Кавитация – созидание или разрушение

Кавитация (пустота) – процесс образования в жидкости газовых пузырьков. Кипение воды – один нз примеров кавитации. Нагревание воды приводит к повышению давления насыщенного пара. При достижении температуры кипения, давление пара и давление окружающей среды становятся равными, в результате в воде образуются паровые пузырьки. Когда давление насыщенного пара жидкости становится ниже, чем давление окружающей среды, происходит схлопывание кавитационного пузырька. Это явление приводит к вибрации и повреждению конструкций, что негативно сказывается на работе машин и механизмов. В результате быстрого относительного движения тела в жидкости, местное давление в жидкости понижается.

Газы, которые выделяются внутрь формирующихся пузырьков, играют главную роль при кавитации. Местное снижение давления жидкости способствует интенсивному выделению газов, содержащихся в жидкости, внутрь пузырьков. Поскольку кавитационные пузырьки резко сжимаются и расширяются из-за воздействия переменного местного давления жидкости, температура газа в пузырьках меняется в широком диапазоне и может достичь от нескольких сот до 1500 градусов по цельсию. Газы в кавитационных пузырьках более агрессивны химически, чем атмосферный воздух, поскольку они содержат больший процент кислорода.

Одним из факторов негативного воздействия кавитации - эрозия металла. Вторым фактором является большой выброс давления, возникающий во время схлопывания пузырьков, отрицательно влияющий на поверхность металла. Например, кавитация вызывает разрушение насосов, гидротурбин, гребных винтов у судна, возникновение шума и вибрации, снижающие эффективность работы механизмов.

При схлопывании кавитационных пузырей, энергия жидкости скапливается в малых объемах. Это способствует образованию мест повышенной температуры и возникновению ударной волны, являющиеся источниками шума. Шум на подводных лодках, создаваемый кавитацией, является одной из особых проблем – обнаружение субмарины. Повреждения вызываются разрушением каверн, в результате освобождения большого количества энергии. Проведенные эксперименты показали, что такие вещества как золото, стекло, являющиеся химически инертными к кислороду, тоже подвергаются, правда, более медленному разрушительному воздействию кавитации. Это доказывает, что существует еще и фактор забросов давления, в результате схлопывания пузырьков. Процесс кавитации способствует немалому износу рабочих органов и значительно сокращает срок службы механизмов. Также, кавитационные пузыри формируют волны, что приводящие к искажению показаний ультразвуковых расходомеров.

Кавитация хоть и нежелательна, все же иногда встречается ее полезное применение. Например:

• сверхкавитационные торпеды. В результате обволакивания большими кавитационными пузырями, уменьшается контакт с водой, торпеды передвигаются намного быстрее, чем обыкновенные.
• использование при ультразвуковой очистке твердых поверхностей. С помощью звуковых волн в жидкости создается кавитация. Схлопываясь, кавитационные пузыри порождают ударные волны, разрушающие частицы загрязнений, отделяя их от поверхности.
• частое использование для гомогенизации(смешивания) и отсадки взвешенных частиц.
• кавитационные водные устройства очистки. Граничные условия кавитации помогают уничтожить загрязняющие вещества, органические молекулы.
• сонолюминесценция - испускаемый кавитационными пузырями свет.
• дробление твердых веществ, находящихся в жидкости. У котельного топлива, прошедшего такую обработку, увеличивается калорийность его горения.

Кавитация нашла свое применение в биомедицине. Уничтожение камней в почках, желчном и мочевом пузырях достигается с помощью ударной волны литотрипсии. Литотриптор - прибор, способный разрушить камни в желчном и мочевом пузырях, в почках без хирургического вмешательства.

Исследования показали, что кавитацию можно использовать для перемещения больших молекул внутрь биологических клеток (сонопорация).

Ультразвуковая кавитация используется в работе хирургических инструментов, достигая бескровного иссечения плотных тканей органов.

Кавитация заняла почетное место в косметологии, а именно в борьбе за идеальную фигуру, которую можно достичь с помощью ультразвуковой липосакции.

Сегодня ультразвуковая липосакция (кавитация) позволяет проводить процедуры снижения веса и коррекции фигуры без скальпеля хирурга.