Напомним, что это правило имеет заголовок «Поверхностное трение» и запрещает «выпускать или выливать из емкостей какое-либо вещество (например, полимер), которое уменьшает силу трения корпуса, изменяя характер потока воды в пограничном слое».
О чем же идет речь? В ППС этот запрет понятен — важно, чтобы все имели равные шансы на победу в гонке (хотя он, пожалуй, несколько опередил события: о практическом использовании полимеров в парусном спорте говорить рановато!). Да и вообще: существует ли такой путь снижения сопротивления трения и повышения скорости спортивных судов?
Мы попросили рассказать об истории вопроса канд. техн. наук Лиру Александровну Чекалову. В дальнейшем предполагаем напечатать статью или серию статей о том, что же такое сопротивление воды движению судна, из чего оно складывается, какие пути его снижения видят ученые.
До последнего времени считалось, что гидромеханика является вполне устоявшейся наукой, которая, в частности, достаточно точно описывает законы сопротивления тел, движущихся в водном потоке. Однако сегодня можно утверждать, что в области гидромеханики обнаружены явления, которые пока не удалось ни удовлетворительно объяснить, ни описать классическими формулами.
Что же это за вновь открытые белые пятна? Почему ими заинтересовались не только ученые, но и инженеры-судостроители, и даже, как видим, яхтсмены-гонщики?
В любом учебнике по теории корабля можно прочесть, что сопротивление воды движению судна складывается из сопротивления трения воды о поверхность обшивки корпуса, волнового сопротивления и, как говорят корабелы, сопротивления формы, обусловленного перепадом давлений вдоль корпуса судна — от носа к корме.
Наиболее изученным в теоретическом и экспериментальном плане представлялось сопротивление трения. Еще триста лет назад — в 1687 г.— Ньютон дал совершенно правильную трактовку причин возникновения сил трения. О внутреннем трении в жидкости он написал так: «Сопротивление, происходящее от недостаточной скользкости жидкости, при прочих одинаковых условиях предполагается пропорциональным скорости, с которой частицы жидкости разъединяют друг друга».
Поясним сказанное следующим образом, допустив, для удобства рассмотрения, что не тело движется в неподвижной жидкости (воде), а поток жидкости с той же скоростью обтекает неподвижное тело. Вблизи тела частицы жидкости будут затормаживаться, а частицы, оказавшиеся непосредственно на поверхности тела, как бы прилипнут к ней — их скорость будет равна нулю. И наоборот, при удалении от поверхности тела скорость частиц воды будет быстро возрастать, пока не станет равной скорости потока. Таким образом, можно сказать, что частицы жидкости, находящиеся в разных слоях, движутся с разными скоростями, т. е. каждый условно выделенный нами слой как бы сдвигается относительно соседнего слоя с некоторой скоростью. Сумма усилий, затрачиваемых на эти сдвиги всех слоев потока одного относительно другого, и представляет собой сопротивление трения.
Ясно, что при увеличении скорости потока (или тела) эта общая сумма возрастает — сопротивление трения растет. Очевидно и другое: большое значение имеет вязкость самой жидкости, т. е. ее способность сопротивляться сдвигу частиц. Если жидкость очень вязкая, сопротивление трения значительно больше; если вязкости нет вообще, не будет и сопротивления трения (это так называемая идеальная жидкость, которая часто фигурирует при решении различных теоретических задач гидромеханики).
Итак, мы выяснили, что сопротивление трения определяется вязкостью жидкости. Сто лет назад сказали бы гораздо определеннее: только вязкостью. Однако оказалось, что это далеко не так, что играет очень важную роль еще и характер движения.
В 1883 г. англичанин Осборн Рейнольдс установил, что для любой реальной (вязкой) жидкости существуют две разные формы движения: ламинарная и турбулентная — теперь-то об этом мы узнаем еще в школьном курсе физики! При ламинарном (слоистом) течении параллельно движущиеся слои жидкости текут один относительно другого, не перемешиваясь. Турбулентное же (вихревое, вращательное) течение возникает, когда скорость потока превышает какое-то определенное, так называемое — критическое, значение: отдельные слои начинают размываться, пульсировать, а затем и перемешиваться. Сопротивление трения резко возрастает, поскольку в турбулентном потоке энергия дополнительно затрачивается еще и на перемешивание жидкости.
Стал очевиден основной путь снижения сопротивления трения, который упорно разрабатывался и разрабатывается гидромеханиками многих стран: добиваться того, чтобы течение возможно дольше оставалось ламинарным, как можно дальше оттягивать момент перехода его в турбулентный режим. Как осуществляются эти попытки — самостоятельная и довольно интересная история; существо того, о чем пойдет речь дальше, не в том.
В конце 40-х годов эта ясная и четкая концепция пошатнулась. Пошатнулась настолько, что и сегодня нельзя определенно сказать, когда же наука о сопротивлении трения вновь обретет академическую стройность. В 1948 г. на международном конгрессе по реологии1 мало известный исследователь Б. Томе сделал краткое сообщение о том, что ему практически удавалось добиться двукратного снижения сопротивления трения в турбулентном потоке.
Нельзя сказать, что это исключительно важное заявление сразу же оказало решающее влияние на развитие гидромеханики: к нему отнеслись недоверчиво.
Впрочем, это и понятно. Ведь еще с XVII века были известны рассказы бывалых моряков о том, как по необъяснимым причинам, вдруг, где-то в океане скорости их парусных кораблей резко возрастали. Мало ли что рассказывают моряки! Впрочем, и в отчетах некоторых опытовых бассейнов изредка оказывались зарегистрированными непонятные случаи резкого отклонения — в меньшую сторону — сопротивления стандартных моделей. Ну и что? Самая точная измерительная аппаратура обладает способностью иногда показывать неверные результаты.
Во всяком случае, когда сегодня некоторые авторы пытаются доказать, что явление, обнаруженное Б. Томсом, было им известно давно, это звучит несерьезно. Именно потому, что к его научному сообщению отнеслись как к застольным морским историям или рыбацким побасенкам. Да ведь у него не было никаких серьезных объяснений этому явлению! Несомненная заслуга Б. Томса состоит в том, что он не постеснялся на авторитетном научном собрании рассказать о своих опытах, хотя и не мог дать им истолкования. Однако коллеги не оценили ни его смелости, ни содержания его сообщения. Не очень-то стеснителен этот Томе! Как он не может понять, что столь сенсационные результаты в такой точной науке просто невозможны, а любые новые данные нуждаются в многократной проверке. «Чудак»,— решили гидромеханики и в течение почти пятнадцати лет к этому вопросу не возвращались.
Однако в начале 60-х годов ученые заговорили об эффекте Б. Томса — так принято теперь называть этот экспериментально установленный факт значительного снижения сопротивления турбулентного трения.
О чем же шла речь?
В воду добавляли небольшое количество того или иного вещества, и вдруг она приобретала чудесное свойство снижать сопротивление трения при турбулентном течении вдоль стенки. Чтобы снизить трение в 2 раза, требовалось всего около 1 г вещества на 1 м3 воды.
Свыше тысячи научных работ на эту тему появилось с того времени. Все они рассказывали об опытах, при которых сопротивление снижалось иногда даже не в 2, а в 3-4 раза! Были найдены десятки веществ, добавка которых снижала сопротивление трения. Здесь и вещества, искусственно созданные (полиокс, полиакриламид), и вещества, известные в природе (планктон, насыщенная водорослями и растительными организмами вода). Вот, кстати сказать, тут-то и вспомнили о легендарных морских историях и записях неудачливых экспериментаторов, «проспавших» научное открытие — благоприятное влияние случайного загрязнения воды в канале опытового бассейна.
Однако объяснить в чем дело, почему в жидкости, к которой добавлены миллионные доли каких-то веществ, отказываются выполнять свои функции основополагающие законы гидромеханики, оказалось далеко не просто. Можно сказать определенно: твердо обоснованного объяснения этому явлению современная наука пока не дала. Однако, как говорили Ильф и Петров, с фактом приходится считаться: уже проводятся интенсивные исследования по практическому использованию эффекта Томса.
Что же, наконец, конкретно дали эксперименты, ставящие перед теорией так много вопросов?
Прежде всего было установлено, что способностью в несколько раз снижать сопротивление трения обладают растворимые вещества, имеющие большой молекулярный вес (М=105÷108) и линейную структуру молекул. Можно было бы подумать, что добавки высокомолекулярных веществ снижают вязкость жидкости. Оказалось — все не так: вязкость даже несколько возрастает...
Затем стало известно очень любопытное обстоятельство: сам характер течения, оказывается, не изменяется. Оно так и остается турбулентным, но сопротивление трения снижается, хотя и не до того уровня, который мог бы быть при достижении ламинарного течения. Значит, еще не «ламинар», однако и далеко не «турбулент»!
Поиски объяснений эффекта Томса усложняло то, что было обнаружено еще одно необъяснимое явление. Выяснилось, что добавка в воду продолговатых очень малых по размеру нерастворимых частиц также снижает сопротивление трения таких суспензий. Более того, затем обнаружилось, что хорошо приготовленный раствор полимера, снижающего сопротивление трения, через некоторое время (иногда минуты, а иногда — дни, месяцы) вдруг начинает терять эту загадочную способность. Это явление назвали деградацией раствора, но почему и всегда ли оно происходит, — оставалось неясным. Вообще продолжалась полная дискредитация основ гидромеханики, в этой науке появился свой «Бермудский треугольник» или, если угодно, даже что-то от Мефистофеля.
Требовалось хоть какое-то объяснение накопленным фактам.
Недостатка в гипотезах не ощущалось — каждый уважающий себя специалист выдвинул свое толкование. И стоит повторить: ни одно из них пока не дает законченного объяснения эффекта Томса (автор честно заслужил это уже укоренившееся в науке название своим «чудачеством»). Тут остается широкое поле деятельности для всех. Основной путь заключается, вероятно, в том, чтобы попытаться объединить ряд наиболее правдоподобных гипотез, выудив из каждой рациональное зерно и отбросив «шелуху».
Одной из первых была попытка доказать, что добавки полимера в воду превращают ее в так называемую «неньютоновскую» жидкость, т. е. в жидкость, обладающую псевдопластичностью — возрастанием вязкости по направлению от стенки. Это предположение, однако, не подтвердилось: столь малые концентрации никак не приводят к заметному взаимодействию макромолекул полимеров; стало быть, причин к появлению псевдопластичности нет.
Ну что ж, — не сдавались сторонники этой теории,— значит, измеряется не то, что нужно и важно. Очевидно, дело в том, что концентрация полимеров у стенки значительно выше, чем в потоке! В силу чего? Да хотя бы потому, что происходит их адсорбция — прилипание к поверхности молекул полимеров, образующих около нее сетку. Вот тут-то — именно там, где имеется основной перепад скоростей, и находится первопричина эффекта Томса: здесь псевдопластичность тонкого слоя жидкости с концентрацией полимера много выше, чем в основном потоке. Однако полученные позднее реограммы — характеристики вязкости — полимеров, снижающих трение, показали, что их растворы являются вполне ньютоновскими даже при достаточно больших концентрациях (10—3 г/см3).
Тогда, быть может, дело не в свойстве псевдопластичности, а в сетке, которая была бы должна образоваться при адсорбции? Но почему же тогда материал стенки (металл, стекло, пластмасса) не оказывает влияния на эффект? Ведь адсорбирующая способность этих материалов различна, а эффект одинаков? Значит, и это объяснение не схватывает главного,
А может быть, все гораздо проще: молекулы полимера как твердые упругие частицы, добавленные к воде, распрямляются, ориентируются потоком и, подобно твердым прокладкам, препятствуют турбулентному перемешиванию слоев жидкости? Тоже не то: слишком мало этих макромолекул, да и слишком они малы, чтобы соперничать с видимыми глазом частицами, Наконец, почему спустя некоторое время макромолекулы теряют эту полезную способность снижать сопротивление трения? Аналогия погибает, не успев объяснить эффект.
Еще одна гипотеза. Макромолекулы полимера снижают сопротивление, если их длина соизмерима с размером мельчайших вихрей. Макромолекулы гасят микро-вихри, гасят тем более интенсивно, чем больше макромолекул, т. е. чем больше концентрация полимера. Но почему тогда его благотворное действие прекращается при достижении какой-то вполне определенной концентрации? Почему, наконец, сопротивление трения в потоке никогда не достигает условий, соответствующих ламинарному течению, хотя можно предположить, что существует такая концентрация, которая погасит все трубулентные вихри, т. е. приведет поток в ламинарное состояние.
Вы думаете, что перечислены уже все возможные объяснения эффекта Томса? Отнюдь нет.
Итак, прошло тридцать лет, факт наличия эффекта Томса доказан сотнями экспериментов, а показать теоретически, почему он возможен, не удалось. Судостроение — наука практиков: не дождавшись теоретических обоснований, инженеры начинают использовать достоверно известное, если оно обещает принести реальную пользу.
Здесь подходит на помощь опыт предшествующих поколений исследователей. Из различных турбулентных течений, встречающихся в технических задачах, течение в трубах имеет особенно широкое практическое значение. Потому оно и послужило предметом многочисленных исследований, причем «источником информации» служила вода. Такие авторитеты, как Шлихтинг и Никурадзе, показали, что подобные исследования необходимы для выявления особенностей турбулентных течений вдоль твердой стенки или около удобнообтекаемого тела (то, что важно прежде всего в судостроении), а характеристики течения в трубе аналогичны параметрам пристеночного течения вдоль плоской пластины. Это, в свою очередь, не что иное, как схематизация обтекания обшивки судна. Поэтому изучение особенностей течения потока воды в трубах служит основой расчетов сопротивления трения натурного судна. По тем же соображениям, гидромеханики, заинтересовавшиеся эффектом Томса, направили усилия на изучение особенностей течений водных растворов полимеров в трубах. Таким образом были получены бесспорные экспериментальные факты, а не домыслы теоретиков, которые всегда могли быть подвергнуты, подвергались и подвергаются критике оппонентов.
В рассматриваемом случае опыты в трубах были удобны еще и тем, что позволяли обеспечить заранее рассчитанную концентрацию полимера, не говоря уже о его составе, состоянии и пр. Подобные эксперименты проводились многими исследователями. Несмотря на все различия в условиях проведения экспериментов, несмотря на последующую трактовку результатов с различных позиций, эти опыты в своей совокупности позволили установить следующие, пока никем не опровергнутые эмпирические зависимости:
- 1. При увеличении концентрации полимера, обладающего способностью снижать сопротивление трения, эффект снижения сопротивления возрастает.
- 2. При достижении определенной концентрации (разной для каждого полимера) указанный эффект достигает определенной величины, превысить которую дальнейшее увеличение концентраций не может.
- 3. Снижение сопротивления начинает проявляться только при достижении определенного значения касательного напряжения трения; при ламинарном течении этот эффект не наблюдается никогда.
- 4. Возникновение предельного снижения сопротивления трения в трубах связано с тем, что профиль скоростей поперек трубы при добавлении полимеров, снижающих трение, трансформируется по определенному закону и имеет некоторый предельный вид, параметры которого и определяют максимально возможное снижение сопротивления.
- 5. Разные полимеры обладают различной способностью снижать сопротивление трения. Вернее, требуется различное количество разных веществ, чтобы обеспечить заданный эффект снижения сопротивления (необходимую практикам количественную оценку этой способности разных полимеров как раз и дали опыты в трубах).
В результате появилась возможность производить инженерные расчеты ожидаемого эффекта от применения того или иного вещества в той или иной концентрации, т. е. оценивать способность каждого полимера снижать сопротивление трения и выбирать из них наиболее эффективные. Как показали соответствующие опыты на моделях, прогнозирование ожидаемой величины снижения сопротивления трения при наличии в потоке полимера производится с такой же степенью точности, как и привычные расчеты для обычной «чистой» воды.
Остается теперь только одно; сделать так, чтобы реальное судно двигалось в воде, имеющей оптимальную концентрацию наиболее эффективного полимера, — это дало бы возможность резко повысить его скорость. Поскольку сплошное «загрязнение» полимером вод Мирового океана в ближайшие годы, по-видимому, нереально, остается другой путь — каким-то образом добиться местного повышения концентрации полимера в зоне контакта корпуса и воды.
Очевидны два решения: подавать раствор полимера из корпуса судна наружу или покрывать полимером корпус ниже ватерлинии. В обоих случаях на практике возникают очень сложные проблемы. Если подавать полимер на обшивку судна, то эффективность этого варианта в значительной мере будет определяться множеством, казалось бы, второстепенных факторов (правильным выбором места подачи; конструктивным оформлением отверстий, пропускающих полимер; его первоначальной концентрацией; скоростью осуществления подачи; равномерностью распределения полимера по всей смоченной площади корпуса и т. д. и т. п.). Возникает большое количество и других нерешенных до настоящего времени «мелких» вопросов. Пока все это препятствует практическому использованию идеи.
Казалось бы, проще второй путь — обмазать обшивку судна полимером, а веда сама завершит процесс приготовления раствора. Но тут есть своя трудность. К сожалению, все вещества, эффективно снижающие трение, с большим трудом и крайне медленно растворяются в воде. Известны попытки приготовления своеобразного «варенья» (полимер с другим, хорошо растворимым продуктом) и обмазывания им корпуса, но полученный в итоге эффект оказался весьма невелик и кратковременен. Кстати сказать, в какой-то мере именно такой путь может оказаться целесообразным, если он согласуется с правилами проведения соревнований, для гоночных судов, где счет времени идет на минуты и секунды. В морском же транспорте, где время обычного рейса исчисляется многими сутками, важна долговременность действия. Здесь указанный способ вряд ли может быть использован. Впрочем, и этот путь не закрыт. Просто в настоящее время проблема не решена.
Сделана попытка рассказать лишь о некоторых — далеко не всех — задачах, которые поставил перед учеными эффект Томса. Он убедительно показал, что в «гидродинамическом королевстве» далеко не все так благополучно, как это принято было считать. И, безусловно, интересен тем, что открывает новые возможности повышения скоростей больших и малых судов.
Примечания
1. Реология — наука о деформациях и текучести вещества.