

товку,нагретую до температуры чуть выше интервала фазо

вого превращения,кладут в матрицу пресса.Остывая металл

заготовки в момент перекристаллизации резко изменяет

свою магнитную проницаемость,что отмечается изменением

тока в измерительной обмотке прибора,который включает

пресс.

Чтобы продлить время сверхпластичности,датчик фазового превращения связывают нетолько с пусковым устройством прсса,но и с нагревательными элементами.Пилообразно гоняя заготовку вверх и вниз по всему интервалу температурфазового превращения,можно поддерживать состояние сверхпластичности сколь угодно долго. Ничто не мешает использовать датчики,которые реагировали бы на изменение других физических свойств обрабатываемого материала, например,электросопротивления,теплоемкости и т.д. Значит, принцип действия можно распространить и на немагнитные материалы. У сталей существует еще один фазовый переход,идущий при очень низких температурах (ниже минус 60 градусов С ), когда аустенит в стали переходит в мартенсит. И в этот момент наблюдается эффект сверхпластичности. Значит можно в принципе, отказаться от горячей штамповки, совместив процесс штамповки в сверхпластичном состоянии с закалкой стали в жидком азоте.

3.2.2. Интересно,что мартенсит имеет меньшую плотность, чем аустенит. Если к изогнутой деформацией части детали приложить хотя бы кусок "сухого льда",температура которого минус 67 градусов С,то обрабатываемый участок расширится, распрямив тем самым деталь. А поскольку фазовый переход необратим, то самопроизвольного востановления кривизны в дальнейшем не произойдет.Превращение десяти процентов аустинита в мартенсит вызывает увеличение 100 миллиметрового диаметра изделия на 130 микрометров,а переход 40% аустенита в мартесит -400 микрометров. К плюсам нового метранадо добавитьеще один: выдержка при низкой температуре в течение 5 минут и 5 часов дает практически одинаковые результаты.Ну, и конечно, обработку изогнутых деталей холодом, как и радиацией,можно вести в собранной,готовой машине (сравни с 2.3).

На этот способ выдано авторское свидетельство .414027.

Изменяется плотность при фазовых переходах и у других веществ (например у воды и олова),что позволяет использовать их для получения высоких давлений.

Прифазовых переходах второго рода также наблюдаются интересные изменения макроскопических свойств объектов(см.8.8)

У хрома есть любопытная температурная точка 37 градусов С, в котором он претерпевает фазовый переход,при этом у него скачком изменяется модуль упругости. На этом свойстве основан ряд изобретений.

А.С.266471: Двигатель,содержащий деформируемые при из

менении температуры рабочего тела упругие элементы, ки

нематически связанные с механизмом отбора мощности, от

личающийся тем,что с целью получения полезной работы

при малых перепадах температур рабочего тела,упругие

элементы выполнены предварительно напряженными и изго

товлены из материала со скачкообразно изменяющимся при

определенной температуре модулем упругости,например,

изчистого хрома.

В А.С. .263209 чувствительным элементом термометра яв

ляется пружина из чистого хрома.

3.3. Поверхностное натяжение жидкостей.Капилярность.

Любая жидкость ограничена поверхностями раздела отделяющими ее от какой-либо другой среды-вакуума,газа,твердого тела,другой жидкости.Энергия поверхностных молекул жидкости отлична от энергии молекул внутри жидкости именно всилу того, что те и другие имеют различных соседей - у внутренних молекул все соседи одинаковы, у поверхностных - такие же молекулы расположены только с одной стороны. Поверхностные молекулы при заданной температуре имеют определенную энергию;перевод этих молекул внутрь жидкости приведет к тому,что их энергия изменится (без изменения общей энергии жидкости).

3.3.1. Разность этих энергий носит название п о в е р х н о с т н о й э н е р г и и.

Поверхностная энергия пропорциональна числу поверхностных молекул (т.е.площади поверхности раздела) и зависит от параметров соприкасающихся сред; эта зависимость обычно характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения.

Наличие поверхностной энергии вызывает появление сил поверхностного нажатия,стремящихся сократить поверхность раздела. Такое стремление есть следствие общего физического закона,согласно которому любая система стремится свести свою потенциальную энергию к минимуму.Жидкость,находящаяся в невисомости,будет принимать форму шара,поскольку поверхность шара минимальна среди всех поверхностей, ограничивающих заданый объем.

Конечно,поверхностные силы существуют и в твердых телах, но относительная малость этих сил не позволяет им изменить форму тела,хотя при определенных условиях поверхностные силы могут привести к сглаживанию ребер кристаллов.

3.3.2. При контакте жидкости с твердой поверхностью говорят о с м а ч и в а н и и. В зависимости от числа фаз участвующих в смачивании,различают имерсионное смачивание(смачивание при полном погружении твердого тела в жидкость),в котором участвуют только две фазы,и контактное смачивание ,в котором наряду с жидкостью с твердым телом контактирует третья фаза - газ или другая жидкость. Характер смачивания определяется прежде всего физико-химическими воздействиями на поверхности раздела фаз,которые участвуют в смачивании.

При контактном смачивании свободная поверхность жидкости около твердой поверхности (или около другой жидкости) искривлена и называется мениском Линия,по которой мениск пересекается с твердым телом (или жидкостью),называется периметром смачивания.Явление контактного смачивания характеризуется краевым углом между смоченой поверхностью твердого тела(жидкости) и мениском в точках их пересечения (периметром смачивания) В зависимости от свойств соприкасающихся поверхностей происходит смачивание (вогнутый мениск) или несмачивание (выпуклый мениск) поверхности жидкостью.

Автоматический дозатор из одной детали.Такой деталью

служит перфорированная фторопластовая пленка. В этой

пленке всегда задерживается одинаковый по высоте стол

бик жидкости. Фторопласт практически не смачивается

поэтому скорость истечения через отверстие зависит

только от давления. Кроме отбора проб жидкости из пото

ка , такой дозатор может служить для измерения коэффи

циента поверхностного натяжения (ИР-6.5,С.33)

3.3.3. При растекании жидкости по ее собственному монослою адсорбированному на высокоэнергетической поверхности наблюдается э ф ф е к т а в т о ф о б н о с т и.

Эффект заключается в том,что при контакте жидкости, имеющей низкое поверхностное натяжение , с высокоэнергетическими материалами, происходит вначале полное смачивание, а затем,через некоторый промежуток времени , условия полного смачивания перестают выполняться. В результате изменится направление движения периметра смачивания - жидкая пленка начинает собираться в каплю (или несколько капель) с конечным краевым углом.На ранее смоченных участках твердого тела остается прочно фиксированный монослой молекул жидкости. Эффект используется для нанесения монослойных покрытий на твердые материалы.

3.3.4. К а п и л я р н о е д а в л е н и е - появляется из-за искривления поверхности жидкости в капиляре.Для выпуклой поверхности давление положительно, для вогнутой - отрицательно. Эффект определяет движение жидкостей в порах,влияет на кипение и конденсацию.

К а п и л я р н о е и с п а р е н и е - увеличение испарения жидкости вследствие понижения давления насыщенного пара над выпуклой поверхностью жидкости в капиляре; используется для облегчения кипения путем изготовления шероховатых поверхностей.

К а п и л я р н а я к о н д е н с а ц и я - увеличение конденсации жидкости вследствие понижения давления насыщенного пара над вогнутой поверхностью жидкости в капиляре. Пар может конденсироваться притемпературе выше точки кипения.

Используется для осушки газов, в хроматографии.

Течение жидкости в капилярах а также в полуоткрытых каналах,например, в микротрещинах и царапинах.

А.С 279583. Распределитель жидкости,например, в колон

нах с насадкой состоящей из перфорированной плиты с ук

репленной на ней трубкой для подачи жидкости,отличаю

щийся тем,что с целью равномерного распределения

жидкости при малых расходах,трубки выполнены ввиде ка

пиляров,нижние концы имеют косые срезы.

А.С..225284 Солнечный концентратор для термоэлектроге

нератора отличающийся тем,что с целью сохранения высо

кого коэффициента отражения в течение всего времени ра

боты,егоотражающая поверхность выполнена ввиде сотовой

пористой или капилярной структуры,заполненной расходуе

мым металлом или сплавом, поступающим благодаря капи

лярным силам с тыльной стороны концентратора.

3.3.5. Эффект капилярного подъема (опускания) -возникает из-за различия давлений над и под поверхностью жидкости в капилярном канале.Связь между характером смачивания и капилярным давлением оказывает большое влияние на возможность проникновения жидкостей в поры и на их вытеснениеиз пор,что в свою очередь играет важную роль в процессах пропитки,фильтрации,сушки и т.д.

3.3.6. Открытие .109: У л ь т р а з в у к о в о й

к а п и л я р н ы й э ф ф е к т - увеличение скорости и высоты подъема жидкости в капилярах при непосредственном воздействии ультразвука в десятки раз. Этот эффект реализован в А.С.315224 "Способ ультразвуковой пропитки пористых материаловв" в А.он применен для резкого повышения эффективности тепловой трубы,для чего в зоне конденсации тепловой трубы прикрепили через акустический концентратор излучатель магнитострикционного типа, соединенный с генератором ультразвуковой частоты. Ультразвук, воздействуя на пористый фитиль,способствует быстрейшему возврату конденсата в зону испарения.При этом величина максимального удельного теплового потока вырастает на порядок .

3.3.7. Т е р м о к а п и л я р н ы й э ф ф е к т - зависимость скорости растекания жидкости от неравномерности нагрева жидкого слоя.Эффект объясняется тем,что поверхностное натяжение жидкости уменьшается при повышении температуры. Поэтому приразличии температур в разных участках жидкого слоя возникает движущая сила растекания,которая пропорциональна градиену поверхностного натяжения жидкости.В результате возникает поток жидкости в смачивающей пленке.Влияние неравномерного нагрева различно для чистых жидкостей и растворов (например,поверхностноактивных). У чистых жидкостей перетекание происходит от холодной зоны к горячей. При испарении ПАВ, уменьшающих поверхностное натяжение,жидкость начинает перетекать от горячей зоны к холодной. В общем случае движение жидкости определяется тем,что как изменяется поверхностное натяжение в зоне нагрева от температуры и испарения какого либо компонента.

3.3.8. Э л е к т р о к а п и л я р н ы й э ф ф е к т -зависимость поверхностного натяжения на границе раздла твердых и жидких электродов с растворами электролитов или расплавами ионных соединений от элетрического потенциала. Эта зависимость обусловлена образованием двойного электрического слоя на границе раздела фаз. Изменением потенциала можно осуществить инверсию смачивания - переход от несмачивания к смачиванию и наоборот.

3.3.9. К а п и л я р н ы й п о л у п р о в о д н и к. Капиляры обладают способностью избирательной проницаемости. Шейки пор капиляров затрудняют движение только смачивающей жидкости и способствуют продвижению несмачивающей (биологические мембраны).

3.4. Сорбция.

Как уже отмечалось в предыдущем параграфе, любая поверхность, вещества обладает свободной энергией поверхности (СЭП).

Все поверхностные явления сводятся к взаимодействию атомов и молекул,которые происходят в двумерном пространстве при непосредственном участии СЭП. Любую твердую поверхность можно представить себе как "универсальный магнит", притягивающий любые частицы, оказавшиеся поблизости. Отсюда вывод: поверхность любого твердого тела обязательно "загрязнена" молекулами воздуха и воды. Опыт показывает ,что чем выше степень дисперсности данного тела, тем больше количество частиц другого тела оно поможет поглотить своей поверхностью.Процесс самопроизвольного"сгущения" растворенного или парообразного вещества (газа) на поверхности твердого тела или жидкости носит название с о р б ц и и . Поглащоющее вещество называется с о р б е н т о м , а поглощаемое с о р б т и в о м .

Процесс , обратный сорбции называется д е с о р б ц и е й. В зависимости от того насколько глубоко проникают частицы на адсорцию,когода вещество поглощается на поверхности тела, и абсорцию,когда вещество поглощается всем объемом тела. В зависимости от характера взаимодействия частиц сорбента и сорбтива, сорбция физическая (взаимодействие обусловлено силами когезии и адгезии т.е. силами Ван-дер-Ваальса) и химическая,или ее еще называют, хемосорбция;

3.4.1. Особое положение занимает сорбционный процесс, называемый к а п и л л я р н о й к о н д е н с а ц и е й.

Сущность этого процесса заключается не только в поглощении, но и в конденсации твердым пористым сорбентом, например, активизированным углем газов и паров.

Из всех перечисленных выше сорбционных явлений наибольшее значение для практики имеет адсорбция. Чем менее энергетичны молекулы, тем легче они адсорбируются на твердой поверхности. С уменьшением температуры адсорбата (газа) адсорбация увеличивается, а с увеличением температуры уменьшается.

При адсорбации молекулы газа, сталкиваясь с поверхностью прекращают движение. Значит: они теряют энергию, а "лишняя" энергия должна выделяться. Вот почему при физической адсорбации выделяется тепло. Причем: последний процесс, если он идет в закрытом обьеме, сопровождается понижением давления газа. При десорбации же давление газа - сорбтива увеличивается, при этом идет поглощение энергии. Это свойство используют в некоторых теплосиловых установках.

А.с. Н 224743: Двухфазное рабочее тело для компрессора

теплосиловых установок, состоящее из газа и мелких час

тиц твердого тела, отличающееся тем, что с целью допол

нительного сжатия газа в холодильнике и компрессоре и

дополнительного расширения в нагревателе в качестве

твердой фазы использованы сорбенты с общей или избира

тельной поглотительной способностью.

Очень интересные явления и эффекты происходят при адсорбции на поверхности полупроводников.

3.4.2. Ф о т о а д с о р б ц и о н н ы й э ф ф е к т

Это зависимость адсорбционной способности адсорбента - полупроводника от освещения. При этом эта способность может увеличиваться положительный и уменьшаться (отрицательный фотоадсорбционный эффект). Эффект можно использовать, например, для регулирования давления в замкнутом обьеме.

3.4.3. Влияние э л е к т р и ч е с к о г о п о л я на а д с о р б а ц и ю. Это зависимость адсорбционной способности от величины приложенного электрического поля. Влияет на фотоадсорбционный эффект. Поле прилагают перпендикулярно поверхности полупроводника - адсорбента.

3.4.4. А д с о р б л ю м и н е с ц е н ц и я

Это люминесценция, возбуждаемая не светом, а самим актом адсорбции. Свечение длится до тех пор, пока идет процесс адсорбции, и погасает, коль скоро адсорбция прекращается. Яркость свечения пропорциональна скорости адсорбции. Цвет свечения при адсорблюминисценции, как правило, тот же, что и при фотолюминесценции, т.е. определяется природой активатора, введенного в полупроводник, и вовсе не зависит от природы адсорбируемого газа. Адсорболюминесцеция является одним из видов х е м о л ю м и н е с ц е н ц и и (15.4).

3.4.5. Р а д и к а л о - р е к о м б и н а ц и о н н ая

л ю м и н е с ц е н ц и я (Р-РЛ).

На поверхности полупроводника могут рекомбинировать приходящие из газовой фазы радикалы, напрмер, атомы водорода. При этом происходит свечение полупроводника, которое длится до тех пор, пока на поверхности идет реакция рекомбинации. При Р-РЛ, как и при адсорболюминесцеции, испускаются те же частоты, что и при фотолюминесценции. Они образуют полосу, которую называют обычно основной полосой. Следовательно, цвет обминесценции меняется при смене активатора, не зависит от природы активатора, но меняется при смене газа, участвующего в реакции.(например, при замене водорода кислородом). Обе полосы в известной мере накладываются друг на друга.

Мы видим на примерах адсорболюминесценции и радикалорекомбинационной люминесценции, как электронные процессы в полупроводнике оказываются связанными с химическими процессами, протекающими на его поверхности.

В результате адсорбции поверхность полупроводника заряжается. При адсорбции акцепторов она заряжается отрицательно, а доноров - положительно.

3.4.6. А д с о р б ц и о н н а я э м и с с и я.

Работа выхода электрона может изменяться под действием адсорбции. Это зависит от того, заряжается ли поверхность при адсорбции положительно или отрицательно, т.е. от природы адсорбируемого газа. В первом случае работа выхода снижается, во втором - возрастает. По тому, как она изменяется, часто можно судить о составе газовой фазы. Давление газовой фазы также влияет на работу выхода.

3.4.7. В л и я н и е а д с о р б ц и и н а

э л е к т р о п р о в о н о с т ь п о л у п р о

в о д н и к а.

Электропроводность поверхности полупроводника монотонно изменяется по мере хода адсорбции, но не достигает некоторого постоянного значения. Часто за процессом можно следить по изменению электропроводности. Адсорбция вызывает увеличение или уменьшение электропроводности полупроводника в зависимости от того, какой газ (акцепторный или донорный) адсорбируется и на каком полупроводнике (электронном или дырочном).

Напрмер, кристаллы двуокиси олова изменяют свою прово

димость в присутствии водорода, окиси углерода, метана,

бутана, пропана, паров бензина, ацетона, спирта. Нагре

вание кристалла изменяет величину этого эффекта. Это

колличественное различие может быть зафиксировано чувс

твительным прибором. Можно представить себе аппарат, в

котором изменение электрических свойств кристалла при

появлении в воздухе искомого вещества дает импульс сиг

нальному устройству отградуированному определенным об

разом в зависимости от назначения.

3.5. Диффузия.

Если состав газовой смеси или жидкости не однороден, то тепловое движение молекул рано или поздно приводит к выравниванию концентрации каждой компоненты во всем обьеме. Такой процесс называется диффузия. при протекании процесса диффузии всегда имеются так называемые диффузионные потоки вещества, величина и скорость которых определяется свойствами среды и градиентов, концентрации. Скорость диффузии в газах увеличивается с понижением давления и ростом температуры. Увеличение температуры вызывает ускорение диффузионных потоков в жидкостях и твердых телах. Кроме градиента концентрации, возникновению диффузионных потоков приводит наличие температурных градиентов в веществе (термодиффузия). Перепад температур в однородной по составу смеси вызывает появление разности концентрации между областями с различной температурой, при этом в газах более легкая компонента газовой смеси скапливается в области с более низкой температурой. Таким образом, явление термодиффузии можно использовать для разделения газовых смесей; этот метод весьма ценен для разделения изотопов.

3.5.1. При диффузионном перемещении двух газов, находящихся при одинаковой температуре, наблюдается явление, обратное термодиффузии: в смеси возникает разность температур - эффект Д ю ф о р а . При диффузионном смешивании газов, составлящих воздух возникающая разность температур составляет несколько градусов.

Явление диффузии молекул в струю пара лежит в основе работы диффузионных вакуумных насосах (пароструйные насосы); термодиффузия паров метилового спирта обеспечивает возможность надежной работы так называемых диффузионных камер приборов для наблюдения ионизирующих частиц.

Диффузия в твердых сплавах со временем приводит к однородности сплава. Для ускорения диффузии применяется длительный нагрев сплава (отжиг); уничтожение внутренних напряжений при отжиге металла также есть следствие процессов диффузии и их ускорения при повышении температуры.

Создание больших концентраций газа на границе с металлом при создании условий, обеспечивающих некоторое "разрыхление" поверхностного слоя металла, приводит к диффузии газа внутрь металла; диффузия азота в металлы лежит в основе процесса азотирования. Диффузионное насыщение поверхностных слоев металла различными элементами позволяет получать самые различные свойства поверхностей, необходимые в практике. Фактически процессы цементации, алитирования, фосфатирования есть процессы диффузии углерода, аллюминия, фосфора внутрь структуры металла. Скорость диффузии при этом легко регулируется с помощью различных режимов термообработки.

А.с Н 461774: Способ производства изделий из низкоуле

родистых сталей путем отжига заготовки и холодного вы

давливания отличающийся тем, что с целью улучшения ус

ловий выдавливания, перед отжигом заготовку подвергают

термодиффузионной обработке, преимущественно цемента

ции.

3.6. О с м о с.

Осмосом обычно называют диффузию какого-либо вещества через полупроницаемую перегородку. Основное требование к полупроницаемым перегородкам - обеспечение невозможности противодиффузий. Так, если два раствора разной концентрации разделить перегородкой, задерживающей молекулы растворенного вещества, но пропускающего молекулы растворителя, то растворитель будет переходить в концентрированный раствор, рабавляя его и создавая там избыток давления, называемый обычно осмотическим давлением. Питание ратений водой, явление диализа, явление гиперфильтрации, наконец, обычное набухание - все это типично осмотические эффекты.Величина осмотического давления клеток многих растений состовляет 5-10 ат, а осмотическое давление крови человека доходит почти до 8 атм.

Энергию осмотического давления предложили использовать авторы английского п а т е н т а Н 1343891 : "Способ генерации механической энергии и устройство реализующее этот способ. Конструкция по патенту Н1343891 представляет собой открытую сверху трубу, погруженную в замкнутую полость, куда налита вода. Трубка сделана из прочного металла, в ней насверлено множество мелких отверстий, закрытых полунепроницаемой оболочкой, например, из ацетатцеллюлозы. Труба заполнена концентрированным рассолом и в нее начинает просачиваться вода, т.е. происходит осмос. Создается повышеное давление, поднимающее плунжер, связанный с массивным подпруженным поршнем. Поршень сжимает в цилиндре воздух. Можно создать давление до трех тысяч атмосфер. Сжатый воздух можно использовать для вращения воздушной турбины. Изобретатели утверждают, что их "осмотический двигатель", состоящий из нескольких плунжеров и поршней, будет генерировать мощность достаточную для движения автомобиля.

Теория осмотических явлений описывается в курсах термодинамики и статистической физики. Огромна роль осмотических явлений в работе кровеносных систем человека и животных.

3.6.1. Осмос можно усилить (или ослабить) применяя электрические поля. Направленное движение раствора относительно поверхности твердого тела под действием электрического поля носит название электросмоса, являющегося одной из разновидностей электрокинетических явлений (см.12.1).

Липкая масса из смеси влажных грунтов с песком и остат

ками угля на дне вагонеток почти не поддается очистке

даже специальными машинами. Специалисты Новомосковского

института предложили использовать для очистки электро

осмос под воздействием на вагонетку с породой внешнего

электрического поля между ее стенками и грузом (при

движении воды относительно твердой горной массы) созда

ется тончайшая водяная пленка. Такой "прокладке" доста

точно, чтобы налипшая порода легко отделилась от корпу

са вагонетки.

А.с. н 240825: Способ сушки изоляции кабелейц в шахтах

электросетях с изолированной нейтралью, отличающейся

тем, что с целью упрощения процесса токоведущие жилы

кабелей подсоединяют к положительному полюсу источника

постоянного тока, отрицательный полюс которого соединя

ют с землей для осуществления сушки за счет использова

ния явления электросмоса.

3.6.2. Явление обратного осмоса применено (США) для получения питьевой воды из сильно загрязненной или соленой (гипельфильтрации). Непосредственно явление обратного осмоса происходит на границе вода - синтетическое волокно: внутрь волокна проходит только вода, оставляя за бортом соли и грязь. Сама установка состоит из многих миллионов волокон, собранных в жгут и помещенных в стальной цилиндр в который подается "грязная" вода под давлением. Предусмотрен отдельный отбор чистой воды и насыщенного раствора.

Над проектом электростанции, использующей силы осмотического давления, работают сейчас ученые.Принцип действия такой электростанции прост. Трубу с полупроницаемой мембраной опускют в море. На глубине около 230 метров столб воды создает такой перепад давления на мембране, что она начинает работать как опреснитель. Соленая вода тяжелее пресной примерно на два с половиной процента. Чтобы пресная вода поднялась до уровня моря и стала переливаться через край трубы, трубу необходимо опустить на глубину 8750. Переливающаяся вода может вращать турбину.

3.7. Т е п л о м а с с о о б м е н.

Известны три основных механизма теплообмена - конвекция, излучение и теплопроводность, в которой участвуют движущиеся или неподвижные молекулы вещества совершающие тепловые колебания. Передача тепла может сопровождаться перемещением массы или

Очень широко используется при сушке,которая применяется в различных областях техники и технологии. наиболее эффективно процесс сушки идет в колонных аппаратах со встречными потоками: сверху свободно падает вещество, подвергаемое сушке ,а снизу встречным потоком поступает нагретый газ.

В донной же части аппарата подсушенное вещество интенсивно досушивется в ,так называемом "кипящем слое". "Кипящий слой" представляет собой "псевдожидкость" - взвесь твердых частиц, пляшущих в потоках газа, поступающего снизу.

Причем псевдожидкость обладает удивительными теплотехническими свойствамитвердые частицы в ней бурно перемешиваются и великолепно переносят тепло, во много раз лучше , чем такой известный проводник ,как медь.

Псевдожидкость, смачивающая какую-нибудь деталь со скромной скоростью 1м/сек, осуществляет теплообмен столь эффективно,ка чистый газ движущийся со сверхзвуковой скоростью.

Псевдожижжение с равным успехом можно использовать как для передачи тепла, так и для "передачи" холода.

Применение псевдожидкости в печах для высокотемпературного нагрева металла позволит резко уменьшить расход топлива. Существует традиционная система нагрева - через газообразные продукты сгорания к металлу. А газ скорее можно назвать изолятором, чем проводником тепла: коэффициент, характеризующий его способность передавать тепло,равен 200, в то время, как у жидких металлов или расплавов солей этот коэффициент равен 20 000. Намного эффективнее теплообмен осуществляется в кипящей псевдожидкости: сжигаемый газ первоначально отдает тепло песку , а тот, перемешиваясь потоками газа, отдает тепло металлу. Хотя сам песок получает тепло все от того же теплоизолятора газа, однако суммарная поверхность песчинок огромна, и в значительной мере благодаря этому они отбирают у пламени во много раз больше тепла, чем сумела бы отнять нагреваемая заготовка.

3.7.1 Среди новых теплообменных систем важное место занимают т е п л о в ы е т р у б ы. Один из простых вариантов тепловой трубы- это закрытый металлический цилиндр; его внутренние стенки выложены слоем пористо-капилярного материала, пропитанного легковоспламеняющейся жидкостью. Именно с движением этой жидкости связана теплопроводность трубы : на горячем конце жидкость испаряется и отбирает тепло; пары сами перемещаются к холодному концу - это нормальная конвекция; здесь пары конденсируются и отдают тепло; образовавшиеся жидкость по пористому материалу возвращается обратно,к горячему концу трубы. Это замкнутый цикл, бесконечный круговорот тела и массы никаких движущихся частей, в каком-то смысле машина вечная. Тепловые трубы - непревзойденные проводники тепла, их даже назвали сверхпроводниками. Действительно, через тепловую трубу диаметром в сантиметр можно прогнать тепловую мощность порядка 10 киловатт при разности температур на концах трубы (это аналог разности электрических потенциалов напряжения на участке цепи ) всего в 5 гр. С ; чтобы пропустить эту мощность через медный стержень такого же диаметра на его концах нужен был бы перепад температуры почти 150 000 гр. С .

Тепловые трубы сейчас получили широкое применение. Их можно встретить в космической технике, в ядерных реакторах, криогенных хирургических инструментах, в системах охлаждения двигателей. В трубах может выполняться механическая работа за счет энергии движущегося теплоносителя. На их основе, например, создаются МТД-генераторы - теплоносителем в тепловой трубе может быть жидкий металл, и, если поместить трубу в магнитное поле, то в металле (на концах проводника ) наведется электродвижущая сила. Тепловые трубы могут работать в очень широком диапазоне температур. Все зависит от давления внутритрубы и от применяемого теплоносителя.

3.8 Молекулярные цеолитовые сита.

Цеолты являются кристалическими водными алюмосиликатами, они относятся к группе каркасных алюмосиликатов. Каркасы цеолитов содержат каналы и сообщающиеся между собой полости, в которых находятся катионы и молекулы воды. Катионы довольно подвижны и обычно могут в той или иной степени обмениваться на другие катионы.

А.с. N 561233 Полирующий состав для обработки,например, полупроводниковых материалов, содержащий кристалический порошок, окислитель, например, перекись водорода и воду, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности процесса полирования, он дополнительно содержит вещество,для катионного обмена, например азотнокислую медь или углекислый аммонит , а в качестве кристаллического порошка взяты алюмосиликаты, например,цеолиты.

Каркасы цеолитов похожи на пчелиные соты и образованы из цепочек анионитов кремния и алюминия. Из-за своего строения каркас имеет отрицательный заряд и этот заряд компенсируется катионами щелочных или щелочноземельных металлов, находящихся в полостях-сотах. Тип цеолита (диаметр его пор ) определяется соотношением кремния и алюминия и типом катионов. Главным образом это вода. Она удаляется при нагревании до 600-800 гр. С, сам каркас при этом не разрушается, он сохраняет первоначальную структуру. Именно поэтому цеолит способен вновь поглащать потерянную воду и другие вещества. Размером пор определяется и размер частиц, способных в них проникать; цеолиты могут как бы просеивать молекулы, сортировать их по размерам. Кроме того они используются как адсорбенты, они в 10-100 раз эффективнее , чем все другие осушители и работают при различных температурах. При -196 гр. С адсорбационная способность цеолитов резко повышается. Они поглощают даже воздух, создавая в сосуде разряжение до 1.0е- мм рт.ст. Цеолиты используют как ионообменники, не разрушающиеся под действием излучения. В качестве катализаторов устойчивы к действию высоких температур,каталических ядов, позволяют гибко менять свойства.

А.с. N 550372 : Способ получения пентенов путем контактирования 1,3 пентадиенов с твердым окисным катализатором при 300-500 гр. С , отличающийся тем, что с целью повышения выхода целевого продукта, в качестве катализатора используют композицию аморфного алюмосиликата с силлиманитом.

Размер ячеек цеолита сохраняется практически постоянным в широком диапазоне температур т.к. коэффициент расширения полностью гидратированного цеолита близок к коэффициенту терморасширения кварца: соответственно 6.91 и 5.21 .

3.8.1 Чистые цеолиты бесцветны. Если катионы щелочных или щелочноземельных металлов , обычно присутствующие в синтетических цеолитах , обменять на ионы переходных металлов, цеолиты могут приобрести окраску. Если окраска индивидуального иона зависит от того , находится он в гидратизированном или безводном состоянии, окраска цеолита будет меняться со степенью гидратации. Так, бесцветный цеолит А-А окрашивается в глубокий желто-красный цвет, а затем в ярко-канареечный. Такой переход окраски наблюдается при изменении парциального давления воды над цеолитом от 3.10 мм рт.ст. до 5.10 мм рт.ст. Окрашенная в сиреневый цвет никелевая форма цеолита при дегидротации становится светло-зеленой, розовая кобальтовая форма-синей.

С п о с о б н о с т ь ц е о л и т о в м е н я т ь ц в е т в п р и с у т с т в и и п а р о в в о д ы и с п о л ь з у е т с я д л я е е о п р е д е л е н и я .

Цеолиты имеют очень интересные диэлектрические и электропроводные свойства.

ЛИТЕРАТУРА

к 3.2 Б.Г.Гейликман, Статистическая физика фазовых переходов,

т.1.М.,"наука",1954. к 3.3 О.С.кондо,"Молекулярная теория поверхностного натяжения

в жидкостях",М.,"мир",1963.

Б.Д.Суми,Ю.В.Горюнов,"Физико-химические основы смачива

ния и растекания,М.,"Химия",1976. к 3.4 Ф.Ф.Волькштейн,"Полупроводники как катализаторы химиче

ских реакций",М.,"Знание",1974

(Новое в жизни,науке,технике. Серия "Химия",11).

Ф.Ф.Волькштейн,"Радикало-рекомбинационная люминесценция

полупроводников",М.,"Наука",1976

Н.К.Адам,"физика и химия поверхностей",М.,1947.

В.А.Пчелин,"В мире двух измерений",

журнал "Химия и жизнь", 1976,6,стр.9-15. к 3.5 С.Р.де Грот,Термодинамика необратимых процессов

М.,1956,Физическое металловедение, вып.2.М.,"мир",1968

В.Зайт, "Диффузия в металлах",М.1958.

Я.Е.Гегузин,"Очерки о диффузиях в кристаллах",

М.,"Наука",1974 к 3.7 Л.Л.Васильев,С.В.Конев,Теплопередающие трубки,Минск,

"Наука и техника",1972. к 3.8 Д.Брек,"Цеолитовые молекулярные сита",М."Мир",1976.

4.1.2. Закон Паскаля

Давление,производимое внешними силами на поверхность жидкости или газа,передается по всем направлениям без изменений.Такая передача давления происходит вследствии возможности молекул жидкости или газа свободно перемещаться относительно друг друга.

Напомним, что это движение полностью хаотично, и, следовательно, в отсутствии силы тяжести или в состоянии невесомости давление во всех точках жидкости согласно закону Паскаля будет одинаковым.

Соответственно, поэтому и "не работает" закон Архимеда в этих условиях. На основе закона Паскаля работают гидравлические прессы и под'емники, некоторые вакууметры различного рода гидро- и пневмо- усилители.

4.2 Течение жидкости и газа.

4.2.1 ЛАМИНАРНОСТЬ И ТУРБУЛЕНТНОСТЬ.

Упорядоченное движение вязкой жидкости ( или газа ) без междуслойного перемешивания называется ламинарным течением. При увеличении скорости потока возникающие в жидкости ( или газе ) случайные возмущения приводят к образованию хаотического турбулентного движения, при котором частицы жидкости ( или газа ) совершают неустановившиеся беспорядочные движения по сложным траекториям, в результате чего происходит интенсивное перемешивание жидкости ( или газа ). При ламинарном течении жидкости ( или газа ) передача импульса от слоя к слою происходит за счет молекулярного механизма ( вязкость ) , поэтому скорость потока жидкости ( или газа ) в трубе плавно убывает от центра трубы к стенкам. При турбулентном потоке скорость почти постоянна по сечению трубы, резко убывая на самой границе жидкости ( или газа ) со стенкой трубы.

А.С. N 508262 : Спосоп диспергирования нитевидных кристаллов путем перемешивания кристалической массы в вязкой жидкости, отличающийся тем, что с целью уменьшения процениа поломки кристаллов и времени процесса, перемешивание ведут в режиме ламинарного течения жидкости с вихрями Тейлора в коаксиальном зазоре гладкоствольного роторного аппарата.

А.С. N 523277 : Способ контроля шероховатости с помощью сопла, самоустанавливающегося по контролируемой поверхности, основанной на измерении давления жидкости при турбулентном режиме течения в зазоре между соплом и контролируемой поверхностью, отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности и точности контроля, сначала создают ламинарный режим течения в зазаоре, а затем фиксируют положение сопла и увеличивают расход газа или жидкости до достижения турбулентного режима течения.

4.2.2 ЗАКОН БЕРНУЛЛИ.

для ламинарного режима течения справедлив закон Бернулли, согласно которому полное давление в установившемся потоке жидкости остается постоянным вдоль этого потока. Полное давление состоит из весового, статического и динамического давления. Из закона Бернулли следует, что при уменьшении сечения потока , из-за возрастания скорости, т.е. динамического давления, статическое давление падает. Закон Бернулли справедлив и для ламинарных потоков газа. Явление понижения давления при увеличении скорости потока лежит в основе работы различного рода расходомеров, водо и пароструйных насосов. Отметим , что закон Бернулли справедлив в чистом виде только для жидкостей, вязкость которых равна нулю, т.е. таких жидкостей, которые не прилипают к поверхности трубы. На самом деле экспериментально установлено, что скорость жидкости на поверхности твердого тела всегда в точности равна нулю. Именно поэтому на поверхностях , находящихся в потоке жидкости, всегда образуются какие-то наросты, осаждения; этим же об'ясняется и тот факт, что на лопастях крутящегося вентилятора всегда появляется слой пыли.

Патент США N 3811323 : в измерителе потока жидкости турбинного типа отсутствие осевого давления на подшипники ротора достигнуто увеличением эффективной площади сечения потока на участке, что обеспечивает возникновение эффекта Бернулли, под влиянием чего на ротор воздействует усилие на участке, расположенном относительно ротора выше по течению потока.

А.С. N 437846 : Способ определения производительности центробежного вентилятора с осевым направляющим аппаратом по перепаду статических давлений в двух сечениях, расположенных до и после направляющего аппарата, отличающийся тем , что с целью повышения точности измерения и обеспечения возможности определения производительности при произвольном угле поворота лопаток направляющего аппарата , последние устанавливают на угол, равный нулю, и замеряют статическое давление в вентиляционном канале перед направляющим аппаратом и позади него в самом узком сечении выходного патрубка , затем лопатки устанавливают на заданный угол поворота и определяют статическое давление в сечении перед направляющим аппаратом, после чего производительность подсчитывают по зависимости, полученной на основании уравнений Бернулли и неразрывности потока.

4.2.3 ВЯЗКОСТЬ

ВЯЗКОСТЬ- свойство жидкости и газов, характеризующее сопротивление их течению под действием внешних сил. Вязкость об'ясняется движением и взаимодействием молекул . В газах расстояние между молекулами существенно больше радиуса действия молекулярных сил, поэтому вязкость газа определяется главным образом молекулярным движением . Между движущимися относительно друг друга слоями газа происходит постоянный обмен молекулами , обусловленный их непрерывным хаотическим (тепловым) движением. Переход молекул из одного слоя в соседний, движущийся с иной скоростью, приводит к переносу от слоя к слою определенного количества движения. В результате медленные слои ускоряются, а более быстрые замедляются.