скачать книгу бесплатно
В – вещество со многими маленькими полостями.
Рис. 5.50. Закономерность дробления полости
Общая закономерность при движении от A к D и на каждом этапе в отдельности: количество полостей увеличивается, а их размеры уменьшаются.
Управление капиллярно-пористыми материалами (КПМ) в процессе их использования осуществляется по следующей закономерности (рис. 5.51).
1. Полость.
2. Структурированная полость (полость, имеющая определенную структуру).
3. Полость, заполненная веществом.
4. Воздействие на введенное в полость вещество полями с использованием различных технологических эффектов ТЭ (физических, химических, биологических и геометрических).
Рис. 5.51. Управление капиллярно-пористыми материалами (КПМ)
где
# – структура полости,
В – вещество,
ТЭ – технологический эффект.
Эта закономерность характерна для каждого из этапов A—D.
Структурирование, заполнение веществом и использование технологических эффектов возможны для любых размеров и любого количества полостей, в том числе и одной.
Структурирование полостей осуществляется:
– созданием перегородок определенной формы;
– созданием ячейки определенной формы, из которых собирается общая структура.
Полости могут заполняться веществом. Это вещество может быть газообразным, жидким, гелеобразным и твердым, которое под воздействием различных полей может, например, увеличивать объем, а, следовательно, и создавать давление.
При этом используются разнообразные технологические (физические, химические, биологические и геометрические) эффекты.
На этапах A и B используются следующие технологические эффекты:
– физические:
избыточное давление (пневмо- и гидро), тепловое расширение, фазовые переходы первого и второго рода, в том числе эффект памяти формы, изменение кажущейся плотности магнитной и реологической жидкости в магнитных и электрических полях, действие магнитного поля на ферромагнитное вещество, центробежные силы, взрывчатые вещества, электрогидравлический удар;
– химические:
разложение гидратов и газогидратов, разбухание металлов при разложении жидкого озона, перевод в химически связанный вид, транспортные реакции, перевод в гидратное состояние, растворение в сжатых газах, перевод в гидриды, в экзотермических реакциях, в термохимических реакциях, растворение, разбухание геля.
– геометрические:
использование различных форм: треугольников, пятиугольников, шестиугольников, кругов, их частей (сегментов), гиперболических параболоидов, эллипсоидов, сфер и полусфер, конусов, сотовых конструкций.
Для придания большей прочности конструкций, полости заполняют жидкостями, гелями, сыпучими материалами, пластмассами и т. д.
Этап С представляет собой качественный скачок – переход на микроуровень, т.е. использование капиллярно-пористых материалов (КПМ).
Переход к капиллярной структуре изменяет требования к структурированию ячеек и использованию технологических эффектов.
В КПМ могут использоваться структуры с открытыми и закрытыми капиллярами различных размеров и направлений.
Из технологических эффектов на этапах C и D, прежде всего, используются капиллярные эффекты.
Наиболее известные из капиллярных эффектов: ультразвуковой капиллярный эффект, термокапиллярный эффект, электрокапиллярный эффект, геометрический капиллярный эффект.
Капилляр – это трубка с малым внутренним диаметром.
Капиллярные явления (от лат. Capillaris – волосяной), физические явления, заключающиеся в способности жидкости изменять уровень в капилляре.
Поднятие жидкости происходит в случаях смачивания каналов жидкостями, например, воды в стеклянных трубках, песке, грунте и т. п.
Понижение жидкости происходит в капиллярах, не смачиваемых жидкостью, например, ртуть в стеклянной трубке.
Это явление обусловлено действием поверхностного натяжения на границе раздела несмешивающихся сред.
Ультразвуковой капиллярный эффект: увеличение в десятки раз скорости движения и высоты подъема жидкости в капиллярах при непосредственном воздействии ультразвука (рис. 5.52а). На рисунке стрелкой условно показано воздействие ультразвука (УЗ) на капилляр. При воздействии УЗ жидкость в капилляре поднимается на высоту h
большую, чем в капилляре без воздействия h
(h
> h
).
Рис. 5.52. Капиллярные эффекты
Действие термокапиллярного эффекта аналогично ультразвуковому капиллярному эффекту – увеличение скорости и высоты подъема жидкости при наличии в капилляре разности температур (рис. 5.52б). На рисунке стрелкой условно показано воздействие температуры (Т
) на капилляр. Наверху капилляра температура выше, чем внизу. Это условно показано знаком плюс (+Т
). Жидкость в капилляре течет в сторону большей температуры и поднимается на высоту h
большую, чем в капилляре без воздействия h
(h
> h
).
Электрокапиллярный эффект – зависимость поверхностного натяжения на границе раздела твердых и жидких электродов с растворами электролитов и расплавами ионных соединений от электрического потенциала. Эта зависимость обусловлена образованием двойного электрического слоя на границе раздела фаз.
Воздействие электрического потенциала (+U, -U) к капилляру условно показано стрелками (рис. 5.52в). Электрический ток заставляет жидкость течь в капилляре в определенном направлении и поднимается на высоту h
большую, чем в капилляре без воздействия тока h
(h
> h
). Приложение потенциала зависит от вида жидкости.
Изменением потенциала можно осуществлять инверсию смачивания – переход от несмачивания к смачиванию и наоборот[56 - Указатель физических эффектов и явлений для изобретателей и рационализаторов. – Обнинск, 1977.].
Геометрический капиллярный эффект – это условное название явления (название дал автор), при котором жидкость течет в сторону меньшего диаметра капилляра (рис. 5.52 г). Диаметр верхнего конца капилляра d
меньше диаметра нижнего конца капилляра d
(d
> d
). На рисунке утрированно показано сужение капилляра. В сужающемся капилляре жидкость поднимается на высоту h
большую, чем в ровном капилляре h
(h
> h
).
Изменить диаметр капилляра можно, например, если сделать его из материала с эффектом обратимой памяти формы. Тогда можно управлять движением жидкости.
Управлять процессами, происходящими в капиллярах, можно, изменяя вязкость и смачивание жидкости всеми известными способами, в том числе и химическими, например, использование поверхностно-активных веществ. Кроме того, можно использовать ферромагнитную или реологическую жидкости и магнитное или электрическое поля.
Наиболее эффективно применение сочетаний описанных эффектов для управления процессами, происходящими в капиллярах.
Помимо указанных ранее эффектов, в линии перехода к КПМ применяются осмос и электроосмос, эффекты, связанные с сорбцией и хемосорбцией (капиллярная конденсация, фотоадсорбционный эффект, влияние электрического поля на адсорбцию, адсорблюминисценция и хемолюминисценция, радикально-рекомбинационная люминесценция, адсорбционная эмиссия, влияния адсорбции на электропроводимость полупроводника).
Выше были описаны три линии развития КПМ (см. рис. 5.49, 5.50, 5.51):
1. Монолит твердое (1) или эластичное (2) ? Вещество с одной полостью (A) ? Вещество со многими полостями (B) ? КПМ (C) ? µКПМ (рис. 5.52а).
2. Полость ? Структурированная полость ? Полость, заполненная веществом ? использование технологических эффектов ТЭ (рис. 5.52б).
3. Вещество с одной полостью A1? вещество с двумя полостями A2 ? вещество со многими полостями A3-A4 (рис. 5.52в).
Они представлены вместе на рис. 5.53.
Рис. 5.53. Линии развития капиллярно-пористого материала (КПМ)
В общем виде система развивается по всем трем направлениям, а все состояния могут быть описаны в виде морфологической матрицы, где в качестве морфем, помимо указанных трех составляющих может быть еще четвертая – виды технологических эффектов.
В упрощенном виде эту закономерность можно представить в виде схемы (рис. 5.54).
Рис. 5.54. Общая схема перехода к КПМ
Где
КПМ
– КПМ со структурированными капиллярами,
µКПМ
– µКПМ со структурированными капиллярами.
Структура полостей (ее форма) определяется функцией, которую должен выполнять данный материал или конструкция.
Например, для функции устойчивость часто делают перегородки в форме треугольников, пятиугольников, шестиугольников, кругов, их частей или других геометрических фигур. Наиболее часто встречаются полости в форме гиперболического параболоида, эллипсоидов, сфер и полусфер, конусов, сотовых конструкций.
Эти формы могут использоваться и для других функций.
5.3.6. Уменьшение степени управляемости
Закономерность уменьшения степени управляемости указывает на тенденцию создания простых приспособлений без механизации и автоматизации. Эта закономерность противоположена закону увеличения степени управляемости.
5.3.7. Закономерность увеличения степени динамичности
Определения
Развитие системы идет в направлении увеличения степени динамичности.
Динамичная система может изменять свои параметры, структуру (в частности форму), алгоритм,принцип действия и функции, чтобы наиболее эффективно достичь поставленную цель и удовлетворить потребность. Динамическая система в своем развитии может менять так же цель и потребность,приспосабливаясь к внешним и внутренним изменениям.
Изменения могут происходит:
– во времени;
– по условию.
Следствия из закономерности.
1. Статические системы стремятся стать динамическими.
2. Системы развиваются в сторону увеличения степени динамичности.
