عن التفاعل الصوتي للاندماج بواسطة الموجات فوق الصوتية
الاندماج الصوتي
20 أغسطس 2005
أنت تعرف كيف يطير الطائرة، أعتقد. وإلا فاقرأ "هل يمكننا الطيران؟"، المعروف أيضًا بـ "الشفط والدفع". تتشكل منخفضة ضغط على الجزء العلوي من الجناح، أي على "الوجه العلوي".
جناح الطائرة
بالمناسبة، ما هو الطلب الكمي للمنخفضة الضغط السائدة على سطح هذا الجناح؟ لنأخذ طائرة صغيرة للسياحة، ذات مقعد واحد. لنفترض أن وزنها عند التحميل هو 300 كيلوغرام، ومساحة الجناح 18 مترًا مربعًا. هذا يعني أن الحمل على الجناح هو 16 كيلوغرامًا لكل متر مربع، أي 1.6 غرام لكل سنتيمتر مربع. وبما أن الضغط الجوي عند مستوى سطح الأرض هو 1000 غرام لكل سنتيمتر مربع، فإن الفرق المتوسط في الضغط بين الوجه العلوي والوجه السفلي للجناح يبلغ بحدود بضع ملليبار. وهذا يفسر لماذا يمكن الطيران بطائرات ذات جناح من القماش، ولماذا لا يُنصح بوضع القدم على الجناح، خارج المناطق المخصصة لذلك، وإلا فسوف تمرّ من خلاله.
ما الذي يحدث في الماء؟ إن الماء كثيف بآلاف المرات مقارنة بالهواء. وبسرعة مماثلة، يمكننا "الطيران في الماء" باستخدام "جناح" أصغر بكثير. نسمّيه "الجناح المائي" أو "الfoil".
الجناح والfoil
إذا كنا قادرين على التماسك على أسطح صغيرة جدًا، فهذا يدل على أن التغيرات في الضغط تكون أكثر حدة بكثير. تخيل أن هذه الأجنحة تتحرك قريبة جدًا من السطح السائل، أي في وسط يبلغ فيه الضغط المحيط قرابة كيلوغرام لكل سنتيمتر مربع. فالقارب على اليمين يعتمد على فروقات ضغط أكبر بكثير من تلك التي نقيسها حول مقطع جناح طائرة. وهذا هو السبب في أن الأجنحة المائية لا تُغطى بقماش، بل تُصنع من الصلب الجيد والمتين.
لماذا يوجد منخفض ضغط على الوجه العلوي للجناح؟ في الماء، يصبح هذا الأمر أكثر وضوحًا. تصطدم الكتلة السائلة بالشكل عند "نقطة التوقف"، ثم تُسرع مجددًا. في هذه العملية، تكتسب سرعة زائدة، وتخضع أيضًا لتأثير القوة الطاردة المركزية.
ما الذي يحدث عندما يتعرض سائل لمنخفض ضغط؟ يمكننا تجربة ذلك باستخدام أسطوانة ومحرك مكبس. إذا سحبنا المحرك بدرجة تخفض الضغط داخل السائل إلى قيمة أقل من ضغط البخار المشبع عند درجة الحرارة المعتبرة، فستتشكل فقاعات صغيرة. هذه الفقاعات لا علاقة لها بفقاعات الشمبانيا، التي تعكس وجود غاز مذاب في المشروب. بل تكون هذه الفقاعات مملوءة ببخار الماء. هذا هو ظاهرة الانفجار المغطّس أو التجويف.
ظاهرة التجويف
إليك صورة للظاهرة، التي تم إحداثها داخل أسطوانة.
فقاعات التجويف
في عام 1917، دعت البحرية البريطانية الفيزيائي ويليام ستروت، المعروف بـ "لورد رالي"، لتقديم حل لمشكلة غريبة. كانت جميع مراوح السفن الملكية، المصنوعة من البرونز، مهترئة ومغطاة بثقوب صغيرة، رغم أنها كانت جديدة تقريبًا. وتساءل القادة البحريون إن كانت البحرية تحتوي على طفيليات قادرة على مهاجمة معدن المراوح. فيما يلي صورة حديثة تُظهر الأضرار التي يمكن أن يسببها ظاهرة التجويف على شفرات مضخة دوارة.
الأضرار الناتجة عن التجويف في مضخة دوارة. هل تبدو مذهلة، أليس كذلك؟
إليك صورة مقرّبة تُظهر "البقع" المرئية في المعدن.
الأضرار الناتجة عن التجويف على شفرة برونزية.
على عكس ما فكّر فيه القادة البحريون البريطانيون في البداية، لم يكن الأمر متعلقًا بعُناكب مائية مجهولة. قام لورد رالي ببعض الحسابات وأعطى التفسير. فقد تبين أن منخفضات الضغط التي تنشأ على شفرات المراوح كانت قوية بما يكفي لخفض الضغط محليًا إلى ما دون ضغط البخار المشبع في الماء. وبالتالي، دخل الماء محليًا في حالة غليان. معلومة مهمة: ما هو ضغط البخار المشبع للماء عند درجة حرارة الغرفة؟
الإجابة: بضع باسكال، أي ما يعادل جزءًا من ملليبار. المنخفضات الضغط التي تنشأ حول الشفرات في الهيدروليكا تكون شديدة جدًا. وهذا هو السبب في قدرتنا على دفع قارب خارجي باستخدام جهاز صغير جدًا مثل المروحية. إليك شفرة مروحية في دوران. السهم يشير إلى وجود فقاعات بخار ماء الناتجة عن ظاهرة التجويف.
التجويف بالقرب من الحافة الأمامية لشفرة مروحية في دوران.
يمكن رؤية تيار من فقاعات بخار الماء التي تنشأ عند حافة الشفرة. ولكن أصلها ليس من نفس الطبيعة. بل يعود إلى الدوامة الحافة، ويشبه بذلك الشوائب التي تتشكل عند طرف جناح الطائرة. لن نتحدث عنها هنا. لننظر إلى تغير الضغط على طول الوجه العلوي لشفرة مروحية:
تغير الضغط على طول الوجه العلوي لشفرة مروحية
الرسم توضيحي فقط. نرى أن الضغط ينخفض بسرعة على طول وتر الشكل. عندما يصبح أقل من ضغط البخار المشبع في السائل، أي الماء، تبدأ فقاعات في الظهور، وتزداد حجمها مع استمرار انخفاض الضغط. حتى وإن بقي الجزء التالي من الشكل في منخفض ضغط مقارنة بالضغط المحيط، فإن الضغط في النهاية يرتفع ويصبح مرة أخرى أعلى من ضغط البخار المشبع في الماء. فتبدأ بخار الماء في الاندثار، وهو ما نراه في الصورة.
جميعنا نعلم أن في ميكانيكا السوائل، لا تحدث ظواهر التمدد بنفس الطريقة التي تحدث بها ظواهر إعادة الضغط (أو التكثيف). عندما يبدأ الضغط في الزيادة، فإن جدار الفقاعة يتصرف كمكبس كروي يعمل على غاز، متنافسًا مع بخار الماء. إذا كانت سرعة انفجار الفقاعة أعلى من سرعة الصوت في كتلة البخار (وهي بالفعل أعلى)، فإن موجة صدمة كروية تنشأ، وتنحني نحو المركز الهندسي للجسم، وتحمل معها طاقة كبيرة كافية لخلق تلك "البقع" في معدن الشفرة، وربما تؤدي في النهاية إلى أضرار كبيرة كتلك التي رأيناها في شفرات المضخة أعلاه.
توضيح الأضرار الناتجة عن ظاهرة التجويف.
نعرف الأنظمة المعروفة بـ "الشحنات الفارغة". في هذه الحالة، يُشعل المتفجر في كل سطح من سطوح قمع مائل (باستخدام مادة متفجرة ذات سرعة انتشار عالية جدًا). في هذه الحالة، يُصدر القمع موجة صدمة قوية، تتركز طاقتها على طول المحور النظام. ويتشكل حينها "نصل" قادر على ثقب درع فولاذي بسماكة تقارب قطر القمع (لكن النصل يُحدث ثقبًا أصغر بكثير من قطر القمع). يشبه انفجار الفقاعة، كما أشار إليّ كريستوف تاردي، تركيز الطاقة المنقولة عبر موجة صدمة كروية. إذا صُمّمت شحنات فارغة حول فراغات ليست مخروطية بل كروية، يمكننا تركيز طاقة هائلة في مركز هذه الكرة، في نقطة التركيز. وهذا ما يحدث مع ظاهرة التجويف.
كما ذكرنا، تم اكتشاف ظاهرة التجويف في عام 1917. وفي عام 1930، أصبح بالإمكان إنتاج موجات فوق صوتية بدرجة كثافة كافية. ظهر ظاهرة جديدة في عام 1934 في جامعة كولونيا، أربكت الفيزيائيين بشدة. عندما عُرض سائل، مثل الماء، على موجات فوق صوتية، أصدر هذا السائل ... ضوءًا. أعطوا لهذه الظاهرة اسم الإضاءة الصوتية.
في البداية...