Так из-за чего возникает кавитация?

Стал писать комментарий на эту тему,, ибо автор поста, видимо, гуманитарий, и он не смог объяснить, как, собственно, кавитация возникает. (Хотя сам пост интересный, кто не читал - рекомендую. Для общего развития.)

Но уж больно длинный коммент получился. Поэтому вынес его в отдельную статью.

Причина кавитации - вязкость жидкости.

Проведём мысленный эксперимент.

Возьмём ванночку, наполненную жидкостью, с плоским дном. Опустим в жидкость жёсткую пластинку в виде прямоугольника так, чтобы, к примеру, она касалась дна. Будем рассматривать для упрощения зону пластины около дна ванночки, чтобы исключить влияние засасывания воздуха с поверхности жидкости при движении пластины.

Теперь начнём перемещать пластину по дну ванночки перпендикулярно плоскости пластины.

Что при этом произойдёт с жидкостью?
Естественно, "природа не терпит пустоты". Со стороны пластины, удаляющейся от жидкости в направлении движения пластины, возникнет свободное пространство, которое за счет внутреннего давления жидкости будет быстро заполняться молекулами самой жидкости.

Если движение пластины достаточно медленное, то жидкость как-бы приклеивается к пластине. И никакого эффекта кавитации не происходит. Пластина фактически движется в жидкости и вместе с ней.

Теперь мысленно увеличиваем скорость движения пластины в жидкости.
Естественно, в какой-то момент молекулы жидкости перестанут успевать заполнять освободившееся пространство. Прежде всего за счет свойства текучести (то бишь - вязкости) жидкости.
Именно в этот момент и возникает эффект кавитации.

Естественно, за счет локальных неоднородностей жидкости и поверхности пластины, на поверхности пластины возникнут небольшие пустоты в жидкости, внутри которых давление резко падает (ибо в этих пустотах практически отсутствуют молекулы какого-либо вещества). То есть это будут "пузырьки наоборот". Почему наоборот? Потому, что пузырьки, возникающие при кипении, к примеру, воды, содержат пар, создающий избыточное давление внутри пузырька, но еще недостаточное для того, чтобы преодолеть силы поверхностного натяжения воды, образующего саму поверхность пузырька. Понятно, что, за счет множества факторов, связанных с неоднородностью возникшей поверхности пузырька и воздействием окружающей среды, эти пузырьки быстро лопаются (если, конечно в воду не были предварительно добавлены ПАВ). Но это уже к сути данной статьи отношения не имеет...

Вернёмся к нашим "пузырькам наоборот" или жидкостным кавернам.

В соответствии с уравнением Клапейрона — Клаузиуса (иногда называемым уравнением Клапейрона) точка кипения жидкости уменьшается при падении давления. То есть, жидкость закипает тогда, когда давление её насыщенного пара сравнивается с внешним давлением. Если внешнее давление падает, то и для достижения равенства требуется меньшая температура.

Внутри каверны первоначально давление практически близко к нулю. Поэтому жидкость с поверхности каверны практически мгновенно "вскипает". Вот откуда в каверне пар.

Однако "схлопывание" каверны происходит и без влияния "конденсации пара внутри неё". Просто из-за быстрого заполнения каверны молекулами окружающей её жидкости.

А как быстро заполняется каверна жидкостью также зависит от ВЯЗКОСТИ жидкости!

Соответственно, быстрое схлопывание каверны приводит к выделению большого количества энергии в очень маленьком объёме. И чем быстрее каверны схлопываются, тем "хлестче" получаетяс сам удар от схлопывания. Отсюда и возникают огромные ударные давления, действующие разрушительно, прежде всего, на поверхность движущейся пластины (как удары резинкой рогатки). Но эти удары также действуют и на дно ванночки.

Отсюда же становится понятно, откуда берётся энергия для образования каверн - часть энергии перемещения пластины.

Для развития воображения проведите этот мысленный эксперимент, погрузив пластину в

• жидкий гелий,
• воду,
• ртуть,
• мёд (хотя жидкость из него - так себе)

Пример использования кавитации в "мирных целях"

Пайка алюминия.

Алюминий - химически агрессивный металл. На поверхности алюминия при взаимодействии с кислородом воздуха образуется оксид алюминия с химической формулой Al2O3. Причём плотный слой окисной плёнки мгновенно восстанавливается на воздухе и предохраняет металл от дальнейшего окисления и коррозии. Собственно этот слой и его "мгновенное появление" и делают алюминиевую посуду безопасной.

Однако, этот же оксидный слой препятствует пайке алюминиевых деталей между собой.

В качестве одного из вариантов решения этой задачи очень давно используются ультразвуковые паяльники.

Принцип их действия:

Жало паяльника вибрирует с ультразвуковой частотой.
При этом место пайки заливается жидким флюсом так, чтобы кончик жала находился под ним.
Ультразвуковые вибрации вызывают кавитацию жидкого флюса, ударная энергия которого разрушает окисный слой на алюминии.
А так как это разрушение происходит под слоем флюса, то детали из чистого алюминия и припаиваются друг к другу.

Главное - медленно вести жалом по паяемой поверхности, иначе ничего не припаяется. Ибо окисный слой не успевает быть разрушенным...

Остальное - можно почитать в вышеуказанной ссылке.

Ибо ЯП - развлекательный портал, а не научный журнал.