Российские исследователи изучили подъемную силу, действующую на твердые тела, колеблющиеся в жидкости. Помимо фундаментального значения, эксперименты послужат оптимизации технологических процессов очистки воды. Результаты проекта опубликованы в журнале Physics of Fluids. Научная работа выполнена при финансовой поддержке Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда.

«Изученные нами эффекты могут послужить предпосылкой для разработки и создания прототипа так называемого вибрационного фильтра очистки несжимаемых вязких жидкостей. А это особенно актуально для стран со значительным объемом водных ресурсов, в том числе для России», — говорит руководитель проекта по гранту РНФ Виталий Щипицын, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики и технологии ПГГПУ (Пермь).

Очищение воды — важная проблема рационального природопользования, для решения которой используются различные методы. Один из них заключается в том, что благодаря вибрации и центробежной силе твердые частицы взвеси концентрируются в одном месте и могут быть отделены от воды. Но для эффективного применения метода необходимо знать особенности динамики колеблющихся систем.

Так как загрязненная вода состоит из жидкости и твердых тел с разными характеристиками, то есть является многофазной системой, ее нельзя изучать с помощью простой модели сплошной среды. В многофазной системе свойства жидкости различны в нескольких фазах, или слоях, и при переходе от одной к другой меняются скачкообразно.

Изучением этих физических явлений занялись сотрудники лаборатории вибрационной гидромеханики ПГГПУ. Они изготовили экспериментальную установку, которая состоит из горизонтального кольцевидного канала с перегородкой и механического вибратора, подающего высокочастотные вращательные колебания. Канал заполнен вязкой текучей смесью воды и глицерина. В этот резервуар ученые поместили цилиндрические тела различной относительной плотности. Цилиндры обладали нейтральной плавучестью, то есть их масса была равна массе вытесняемой ими жидкости. Разница в плотности твердых тел и смеси была невелика. В стабильном состоянии легкий цилиндр находился у верхней границы полости, а тяжелый — на дне.

В ходе экспериментов частота и амплитуда вибраций менялись. При определенной интенсивности колебаний тяжелое тело отталкивалось от дна, а при дальнейшем повышении частоты вибраций перемещалось к внутренней границе кольцевидного канала, так и не касаясь ее. Когда ученые увеличивали амплитуду колебаний, хватало более низкой частоты для резкого отталкивания цилиндра от границ полости. Динамика легкого тела схожа. Оно отталкивалось от верхней границы полости, сначала плавно, потом скачкообразно, но приближалось к нижней границе незначительно.

Подъемная сила, она же — выталкивающая сила Архимеда, которую можно было наблюдать в ходе экспериментов, является равнодействующей всех сил давления жидкости, приложенных к погруженному телу. В данном случае эта сила не только статическая, но и динамическая. Она возникает вследствие вязкого взаимодействия цилиндра со стенкой и благодаря вибрациям жидкости относительно полости. А стремительное передвижение цилиндров после монотонного отталкивания от стенки — характерная черта именно многофазной системы, в которой есть слои с отличающимся сопротивлением движению.

Ученые экспериментировали с цилиндрами разных диаметров и с жидкостью разной вязкости. Исследователи выявили основные закономерности движения твердых тел нейтральной плавучести. Дальнейший теоретический анализ опытов позволит создать модель вибрационного очистителя воды, который сможет производить колебания нужной интенсивности для концентрации и выделения из воды тел-загрязнителей с различными характеристиками.