Рост и схлопывание пузырьков

Кавитационный пузырёк за время своей жизни проходит две важнейшие стадии — рост и схлопывание. В большинстве случаев эти процессы происходят с разной скоростью, причём эта разница принципиальна и обуславливает многие особенности кавитации.

Асимметрия роста и схлопывания

Рост кавитационного пузырька почти всегда происходит намного медленнее, чем его схлопывание — и чем выше напор жидкости, тем больше эта разница. Дело в том, разрыв потока определяется «отрицательным» давлением, то есть разрывающими усилиями, возникающими в толще жидкости. Для сверхчистых жидкостей в специальных условиях эти усилия могут достигать весьма существенных величин, однако в обычных условиях, да ещё в движущемся потоке, жидкость рвётся почти без усилий. С учётом того, что перед разрывом все части жидкости в ближайших окрестностях точки разрыва имели практически одинаковую скорость, их расхождение будет достаточно медленным, что ограничивает скорость роста каждого отдельного пузырька. Если условия требуют более интенсивного роста, то это будет компенсироваться увеличением количества точек разрыва, т. е. бульшим дроблением жидкости — вплоть до превращения её в пену, — но сами образующиеся пузырьки будут иметь примерно один и тот же размер. По мере дальнейшего роста в зависимости от расположения исходных «точек разрыва», эти пузырьки могут разрастаться и объединяться. При стабилизации кавитационных условий возможна «перегруппировка» пузырьков, когда часть из них исчезнет, а оставшаяся часть увеличится в размерах, однако этот процесс потребует достаточно заметного времени, исчисляемого как минимум несколькими миллисекундами.

Когда условия для кавитации пропадают и внешнее давление начинает нарастать, стенки пузырька устремляются навстречу друг другу. Этот процесс прямо определяется внешним давлением, и чем оно выше, тем больше сила, действующая на стенки, тем больше их ускорение. Правда, поскольку максимальная скорость передачи механических воздействий в жидкости определяется скоростью распространения в ней звука, скорость схлопывания не должна превысить скорость звука (взаимная скорость в месте схлопывания и определяемая ею сила гидроудара, соответственно, — удвоенную скорость звука). Однако и этого более чем достаточно для достижения фантастических давлений. Скажем, оценка по формуле Жуковского для воды даёт давление в точке схлопывания порядка 4 ГПа (примерно 40 000 атмосфер, что соответствует напору водяного столба высотой 400 км). Это на один-три порядка превышает пределы прочности почти всех известных материалов, включая сталь, — как на сжатие, так и на растяжение.

Таким образом, можно сказать, что во время роста пузырьков ничего особо экстремального и разрушительного не происходит. Всё самое необычное может происходить лишь в момент схлопывания пузырька. Это подтверждается экспериментальными фактами, например, однозначно установлено, что вспышки при сонолюминесценции происходят именно в момент схлопывания пузырька, а не в период его образования.