На Всероссийской молодежной конференции по фундаментальным и инновационным вопросам современной физики, проходившей в ФИАН, был представлен доклад исследователей из Центрального института авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, который дал понять, что даже очень хорошо известные физические явления таят в себе неожиданные сюрпризы. О представленных в ФИАН исследованиях, их исторических корнях и перспективах «ФИАН-информ» рассказал научный руководитель группы, доктор технических наук Лепешкин Александр Роальдович.

    Молодые ученые занимались исследованием температуропроводности металлов в поле действия центробежных ускорений и сил. Казалось бы, что здесь может быть интересного? Теория тепло- и температуропроводности металлов разработана уже давным-давно, веке так в XIX, а тут... Но, оказывается, не все так просто. Рассказывает Александр Роальдович:

    «Честно говоря, когда мы начинали свои исследования, даже и не подозревали о том, что стоим на пороге чего-то необычного. Нас интересовал механизм распространения тепла по металлическому проводнику в зависимости от его положения относительно оси вращения, например, Земли.

Рисунок 1. Схема установки теплопроводников и электронагревателя на диске

    Дело в том, что исследование температуропроводности материалов в поле центробежных ускорений и сил – весьма актуальная задача для физики и авиакосмической техники. Теоретически было сделано предположение, что, учитывая влияние центробежных ускорений Земли, в самом механизме распространения тепла в горизонтально и вертикально расположенных проводниках должны быть различия. Вот мы и решили проверить. При передаче тепла по горизонтально и вертикально расположенным проводникам разница температур на их концах составила небольшую величину 0,5-1,0 °C, современная аппаратура позволяет зарегистрировать такое изменение температуры. Это означает, что температуропроводность вертикального и горизонтального проводников неодинакова в поле земного тяготения Земли и отличается незначительно. Для читоты эксперимента влияние магнитного поля Земли в данном эксперименте устранялось.

    Далее было сделано более интересное предположение. Если на температуропроводность проводников, расположенных в разных направлениях, влияет поле земного тяготения (в условиях 1g), то влияние больших центробежных ускорений (более 5-10 тыс. g) будет более значимо. Результаты же превзошли все наши ожидания.»

Рисунок 2. Диск с проводниками внутри вакуумной камеры разгонного стенда

    Эксперимент, который был поставлен под руководством А.Р. Лепешкина, на первый взгляд довольно-таки прост. На металлический диск крепились два теплоизолированных металлических проводника из копелевого сплава: один в радиальном, а другой – в тангенциальном (по окружности) направлении (рисунок 1). К одному из концов каждого проводника подводилось тепло, а с другого конца снимались показатели роста температуры. Оба проводника были во всем абсолютно одинаковы (материал, длина, источник тепла и т.д.), кроме одного – ориентации относительно оси вращения. Экспериментальные исследования передачи тепла по проводникам проводились в вакуумной камере разгонного стенда (рисунок 2). Базовые измерения, в статическом состоянии без вращения, показали, что изменения температуры на свободных концах обоих проводников абсолютно идентичны. Тогда, убедившись в аналогичных характеристиках в стационарном состоянии, исследователи начали вращать систему, продолжая проводить измерения температур проводников при нагреве. Изменения температур на концах проводников представлены на рисунке 3. И в результате было зафиксировано, что скорости нагрева проводников увеличились. У радиального проводника скорость нагрева увеличилась в 2,5 и 3 раза на частотах вращения 2500 и 5000 об/мин (2500 и 5000 g), что показано на рисунке 4. Причем, для тангенциального проводника эти изменения были меньше – скорость нагрева была меньше на 20...40 % по сравнению со скоростью нагрева радиального проводника.

Рис. 3. Температура t1 на конце радиального теплопроводника в зависимости от времени τ нагрева при разных частотах вращения: 1 – 0 об/мин, 2 – 2500 об/мин (2500 g), 3 – 5000 об/мин (5000 g)

Рис. 4. Скорость нагрева u1 на конце радиального теплопроводника в зависимости от времени τ нагрева при разных частотах вращения: 1 – 0 об/мин, 2 – 2500 об/мин (2500 g), 3 – 5000 об/мин (5000 g),4 – температура электронагревателя tН

    Комментирует Александр Роальдович: «Скорость нагрева проводника в радиальном направлении возросла более, чем в 2 раза! Этого никто не мог ожидать. Все известные теории дают прогноз роста на 20...30 %, ну, в крайнем случае, на 40 %, но никак не на 200...300 %. Впрочем, физика этого явления не так уж и фантастична, все вполне объяснимо в рамках существующих теорий по теплопереносу в металлах.»

    Известно, что в металлическом проводнике содержится довольно-таки большое число свободных электронов, до 10²² электронов на 1 см³. Температуропроводность металлов напрямую зависит от свободных электронов, которые как раз и являются переносчиками тепла из одного конца проводника в другой.

    Под действием центробежных ускорений во время вращения увеличивается скорость перемещения (дрейфа) свободных электронов в радиальном направлении (от центра вращения к периферии), что и вызывает увеличение температуропроводности в металле. Когда же проводник расположен вдоль длины окружности, то здесь «работают» не столько центробежные ускорения (инерционные силы), сколько силы Кориолиса. Поэтому в тангенциальном направлении также наблюдается увеличение температуропроводности. Однако, поскольку силы Кориолиса по величине меньше центробежных инерционных сил, это увеличение также меньше на 20...40 % от радиального направления. Важно отметить следующее. В наблюдаемом новом физическом эффекте роста температуропроводности присутствуют две составляющие: от действия центробежного ускорения и растягивающей центробежной нагрузки. На основе полученных экспериментальных данных на установке с осевым нагружением в данной работе вторая составляющая (фононная) равна, примерно, 10...20 %, а остальная большая часть – первая составляющая (электронная) связана с влиянием ускорения.

    Александр Роальдович: «Категорично утверждать, что это совершенно новое, ранее не известное физике явление, нельзя. В истории физики известны схожие по характеру работы русских физиков Л.И. Мандельштама и Н.Д. Папалекси, дополненные американцем Р.Ч. Толменом. Они брали катушку с медным проводом, раскручивали ее до максимальной частоты вращения и резко тормозили. В результате в катушке регистрировался импульс электрического тока при отсутствии каких-либо дополнительных источников энергии. Уже тогда Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси связывали это явление с движением свободных электронов под действием ускорений. Но по вполне известным историческим причинам, это были 1913-1914 годы, эти работы не нашли продолжения. Так что у исследуемого нами явления, я бы сказал, очень благородная «родословная», насчитывающая уже 100 лет. Разве что мы исследуем несколько другой класс явлений в металлах – тепловые процессы в поле центробежных ускорений. И, насколько мне известно, до сих пор никто в мире подобные процессы не исследовал и не описывал.»

    В настоящее время исследования носят эмпирический характер. Помимо исследования изменений температуропроводности перед учеными стоят и вопросы выяснения того изменится ли под действием центробежных ускорений (инерционных сил) и, если да, то – как, известный закон Видемана-Франца, описывающий зависимости между температуро- и электропроводностью в металлах. Необходимо выяснить зависимость роста температуропроводности от величины угловой скорости и т.д. И, как всегда бывает, когда появляется новое физическое явление, необходимо развитие теоретического описания явления. На сегодня исследователям ясно, что наблюдаемый ими эффект – не дело случая или погрешности в приборах, а реально существующая закономерность. И ясно, что это явление имеет довольно-таки важное практическое значение. Первые результаты исследований уже представлены на зарубежных и российских конференциях и опубликованы в журналах по теплофизике, получен патент на способ и устройство для определения теплофизических характеристик материалов в поле центробежных сил.

    «Нам еще многое предстоит выяснить. Например, мы уже точно установили, что изменение скорости нагрева для различных сплавов происходит по-разному. Но до сих пор остается под вопросом влияние длины проводника, величины ускорения и многое другое.

    Однако на сегодняшний день точно ясно – эти исследования очень важны для дальнейшего практического применения. Если говорить о практическом применении результатов наших исследований температуропроводности материалов, то первое, что приходит на ум – тепловые расчеты вращающихся деталей: лопаток авиационных двигателей и энергетических турбин, деталей машин и т.д. Эти расчеты позволят более корректно оценить тепловое и термонапряженное состояние и долговечность вращающихся деталей. Нынешние расчеты ведутся на основе параметров (теплофизических свойств металлов), полученных для статических состояний без вращения, но, как мы выяснили, вращение и, следовательно, ускорение вносит свои коррективы в эти оценки» – отметил в заключение Александр Роальдович.

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»