Картинка:vectorpouch, www.freepik.com Мне всегда нравились необычные возможности обычных вещей и явлений, и сегодня будет рассказ как раз об этом! Некоторое время назад мы уже рассматривали возможности по созданию экстремальных давлений, что может быть использовано в полезных целях… Например, вот здесь мы узнали, как получить экстремальное давление в 100 000 атмосфер (и даже более!), для чего необходимо очень простое действие: всего лишь электроразряд в воде! Известен этот приём под названием «эффекта Юткина», по имени первооткрывателя эффекта — советского учёного [url=https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AE%D1%82%D0%BA%D0%B8%D0%BD,_%D0%9B%D0%B5%D0%B2_%D0%90%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%81%D0%B0%D0%BD%D0%B4%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%87]Льва Александровича Юткина[/url]. Подобный эффект, несмотря на свою простоту, имеет значительную пользу — например, позволяет избавиться от громоздких и материалоёмких прессов при штамповке крупных деталей: большую плоскую деталь (например, корпусную деталь автомобиля) помещают в специальную прочную ванну, укладывая на дно, где само дно выполнено в виде формы, которую необходимо принять листу металла. Ванна заполняется водой, над листом металла размещаются электрические контакты на некотором расстоянии над деталью, и мощная батарея конденсаторов резко разряжается, пропуская ток через эти промежутки между контактами. Результатом становится мощная ударная волна, рентгеновское излучение (!) и экстремальное давление, буквально «размазывающее» лист металла по дну ванны.
Читал, что в начале XX века некоторые компании в Америке с целью избавиться от необходимости построения больших промышленных прессов использовали подобный подход для штамповки крупных плоских деталей, только использовали в качестве источника давления не электроразряд, а обычную взрывчатку, также подвешиваемую в толще воды над деталью — кстати говоря, где-то в старых советских книгах тоже видел подобное, так что вполне себе один из официальных подходов… Сразу вспоминаются разнообразные занятные ролики из сети, где не особо дальновидные экспериментаторы «соединяют несоединяемым образом» унитаз и петарды, не учитывая то, что жидкость является несжимаемой и сразу передаёт всю энергию прямо к стенкам хрупкого фаянса. Кстати говоря, в качестве любопытной идеи: а ведь петарды, похоже, никто для штамповки не использовал! Ни к чему не призываю и вам делать не советую — просто «мысли вслух» …
Используют такой метод не только для «гидроформования» (так официально называется этот подход), но и, например, для дробления горных пород, очистки от окалины больших металлических деталей… Также не так давномы узналио том, что подобные экстремальные давления можно вызывать даже на атомарном уровне! Причём, несмотря на то, что это звучит на первый взгляд страшновато, — в реальности ничего страшного в этом нет: достаточно даже обычной мыльной воды! Используя эффект, открытый в 1928 году Пётром Александровичем Ребиндером, получивший одноимённое название «эффект Ребиндера», можно экстремально уменьшать прочность материалов, для чего достаточно всего лишь смазать поверхность нужного объекта или поместить его целиком в среду специального «расклинивающего агента» — в качестве которого в классической версии годится даже обычная мыльная вода, после чего, если на поверхность оказать относительно небольшое воздействие, этот агент начинает втягиваться в небольшую расщелину, созданную обрабатывающим инструментом (например, стеклорезом), с огромной силой, оказывая давление на стенки будущей трещины с силой более чем в 1000 атмосфер — таким образом можно существенно уменьшить требуемые усилия для разрушения материалов — например, легко резать кафельную плитку, ножницами вырезать произвольные фигуры из оконного стекла и прочие чудеса… Тем не менее, если мы приглядимся к описанным выше методам, то сразу увидим и их ограничения:
Если требуется эффект на макроуровне, то придётся иметь дело с высокими напряжениями, токами, недешёвыми батареями конденсаторов в большой ёмкости (да и в целом процесс довольно опасный).
Явления же на микроуровне, например с применением эффекта Ребиндера, по объективным причинам сосредоточены на уровне межатомных взаимодействий и, несмотря на простоту вызова подобных явлений, не могут быть распространены на макроуровень — то есть, несмотря на то что, например, с применением этого эффекта можно разрушить большое стекло, и даже на мелкие части, штамповка с его применением будет несколько затруднена.
Таким образом, мы видим, что здесь имеется определённый пробел в реализации тех же самых экстремальных давлений, но на макроуровне и, желательно, наиболее безопасным образом. Есть ли такой способ? Как ни странно, он есть и доступен каждому (никогда не догадаетесь, какой! ): это использование обычного льда! Многие знают, что застывание воды и переход её в твёрдую фазу (лёд) приводит к увеличению объёма в этом агрегатном состоянии — [url=https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D1%91%D0%B4#:~:text=%D0%90%D0%B6%D1%83%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D0%BA%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F%20%D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D0%BA%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%20%D1%82%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%B3%D0%BE%20%D0%BB%D1%8C%D0%B4%D0%B0%20%D0%BF%D1%80%D0%B8%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D1%82%20%D0%BA%20%D1%82%D0%BE%D0%BC%D1%83%2C%20%D1%87%D1%82%D0%BE%20%D0%B5%D0%B3%D0%BE%20%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C%2C%20%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20916%2C7%20%D0%BA%D0%B3/%D0%BC%C2%B3%20%D0%BF%D1%80%D0%B8%200%C2%A0%C2%B0C%2C%20%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%8C%D1%88%D0%B5%20%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8%20%D0%B6%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%BE%D0%B9%20%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%8B%20(999%2C8%20%D0%BA%D0%B3/%D0%BC%C2%B3)%20%D0%BF%D1%80%D0%B8%20%D1%82%D0%BE%D0%B9%20%D0%B6%D0%B5%20%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B5.%20%D0%9F%D0%BE%D1%8D%D1%82%D0%BE%D0%BC%D1%83%20%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%B0%2C%20%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%B2%D1%80%D0%B0%D1%89%D0%B0%D1%8F%D1%81%D1%8C%20%D0%B2%20%D0%BB%D1%91%D0%B4%2C%20%D1%83%D0%B2%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B8%D0%B2%D0%B0%D0%B5%D1%82%20%D1%81%D0%B2%D0%BE%D0%B9%20%D0%BE%D0%B1%D1%8A%D1%91%D0%BC%20%D0%BF%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%BE%20%D0%BD%D0%B0%209%25]как подсказывает нам интернет, на 9%[/url] из-за уменьшения плотности. В подавляющем большинстве случаев подобное увеличение является негативным явлением для человеческой деятельности — лопаются трубы, ёмкости, если их оставить наполненными водой в холодный период года. Однако лёд можно использовать и в качестве источника давления для полезных целей: разрушения материалов, той же самой штамповки!
Согласитесь, что сама идея очень привлекательна: нет никаких экстремальных источников электричества, взрывных процессов — вместо этого, полезным образом используется простое замерзание воды! Красота!
Посмотрим, какие возможности у нас здесь имеются… и для этого нам просто не обойтись без интересной картинки, которую я нашёл для вас — диаграммы фазового перехода воды при разных давлениях и температуре: Картинка:Cmglee Но до начала того, как мы начнём «препарировать» эту картинку, ещё раз напомним, если кто-то забыл, что фазовые формы (замерзание-жидкая форма-испарение) напрямую зависят от температуры и давления.
Таким образом, например, меняя один из этих параметров, можно привести и к изменению второго параметра — скажем, забавный пример, который я люблю приводить: как у меня кипела вода почти при комнатной температуре в вакуумном перегонном аппарате, несмотря на то, что её классическая температура кипения при атмосферном давлении находится на отметке в 100 °С — у меня там не было полного вакуума и было всего лишь некоторое разрежение, чего было уже вполне достаточно…
Теперь снова вернёмся к нашей картинке выше, на которой мы видим, что разным цветом для наглядности выделены три агрегатные формы воды: твёрдая (Solid), жидкая (Liquid), газообразная (Gas). На этом графике нас будут интересовать исключительно левая и нижняя оси. Теперь, если мы обратимся к левой красной вертикальной линии, проведённой через отметку в 0 °C, то мы увидим, что вода при одной и той же температуре может переходить как в газообразную форму (при давлении несколько ниже 1 кПа), так и снова в жидкую форму (при давлении несколько выше, чем 10 МПа). Другими словами, мы видим, что если бы мы залили воду в герметичную ёмкость и понизили её температуру до нуля градусов Цельсия, то из-за замерзания воды и увеличения льда в объёме он бы смог развить давление максимум в районе 100 бар (1 МПа = примерно 10 барам, соответственно, у нас на вертикальной левой оси 10 МПа — т. е. примерно 100 бар).
То есть таким всего лишь нехитрым образом, охладив воду до нуля градусов Цельсия (весьма щадящая температура, надо сказать, и легко достижимая!), мы сможем развить давление в закрытой ёмкости в районе 100 атмосфер! Весьма недурно, не так ли?
Однако, если мы внимательно приглядимся к зелёной области, то увидим, что при давлении где-то примерно с 10 МПа начинается переход льда в жидкую форму, то есть в воду. Таким образом получается, что при нуле градусов Цельсия мы ограничены достигаемым давлением примерно в районе 100 атмосфер. Недурно, но можно ли больше? По графику мы видим, что если бы мы провели умозрительную вертикальную линию на отметке где-то в -25 °C, то максимально достижимое для нас давление подпрыгнуло бы аж примерно где-то до 120 МПа — то есть аж до 1200 атмосфер! О_о (сразу скажу, что это не совсем корректно, потому что есть нюанс, о котором ниже).
Таким образом, думается, что логика рассуждений вам понятна — в общем случае можно сказать, что, всего лишь понижая температуру, мы можем увеличивать давление! Но так ситуация выглядит только на первый взгляд, так как есть один существенный подводный камень: лёд — это не просто «некий лёд», а разные его формы (на данный момент их известно довольно много)!
То есть при изменении давления при одной и той же температуре лёд переходит в разные формы, обычно обозначаемые латинскими цифрами, где эти формы имеют разную кристаллическую решётку разной плотности! Таким образом может даже сложиться ситуация, что на вид — это вроде бы «тот же самый лёд», однако объём он занимает меньший! То есть развивает меньшее давление на стенки нашего закрытого сосуда! Как это можно понять? Для этого посмотрим на упрощённый график распределения типов льда при разных давлении и температуре: Картинка:Cdang, Helgi Если сказать совсем по-простому, то лёд Ih — это наш обычный лёд, который и работает на расширение; все остальные виды, помеченные другими латинскими цифрами, имеют более плотную кристаллическую решётку, то есть не будут работать в роли пресса. Таким образом, необходимо только находиться в зоне Ih, чтобы давление сохранялось! Более подробное распределение видов льда можно посмотреть на картинке ниже: Картинка:Cmglee
Кстати, подытоживая этот раздел, можно отметить любопытный момент, касающийся выражения этого эффекта перехода агрегатной формы при разных давлении и температуре: учёные выяснили, что одной из основных причин, почему лыжи или, особенно, коньки так хорошо скользят, является повышение давления, с которым мы уже ознакомились! Другими словами, увеличение давления лезвия конька на лёд вызывает частичное плавление льда, где вода начинает выступать смазкой! Аналогичный же эффект (только не такой наглядный из-за меньшего давления) наблюдается и при катании на лыжах, а также при лепке снежков — да-да, одной из основных причин слипания снежинок в комок является частичное плавление!
