Также по теме

ФИЗИКА ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ

ФИЗИКА ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ, исследование влияния, оказываемого на вещество очень высокими давлениями, а также создание методов получения и измерения таких давлений. История развития физики высоких давлений – удивительный пример необычайно быстрого прогресса в науке, опирающейся, в основном, на свои, достигнутые в прошлом, успехи. Возникновение физики высоких давлений как области серьезной научной деятельности восходит к выполненным почти 200 лет назад и опубликованным Лондонским королевским обществом экспериментам Дж.Кантона (1718–1772), в которых он установил, что вода, считавшаяся до того несжимаемой жидкостью, обладает измеримой сжимаемостью. После этого на протяжении почти 50 лет ничего существенного в физике высоких давлений получено не было. Затем темпы прогресса постепенно нарастали, и к концу 19 в. сформировались крупные исследовательские центры в Великобритании, Франции и Германии. В начале 20 в. бум исследований в этой области дошел до России и США, а ныне они ведутся в академических и промышленных лабораториях всего мира, причем уровень давлений возрастает и получаются все более важные результаты. Напомним, что под давлением понимается не просто сила, а сила, отнесенная к единице площади. Очень высокое давление можно получить, располагая сравнительно небольшой силой, если приложить ее к достаточно малой площади.

Технические проблемы.

Из основных проблем можно указать следующие три: проблема предотвращения протечки жидкости, в которой создается давление и которая передает это давление, проблема предотвращения разрушения сосуда, ограничивающего область высокого давления, и проблема точнoгo измерения давления и вызываемых им физических эффектов. К настоящему времени эти проблемы в значительной мере решены, а в тех случаях, когда решения не вполне удовлетворительны, известны принципы, на которых должно быть основано адекватное решение.

Проблема протечки.

Поначалу проблема предотвращения протечки была самой трудной. В первых исследованиях с высокими давлениями соединения уплотняли сургучом (рис. 1,а); хорошо спроектированными соединениями такого типа можно было пользоваться до давлений порядка нескольких сот атмосфер. (Атмосфера как единица давления равна атмосферному давлению при нормальных условиях, т.е. 0,1 МПа.) Для более высоких давлений применяли соединения, которые и сейчас часто используются в гидравлических установках, с упругой прокладкой, зажимаемой между двумя фланцами (рис. 1,б). Однако такие уплотнения не выдерживали давления порядка тысячи атмосфер, поскольку из них выбивались прокладки. В конце 19 в. эту трудность удалось устранить французскому физику Э.-И.Амага (1841–1915), который так изменил конструкцию соединения, что мягкая прокладка была со всех сторон окружена поверхностями металлических деталей и не могла быть выбита. Такое уплотнение выдерживало давления до 3000 атм. Протечка возникала, лишь когда давление жидкости сравнивалось с давлением, которое создавалось затягиванием винтов или гаек, сжимающих соединение.

      Рис. 1. ТРИ СПОСОБА УПЛОТНЕНИЯ соединений высокого давления. а – в первых экспериментах соединения уплотняли сургучом; б – фланцевое соединение на винтах; в – самоуплотняющееся соединение. Первые два способа уплотнения ненадежны, т.к. сургуч и прокладка могут быть выдавлены наружу. В соединении в прокладка полностью закрыта, и при увеличении давления лишь повышается плотность соединения.

В начале 20 в. П.Бриджмену удалось сделать завершающий шаг на пути создания конструкции соединения, плотность которого автоматически повышается под действием самого давления (рис. 1,в). Если такое соединение правильно спроектировано, то протечка жидкости невозможна, сколь бы велико ни было давление, и предел достижимого давления определяется лишь прочностью деталей, ограничивающих область высокого давления. Парадоксально, но проблема предотвращения протечек при комнатной температуре решается сама собой, если давление выше ~30 000 атм., поскольку все жидкости и большинство газов затвердевают при таких давлениях и обычных температурах.

Прочность сосудов высокого давления.

Вторая проблема – проблема прочности ограничивающего сосуда – возникла уже при сравнительно невысоких давлениях. Трудности такого рода почти всегда были связаны с дефектными материалами; эти трудности отпали в результате успехов материаловедения и технологии производства.

Когда же стали достижимы давления, измеряемые десятками тысяч атмосфер, не было адекватных теоретических представлений о том, чего следовало ожидать, и прогресс стал возможен лишь на эмпирической основе. Тем не менее было ясно, что прочность сосуда, работающего под давлением, нельзя обеспечить, увеличивая лишь толщину его стенок. Напряжения и деформации растяжения сосуда концентрируются в средней части его стенки, и увеличение толщины стенки выше некоторого предела ненамного повышает прочность сосуда. Максимальное давление, достижимое при использовании лучших из имеющихся в настоящее время сталей в сочетании с методом предварительного нагружения сосуда внешним давлением, составляет примерно 20 000–30 000 атм.

Для получения давлений, значительно превышающих указанное, необходимо усложнить конструкцию. Разработан ряд схем такого усложнения. В самой простой из них (рис. 2) сосуду высокого давления снаружи придается коническая форма. По мере повышения внутреннего давления весь такой сосуд вдавливается независимо управляемым гидравлическим прессом в массивное соответствующее сосуду по фopмe и размерам кольцо, так что на сосуд действует давление извне, увеличивающееся согласованно с повышением внутреннего давления. Таким способом достигаются давления порядка 60 000–70 000 атм. – вдвое большие, чем на установках с простыми сосудами высокого давления. Для достижения еще более высоких давлений можно использовать принцип мультипликации (рис. 3), при котором аппарат высокого давления полностью помещается внутрь аппарата менее высокого давления типа показанного на рис. 2. Теоретически нет предела для давлений, которых можно было бы достичь, увеличивая число ступеней мультипликации. Но из-за технических трудностей пока что удалось осуществить только двухступенчатую схему.

      Рис. 2. АППАРАТ BЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, схема. При повышении давления в камере, вызванном перемещением поршня, боковые стенки конического сосуда высокого давления сильнее сжимаются наружным кольцом.            Рис. 3. МИНИАТЮРНЫЙ АППАРАТ для получения очень высоких давлений. Он помещается в наполненную жидкостью камеру давления аппарата, показанного на рис. 2; конический сосуд поддерживается стальным кольцом и, еще более эффективно, гидростатическим давлением окружающей жидкости.