Капля на струнах
Все видели, как бегает капля воды по горячей сковороде. Это эффект Лейденфроста, возникающий всегда, когда соседствуют горячая поверхность и капли — в технике такое встречается довольно часто. Например, в энергетических установках или при охлаждении горячих поверхностей потоком газа, несущего капли хладагента. Обычно говорят, что капля левитирует на паровой подушке, которую сама и создаёт. Однако ситуация сложнее. Под каплей действительно есть паровая подушка, и сила её давления направлена вверх, но по бокам каплю обтекает идущий в том же направлении конвективный поток смеси пара и атмосферного воздуха.
Сотрудники Национального исследовательского университета «МЭИ» изучили эффект Лейденфроста при нахождении капли не на плоской поверхности, а на тонкой перегретой проволоке. Они выяснили вклад различных факторов в левитацию и впервые показали, что этот эффект может иметь место не только на гладких струнах, но и на струнах с обмоткой.
В экспериментах капли воды покоились на двух горизонтально натянутых струнах. Диаметр струн 0,4 мм, материал — нихром, расстояние между осями струн 1 мм, нагрев происходит за счёт пропускания тока. Струны были с разной структурой поверхности — просто гладкие, обмотанные тонкой (0,1 мм) нихромовой проволокой виток к витку и обмотанные с шагом 0,1 мм. Для гладких проволок левитация капель наблюдалась в диапазоне температур 300—590°С, для проволок с намоткой — начиная с 420°С. Поскольку площадь контакта капли с горячей поверхностью в случае струн существенно меньше, чем при контакте с плоскостью, а эффект Лейденфроста наблюдается, то, по-видимому, имеет значение и обтекание капли конвекцией горячего пара и воздуха. Авторы считают, что без учёта конвекции обеспечивается только 60—70% необходимой подъёмной силы.
Артамонов А. В., Дмитриев А. С., Макаров П. Г. Эффект Лейденфроста на струнах. Письма в ЖТФ, 2023, вып. 18, с. 16.
В атмосферу и обратно
Мы привыкли считать, что метеорит — это прилетевший из космоса кусок вещества, который по дороге через атмосферу разогрелся до свечения (стал метеором), а затем (если уцелел) упал на Землю. Реальность разнообразнее. Например, маленькие пылинки тормозятся почти не нагреваясь, поэтому сохраняют свой состав, в том числе и органические молекулы, если они там были. Это к вопросу о панспермии, заносу жизни из космоса. Но и с телами ощутимых размеров всё не просто. Иногда они берут и возвращаются обратно в космос.
Сотрудники Института автоматизации проектирования РАН построили модель движения пришельца в атмосфере с учётом его аэродинамики, нагрева, испарения, изменения массы и площади поверхности, возможного разрушения, а также изменения плотности атмосферы с высотой. Оказалось, что при малых углах между поверхностью планеты и направлением полёта, то есть при входе по касательной, возможно отражение с уходом визитёра обратно в космос, критический угол составляет около 10°. Если считать, что все направления влёта равновероятны, то получается, что атмосфера отражает 10/90, то есть 11% гостей. Такие случаи действительно бывали, например, 10 августа 1972 года американскими спутниками был зарегистрирован пролёт сквозь атмосферу яркого болида. Наблюдали его и с Земли. Болид пролетел в атмосфере 1500 км, были слышны громовые звуки. Расчёты показали, что возможна и более хитрая ситуация — отражение с последующим возвратом и всё-таки падением на Землю.
Кстати, на месте Тунгусского события так ничего и не обнаружили, зато нашли какое-то странное круглое озеро в восьми километрах.
Сызранова Н. Г., Андрущенко В. А. Численное исследование нестандартных траекторий космических тел, вторгнувшихся в атмосферу Земли. Теплофизика высоких температур, 2023, № 2, с. 279.
Смазали и прижали
Есть много способов соединить две детали, один из них — склеить. Именно его мы используем чаще всего в быту, даже не подозревая о массовом применении в микроэлектронной технике. Это приклеивание приборов к платам, установка чипов в корпус, сборка микромеханических приборов. Преимущества склейки — дешевизна, простота, не надо прикладывать к деталям большие усилия (холодная сварка) и сильно нагревать (пайка, сварка). Но нет добра без худа, то есть без возникновения проблем. Например, из клея в процессе эксплуатации выделяются летучие соединения, которые могут разрушать токопроводящие дорожки. Подобное особенно важно в вакуумных электронных и электронно-механических приборах, внутри корпуса которых нужен вакуум не хуже 10–6 мм рт. ст. для предотвращения газового трения и сохранения высокой добротности кварцевых резонаторов. В приборе объёмом 100 см3, при площади клеевых швов 1 мм2 такой вакуум сохранится в течение 15 лет, если газовыделение будет менее 10–15 кг/см2, то есть очень малым. Кстати, склейка используется при сборке гравитационных антенн, работающих в высоком вакууме (10–10 мм рт. ст.).
Пример зависимости высоты полёта от времени при разных углах входа тела в атмосферу без испарения и разрушения.
На преодоление проблем, связанных с применением клеёв в вакуумных устройствах, было направлено масштабное исследование, проведённое сотрудниками МГУ и ВНИИ по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций. Приведено значительное количество данных для клеёв различных типов по механическим свойствам клеевых соединений, газовыделению из них (анализировалось 12 компонентов), поглощению различных газов геттерами (газопоглотителями) и предложен метод расчёта остаточной атмосферы в вакуумных приборах в течение 10—15 лет. Кроме того, рассмотрено внутреннее трение в клеевых слоях, в том числе объёмное и термоупругое — последнее надо учитывать, если есть элементы, которые совершают изгибные колебания.
Пример зависимости высоты полёта от времени при угле входа тела в атмосферу 7°. На рисунке: 1 — траектория с отражением и последующим падением на Землю неразрушившегося тела; 2 и 3 — траектории полёта при меньшей и большей степени разрушения. Рисунки из реферируемой статьи.
Результаты исследования полезны инженерам, работающим в области микроэлектронной техники, а вопрос внутреннего трения изложен так, что может эффективно использоваться в преподавании.
Лунин Б. С., Захарян Р. А., Крейсберг В. А. Применение клеёв для сборки вакуумных электронных и электромеханических приборов. М.: ФГБУ ВНИИ ГОЧС, 2023.
