CC BY
10
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
4. Седова О. С. Снижение производственного травматизма на основе управления организационными рисками на угольных шахтах // Горный информ.-аналит. бюл. 2007. Т. 4. № 1. с. 245-253
5. Борисов В. А. Демография. М. : ИД NOTABENE, 1999. 2001. 272 с.
6. Медков В. М. Демография : учеб. пособие. Ростов-на-Дону : Феникс, 2002. 448 с.
7. Думная Н. Н. Грязнова А. Г. Макроэкономика. Теория и российская практика : учебник. М. : КНОРУС. 2004. 608 с.
УДК 532. 62 Ванчиков Виктор Цыренович,
к. т. н., докторант кафедры «Управление техническими системами», ФГБОУВПО ИрГУПС
Мухопад Александр Юрьевич,
к. т. н., докторант кафедры «Управление техническими системами», ФГБОУ ВПО ИрГУПС
Ванчиков Артур Викторович,
аспирант Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления, г. Улан-Удэ
Мухопад Юрий Федорович,
д. т. н., профессор кафедры «Управление техническими системами», ФГБОУ ВПО ИрГУПС
УПРОЧНЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОЙ ПЛЕНКИ ЖИДКОСТИ
В НАНОТЕХНОЛОГИЯХ
V.C. Vanchikov, A.Yu. Mukhopad, A.V. Vanchikov, Yu.F. Mukhopad
REINFORCEMENT OF A LAMINATE FILM OF A FLUID IN NANOTECHNOLOGIES
Аннотация. В статье рассматривается возможность замены в электронных устройствах полупроводников на аморфные органические материалы в виде многослойной пленки. Для получения бездефектной тонкой пленки органического материала предлагается подвергать растворы внешнему воздействию реализуемого потоком жидкости. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден предлагаемый метод упрочнения тонкой пленки. Показано, что при числе Рейнольдса примерно равного шести можно получить прочные тонкие пленки.
Ключевые слова: пленка, многослойная структура, капилляр, упорядоченная структура, ламинарное течение, упрочнение.
Abstract. In paper substitution possibility in electronic arrangements of semiconductors on amorphous organic materials in the form of a laminate film is observed. For deriving of a faultless thin film of an organic material it is offered to expos solutes to an exposure implemented by a fluid stream. It is theoretically justified and experimentally the offered method of a reinforcement of a thin film is confirmed. It is displayed that at a Reynolds number about equal six it is possible to gain strong thin films.
Keywords: film, a multilayer structure, a capillary, ordered arrangement, a laminar flow, a reinforcement.
Органическая электроника - одно из самых новых и перспективных направлений в электронике, ставящее своей целью перевод электронных
устройств на новую элементную базу, где в качестве альтернативы кристаллическим полупроводникам предлагаются аморфные органические материалы. Развитие этого подхода в микроэлектронике требует решения ряда проблем. Одной из актуальных задач является разработка простых методов упорядочения структуры органических материалов. Для получения многослойных покрытий используется метод молекулярно-лучевой эпитак-сии, который позволяет наносить на поверхность подложки многослойные кристаллические пленки. В этой связи в работе [1] утверждается, что формируемые пленки имеют идеальную кристаллическую структуру, в точности воспроизводящую структуру подложки. Из этого следует, что такая бездефектная структура должна обеспечивать высокую сдвиговую устойчивость пленки к разрушающему внешнему воздействию. Однако в работе [2] сказано, что полученные искусственным путем материалы с наноструктурой очень часто обладает слабой устойчивостью к внешним воздействиям. Методов управления структурой таких материалов не существует из-за отсутствия знаний о фундаментальных физических закономерностях их образования и поведения. Кроме того, исследование многослойной пленки с нанометровой толщиной слоев сдерживается сложностью методик вакуумного напыления, требующих дорогого и сложного оборудования.
При нанесении покрытия используется метод осаждения пара на твердую поверхность (мишень); при этом мишень переводят в парообразное состояние испарением в катодных пятнах вакуум-
ной дуги или распылением ионной бомбардировкой в тлеющем разряде. Недостатком испарения является то, что поток металлической плазмы содержит микроскопические жидкие капли испаряемого материала. При распылении одной из основных проблем является транспортировка пара до покрываемой поверхности [3]. В качестве альтернативной технологии изготовления многослойных металлических систем используются методы химического и электрохимического нанесения слоев из растворов [4]. Кроме того, существуют низкотемпературные плазмохимические методы выращивания пленок на подложке, в которых для кристаллизации аморфных кластеров применяют как печные отжиги, так и импульсные отжиги с применением лазеров [5].
Между тем искусственно или естественно упорядоченная система частиц с нанометрически-ми размерами обеспечивает возникновение у некоторых веществ ранее неизвестных механических, химических, электрофизических и других свойств, проявляющихся в виде квантово-размерных, синергетически-кооперативных и других эффектов; следствием наноразмерных эффектов упорядочения являются сверхпрочность, сверхпластичность, низкий износ и т. д. [6]. В этой связи интенсивно исследуется детальный механизм скачкообразного изменения у системы частиц их физических параметров. Результаты многолетних исследований низкоразмерных структур позволяют выделить некоторые общие свойства. Наблюдается изменение геометрической структуры по сравнению с объемным материалом. Поэтому исследование механизма и разработка методики упорядочения частиц многослойной неподвижной пленки вязкой несжимаемой жидкости на поверхности твердого тела, в результате чего происходит более компактная упаковка слоев, приобретает весьма актуальное значение. Это направление как парадигма представляет теоретический и большой технологический интерес с точки зрения понятия «нано-технология» в биологии, медицине, технике.
Целью работы является разработка способа получения многослойной пленки вязкой несжимаемой жидкости с компактной упаковкой слоев и его экспериментальная реализация.
Постановка задачи
Хаотичная бомбардировка микрочастицами или каплями расплава поверхности наращиваемой пленки образует на ней поочередно слои с неровными поверхностями; и этот неконтролируемый процесс приводит к формированию неоднородной микроструктуры пленки. Кроме того, небольшой размер вакуумных камер газоразрядных устройств затрудняет использование дополнительных средств, разрешающих задачу искусственного упорядочения структуры покрытия. Для получения бездефектной тонкой пленки, состоящей из
множества слоев, при использовании методов электронно-лучевого напыления, магнетронного распыления, осаждения из коллоидных растворов или при химическом и электрохимическом нанесении слоев из растворов требуется подвергать «притирающему» внешнему воздействию молеку-лярно-шероховатую поверхность пленки; в результате можно получить более компактную упаковку слоев.
Структуру покрытия можно упорядочить, если использовать проявление «латентного периода ориентации молекул смазочной жидкости» на неподвижной твердой поверхности по направлению перемещения другой твердой поверхности. В результате «притирающего» воздействия на частицы смазки [7, 8, 9] вышеуказанное явление увеличивает «сдвиговую устойчивость» граничного слоя жидкости. Образуется пристенный слой, представляющий собой многослойную пленку, толщина которой составлена из множества последовательно сформированных наслоений. Для этой цели использована способность потока жидкости оказывать «притирающее» усилие на молекулы, находящиеся неподвижно на «поверхности» граничного слоя. В этом случае использовано свойство касательной составляющей силы динамического давления потока, которое «разглаживает» моле-кулярно-шероховатую «поверхность» неподвижного граничного слоя жидкости.
В этой связи возникает задача проведения экспериментального исследования и теоретического обоснования, указывающих на возможность реализации метода упрочнения тонкой пленки с использованием указанного режима течения.
Методика экспериментального исследования
В соответствии с теорией изотермической гидромеханики вязкой несжимаемой жидкости при постановке эксперимента в качестве модели расплавленного материала используем воду (в экспериментальной гидродинамике модельные эксперименты проводятся с использованием воды при комнатной температуре и атмосферном давлении [10]). Кроме того, в соответствии с работой [11] требуется обеспечить равномерное течение. Такое течение реализуется в горизонтально расположенном капилляре. Тогда из рассмотрения исключаются силы тяжести и конвективные составляющие сил инерции, затрудняющие анализ. В соответствии с этими условиями изготовлен капиллярный прибор специальной конструкции с горизонтальным расположенным капилляра [12]. Схема прибора приведена на рис. 1. Для обеспечения равномерного течения поддерживалось постоянство поверхности уровня в напорном сосуде 1, объем которого примерно равнялся 2 л. При этом постоянная высота уровня в сосуде 1 обеспечивалась сливной трубкой 3 и регулированием расхода
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
жидкости через трубку 6 вентилем 5. Успокоительная решетка 4 с размером отверстий порядка 1 мм устанавливалась на произвольной высоте выше расположения капилляра (она служит для гашения случайных возмущений, приносимых потоком). Сосуд 1 имеет сечение, намного превышающее диаметр капилляра 2, - для поддержания постоянной величины перепада давления. Капилляр 2 имеет длину 2 см, диаметр 0,2 мм. Жидкость, находящаяся ниже уровня расположения капиллярной трубки (уровень 0-0), выполняет задачу гравитационного уловителя от случайных примесей.
•¡¿////¿•//'/1 /7 У Рис. 1. Схема прибора для определения силы адгезии жидкости и твердого тела
Вместе с тем, движущейся силе давления противодействуют силы внутреннего трения между слоями жидкости, силы адгезии частиц потока с микрочастицами стенки капилляра, сила поверхностного натяжения, которые совместно формируют сферу капли 7 на конце капилляра. Капля отрывается в тот момент, когда ее вес станет равным или превысит на бесконечно малую величину силу поверхностного натяжения, удерживающую каплю. Такое взаимодействие сил, имеющих постоянное значение при одинаковых условиях проведения опыта, обеспечивает постоянство объема капли с течением времени при уменьшении просвета капилляра в случае увеличения толщины неподвижного граничного слоя жидкости на микроскопическую величину (вполне удовлетворительное для количественной оценки весьма малых изменений расхода, наблюдаемых в опытах [6, 8, 9, 11]). Измерение быстроты наполнения мерного сосуда постоянного и малого объема (вместимости капли) позволяет определить уменьшение объемного расхода в долях микролитра, что, в свою очередь, позволяет регистрировать увеличение толщины неподвижного граничного слоя на стенке капилляра на величину порядка нескольких слоев.
Правомерность такого представления подтверждается тем, что в работе [13] показано, что метод взвешивания капель является довольно точным методом определения величины поверхностной свободной энергии. При этом необходимо от-
метить, что устранение систематической методической погрешности от фактора механической нестабильности - образующейся цилиндрической шейки на последней стадии формирования сферы капли - достигается требованием медленного наполнения объема капли. Это обстоятельство связано с тем, что уравновешивающая сила поверхностного натяжения должна быть соизмерима с силами, которые действуют разрушающе на неустойчивую жидкую цилиндрическую шейку. Преждевременный разрыв шейки предотвращается уменьшением быстроты наполнения мерного сосуда. Так, например, если сфера капли формируется в течении 60 с, то погрешность измерения составляет всего 0,2 %. При устранении методических и инструментальных погрешностей точность определения поверхностного натяжения этим методом достигает 0,1 %.
Для определения влияния на результаты опытов материала капилляра применены капилляры из пирексового стекла, нержавеющей стали. Кроме того, в опытах использована дистиллированная и бидистиллированная вода.
Опыты проводятся в максимально стабильных условиях.
Результаты измерения времени наполнения мерного сосуда малой вместимости
На рис. 1 показано оборудование, необходимое для проведения работы: прибор для определения силы адгезии жидкости и твердого тела, из которого через капиллярную трубку каплями вытекает бидистиллированная вода. При этом для прямого измерения времени наполнения мерного сосуда постоянного и малого объема (вместимости капли) используется секундомер с пределами измерения от 0 до 30 мин, с ценой деления 0,2 с, с абсолютной инструментальной погрешностью ± 1 с за 30 мин.
Обозначим длительность наполнения мерного сосуда в начале эксперимента через Ш. Этот период характеризуется равномерностью толщины неподвижного граничного слоя жидкости на стенке капилляра, отсутствием уменьшения просвета капилляра и постоянством величины объемного расхода воды.
Данные, полученные в ходе измерения времени наполнения мерного сосуда Ш в начальный период проведения эксперимента - в точке приведенной на рис. 2 (когда начался процесс увеличения толщины граничного слоя жидкости на стенке капилляра), сведены в табл. 1.
Из табл. 1 видно, что среднее арифметическое значение длительности наполнения мерного сосуда < ^ > ~ 46,08 с.
Современные технологии. Математика. Механика и машиностроение
Т а б л и ц а 1
Результаты измерения времени наполнения мерного сосуда постоянной и малой вместимости ^
№ измерения Ъ , с | ъ - < ъ > |, с (Ъ - < Ъ >)2, с2
1 46, 4 0,32 0,1024
2 46,2 0,12 0,0144
3 45,8 0,28 0,0784
4 45,8 0,28 0,0784
5 46,2 0,12 0,0144
8 (П =
-Ип >)
п(п -1)
с к 0,12 с.
суда в начале эксперимента - когда еще не начался процесс увеличения толщины граничного слоя жидкости на стенке капилляра [14]:
5 (п (0,14)2 + (0,1)2 с к 0,2 с.
Таким образом, в результате измерения времени наполнения мерного сосуда - в начале эксперимента - получено:
(п = (46,1 ± 0,2) с.
При этом относительная погрешность измерения времени наполнения мерного сосуда составила:
0,2
8 =
-х!00 % к 0,4 %.
I ОС '20 140 160
Рис. 2. Зависимость закрытия просвета капилляра
от времени (при укладке на его стенке частиц ламинарного потока в виде многослойной пленки вязкой несжимаемой жидкости)
Если систематическими погрешностями можно пренебречь, а случайные погрешности подчиняются распределению Гаусса, то при числе измерений п = 5 с надежностью, приблизительно равной 2/3, можно принять, что абсолютная погрешность равна стандартной (среднеквадратичной) погрешности [14]:
Из таблицы значений коэффициентов Стью-дента находим для пяти измерений с надежностью, приблизительно равной 2/3, коэффициент, равный 1,2. Тогда
<гп> = (46,08 ± 0,14) с.
Полагая, что погрешность, вносимая секундомером, равна ± 0,5 цены наименьшего деления его шкалы (0,1 с), найдем стандартную погрешность измерения времени наполнения мерного со-
46,1
Для того чтобы определить величину расхода в указанной выше точке в работе [11] использовался метод взвешивания капель (приведенный в работе [13]), который позволяет достаточно точно определить вес, приходящейся на одну каплю. В результате определен вес одной капли воды, равный (46,0 ± 0,1) мг; причем масса капли распределена в объеме, равном (46,0 ± 0,1) микролитров (мкл).
Таким образом, в работах [9, 11] определяется переход ламинарного течения вязкой несжимаемой жидкости при расходе, приблизительно равном 1 мкл/с, в другой (особый) вид течения, характеризуемый процессом укладки частиц потока на стенке капилляра в виде толстой неподвижной пленки, состоящей из упорядоченных муль-тимолекулярных слоев. Результат расчета, полученный в этой работе, с учетом указанного расхода дает число Рейнольдса, приблизительно равное 6,3.
Между тем в указанных работах предполагалось, что из-за микроскопического размера молекулы потока жидкости, прилипающей к «поверхности» неподвижного граничного слоя (молекулы которого обездвижены силами адгезии микрочастиц стенки капилляра), проходное сечение капилляра уменьшается на микроскопическую величину. В процессе образования пленки, состоящей из мультимолекулярных слоев, на стенке капилляра величина такого микроскопического су-
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
жения просвета капилляра с течением времени, измеряемой десятками часов, приведет к макроскопически заметному уменьшению величины расхода. Это явление должно сопровождаться таким увеличением длительности наполнения мерного сосуда постоянной и малой вместимости, зависящего от объема капли, которую уже можно измерить, например, секундомером.
Из рис. 2 видно, что с течением времени ?, равном 23 ч 48 мин., наблюдается сужение площади просвета капилляра Бь = пг2. Образование муль-тимолекулярных наслоений на стенке капилляра из нержавеющей стали приводит к относительному изменению эффективной площади поперечного сечения капилляра. Это явление объясняется закрытием просвета капилляра БпЬ ~ 0,550. Это приводит к увеличению времени наполнения мерного сосуда постоянной и малой вместимости приблизительно на 82 %. Для капилляра из пирексового стекла время сужения составляет 42 ч 18 мин, и при БпЬ ~ 0,851 длительность наполнения этого же мерного сосуда возрастает приблизительно на 18 %.
Отношение величины сужения площади просвета капилляра = п гь2 к величине площади поперечного сечения капилляра, когда отсутствует процесс прилипания частиц потока к граничному слою Бп = п гп2, т. е. когда не происходит утолщения неподвижного пристенного слоя жидкости обозначен через БпЬ [6]. Безразмерная величина Бпь показывает, что, измеряя быстроту наполнения мерного сосуда постоянной и малой вместимости, т. е. выполняя прямое измерение времени наполнения объема капли, можно оценивать косвенно изменение толщины неподвижного граничного слоя, или, точнее, закрытие просвета капилляра: , 2
" (I)
и
пг
_ - Б 2 °пЬ-
где ^ = (?п + А ?) - увеличение длительности наполнения мерного сосуда постоянной и малой вместимости на величину А?, обусловленное уменьшением расхода - вследствие перекрытия просвета капилляра утолщением неподвижного граничного слоя. К примеру, в результате прямых измерений времени наполнения объема капли в точке 1;, равной 23 ч 48 мин, приведенной на рис. 2, получено значение ^ = (83,8 ± 0,2) для капилляра из нержавеющей стали; в точке ?, равной 42 ч 18 мин - значение ^ = (54, 2 ± 0,2) для капилляра из пирекса. Исходя из этих значений ?ь, определим среднее арифметическое значение закрытия просвета капилляра из нержавеющей стали
46,1с
< Бпг > =
83,8с
0, 550;
для капилляра из пирекса
< БпЬ > = ^^ « 0,851. 54,2с
Относительная стандартная погрешность определения величины закрытия просвета капилляра из нержавеющей стали составляет
6 Бпь / < БпЬ > =д/(0,2/46,1)2 +(0,2/83,8)2 « й 4,9х10-3.
Тогда стандартная погрешность величины закрытия просвета капилляра из нержавеющей стали
6 БпЬ = 0,550х4,9х10-3 « 0,003.
Округляя полученные значения, запишем окончательный результат в виде
Бпь = (0,550 ± 0,003).
Относительная погрешность косвенного измерения закрытия просвета капилляра из нержавеющей стали приблизительно равна 0,5 %.
Аналогично получим для капилляра из пирекса БпЬ = (0,851 ± 0,004).
Относительная погрешность косвенного измерения закрытия капилляра из пирекса приблизительно равна 0,5 %.
Таким образом, результаты измерений времени наполнения мерного сосуда показали возможность искусственного упорядочения структуры тонкой пленки в зависимости от качества материала. По аналогии расплавление материала на поверхности твердого тела, которое происходит под действием силы динамического давления потока и взаимодействия силы адгезии микрочастиц твердой поверхности, зависит от качества материала.
Обратимся теперь к формуле расхода Гагена - Пуазейля, с помощью которой покажем правомерность предположения о сужении просвета капилляра, происходящего в результате процесса утолщения неподвижной пленки жидкости на стенке капилляра, а также теоретически обоснуем экспериментально полученное соотношение (1):
V. гИ .Ар (2)
гп 4Л 2 ь '
где V - объем мерного сосуда постоянной и малой вместимости (капли); ?п - время наполнения объема V; п гп2 - площадь поперечного сечения капилляра; гп - радиус капилляра (при этом множитель (гп2)/ 2 количественно выражает влияние сил адгезии частиц потока жидкости с микрочастицами стенки капилляра на кинематические характеристики течения или, иными словами, учитывается результирующий фактор одновременного процесса прилипания частиц потока жидкости к стенке капилляра и отрыва этих частиц от последнего);
Современные технологии. Математика. Механика и машиностроение
V
ПГ
___.Ар
4п 2 Ь
(3)
где гЬ = (гп - А г) - радиус капилляра, уменьшенный на величину утолщения неподвижного граничного слоя А г; (Ь - время наполнения мерного сосуда постоянной и малой вместимости V.
Уменьшение просвета капилляра, обусловленное утолщением граничного слоя, определяется отношением величин расхода У/1Ь из выражения (3) к расходу УАп , приведенного в (2):
V V
ПГ
Ар жп 2 гп Ар
1Ь 1п 4п 2 Ь 4п 2 Ь Отсюда находим
К _ ПГЬ
ПГ
2 •
(4)
Обозначая п Гп через Sn, п Гь - SL , получим
- - с
- ~ - ° пЬ .
<Ь Sn
Кроме того,
Хп Sn = (ь SL = К, где К - постоянная величина. Из соотношения (4) следует, что произведение времени наполнения
Ар - перепад давлений на концах трубки; п - динамическая вязкость; Ь - длина капиллярной трубки.
В формуле (2) при фиксированной величине перепада давлений Ар значение гп (радиус эффективного сечения капилляра с учетом вычета микроскопической толщины неподвижного граничного слоя) после точки £, показанной на рис. 2, уменьшается с течением времени (, вследствие чего будет увеличиваться время наполнения мерного сосуда, а остальные величины - при одних и тех же контролируемых условиях проведения эксперимента - остаются постоянными.
Далее обозначим через (Ь время наполнения объема капли, достаточное для «эффекта накопления» последовательных микроскопических уменьшений величины поперечного эффективного сечения капилляра на размер прилипающих к стенке молекул жидкости в макроскопически измеряемое наслоение; в результате указанный эффект приводит к реализации возможности прямого измерения Ь Действительно, после точки £ -при продолжительном наблюдении - можно проводить прямое измерение увеличения времени наполнения мерного сосуда ХЬ, обусловленного уменьшением расхода из-за сужения просвета капилляра при утолщении граничного слоя на Аг.
Вышеуказанный процесс замедленного наполнения мерного сосуда представим следующим образом:
мерного сосуда постоянной и малой вместимости
- объема капли - на площадь поперечного сечения капилляра есть величина постоянная.
Соотношения (2)-(4) составляют основу теоретического обоснования экспериментально полученного результата (1), который показывает, что, проводя прямое измерение мерного сосуда постоянной и малой вместимости - объема капли,
- можно косвенно оценивать сужение просвета капилляра, обусловленное утолщением неподвижного граничного слоя вязкой несжимаемой жидкости на стенке капилляра.
Результаты измерения утолщения граничного слоя вязкой несжимаемой жидкости в капилляре
Микроскопический размер частицы жидкости, прилипающей слоями на стенке капилляра, а также неразличимость частицы потока и частицы неподвижного граничного слоя не позволяет прямым измерением определить величину утолщения граничного слоя вязкой несжимаемой жидкости на стенке капилляра. Для косвенного измерения величины утолщения граничного слоя воспользуемся соотношением (1) и, преобразуя его, получим
2
SnL -
= (гп -Аг)2 = 1
22 пгп г,
(
2Аг Аг
2 ^
г2
'п J
(5)
пп
где (2Дг) / гп - уменьшение просвета капилляра с течением времени X после точки £, приведенной на рис. 2. Если пренебречь величиной Дг2 / гп2 из-за ее чрезмерной малости, то равенство (5) можно представить в таком виде:
SnL (X) = 1 - (2Аг) / гп , (6)
С течением времени ^ процесс прилипания частиц потока к неподвижному граничному слою приводит к утолщению последнего, что сопровождается сужением просвета капилляра, которое уменьшает расход жидкости, т. е. после точки £, приведенной на рис. 2, эффективное сечение капилляра уменьшается во времени от 0 до
Ч
I (2Аг / гп ) а X = (2Аг / гп) ^ ,
0
где ^ - время в часах, отсчет которого ведется от точки £, принятой за нуль.
Обозначая утолщение неподвижного граничного слоя (2Дг/гп), происходящее в течение одного часа, через £, получим
SnL = 1- £ и, (7)
где SnL = 1 - отражает режим течения жидкости в капиллярной трубке, когда не происходит утолщение неподвижного граничного слоя жидкости; £ ^ - процесс утолщения неподвижного граничного слоя с течением времени Ясно, что когда £ ^ = 0,
2
2
г
Ь
Ь
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
то БпЬ = 1. Если £ = 1, то БпЬ = 0; т. е. полностью перекрывается просвет капилляра, тем самым прекращается течение жидкости через капиллярную трубку.
Поэтому в работе [11] режим течения, когда образуется мультимолекулярные слои вязкой несжимаемой жидкости на стенке капилляра, определялся числом Рейнольдса.
Из уравнений (2) и (3), а также используя гидравлическую форму уравнения неразрывности, определим среднюю скорость течения воды в капилляре:
V =
' V ^
V У
: Б,
где 8 - площадь поперечного сечения трубки.
Подставляя вышеуказанное значение порогового расхода воды, приблизительно равное 1 мкл/с, а также значение радиуса капилляра 2 (рис. 1), найдем
V й 0,032 м/с.
Далее, взяв в качестве характерного размера диаметр капилляра в формуле, определяющей число Рейнольдса, и подставляя в нее найденное значение скорости, определим
Яе = Г / Гп й 6,3 й 2 п.
В работе [8] показано, что при деформации сдвига кристалл с идеальной структурой и граничный слой жидкости в капилляре ведут себя практически одинаково. При этом коэффициент пропорциональности 1/2п между величиной предельной нагрузки (прочности) и модулем сдвига кристалла с идеальной структурой, установленный Я.И. Френкелем, количественно совпадает с коэффициентом пропорциональности между силами Гп вязкости и силами Г инерции: Г = Г, / 2п .
Кроме того, в работе [15] показано, что граничный слой вязкой несжимаемой жидкости, обездвиженной силами адгезии стенки капилляра, проявляет свойство, присущее кристаллу с идеальной структурой, т. е. имеет бездефектную структуру.
Механизм когезии частиц ламинарного потока вязкой несжимаемой жидкости к неподвижному граничному слою на качественном уровне можно представить следующим образом. Ориентирующее воздействие силы динамического давления потока по направлению течения на частицы граничного слоя приводит к упорядочению структуры последнего. Процесс упорядочения сопровождается усилением межмолекулярных связей, что приводит к увеличению «сдвиговой прочности» граничного слоя. Кроме того, в соответствии с эффектом Максвелла [16] частицы потока ориен-
тированы по направлению течения. Между слоями потока и упорядоченно расположенными слоями на «поверхности» граничного слоя возникает дополнительная сила взаимодействия, обусловленная появлением у последнего избыточной когези-онной энергии [17], сопровождаемая процессом прилипания частиц потока, что приводит к образованию мультимолекулярных неподвижных слоев вязкой несжимаемой жидкости на поверхности твердого тела.
Выводы
1. Результаты измерений времени наполнения мерного сосуда постоянной и малой вместимости подтверждают возможность реализации метода искусственного упорядочения структуры тонкой пленки расплавленного материала на поверхности твердого тела, которое происходит под действием силы динамического давления потока и закрепляется в таком положении силами адгезии микрочастиц твердой поверхности.
2. Анализ результатов косвенного измерения закрытия просвета капилляра для ламинарного течения вязкой несжимаемой жидкости показал, что произведение времени наполнения мерного сосуда постоянной и малой вместимости (объема капли) на площадь поперечного сечения капилляра есть величина постоянная.
3. Показано, что при течении расплавленного материала, характеризуемого числом Рейнольд-са, приблизительно равном 6,3, можно получить тонкие пленки, обладающие высокой сдвиговой устойчивостью к разрушающему внешнему воздействию.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Влияние дефектов структуры на поведение незамкнутых кристаллических наноструктур / С. Г. Псахье и др. // Изв. вузов. Физика. 2009. № 6. С.49-53.
2. Дмитриев С. В., Потекаев А. И., Самсонов А. В. Длиннопериодические состояния кристаллической системы частиц конечных размеров // Изв. вузов. Физика. 2009. № 6. С. 68-81.
3. Компактный источник пара материала проводящей мишени, распыляемой ионами с энергией 3 кэВ при давлении 0,05 Па / С. Н. Григорьев и др. // ПТЭ. 2009. № 5. С. 127.
4. Установка для получения металлических многослойных покрытий с нанометровой толщиной слоев / Г. В. Струков и др.// ПТЭ. 2009. № 5. С. 123.
5. Бугаев К. О., Володин В. А. Формирование на-нокластеров кремния в пленках SiNx : Н с применением печных отжигов с давлением до 11 килобар и исследование их оптических свойств
Современные технологии. Математика. Механика и машиностроение
// Нанотехнология: Наука и производство. № 2. 2010. С. 70-76.
6. Холмогоров И. В., Ванчиков В. Ц. Адгезия жидкости при обтекании поверхности твердого тела // Вестник машиностроения. 2008. № 6. С. 33.
7. Ахматов А. С. Молекулярная физика граничного трения. М. : Физматгиз, 1963. С. 208.
8. Там же, с. 367.
9. Там же, с. 369.
10. Ванчиков В. Ц. Несущая способность смазки // Вестник машиностроения. 2007. № 1. С. 37.
11.Ванчиков В. Ц. Наноразмерный эффект сил Ван-дер-Ваальса в граничном слое жидкости // Вестник машиностроения. 2008. № 6. С. 35.
12.Емцов Б. Т. Техническая гидромеханика. М. : Машиностроение, 1978. С. 134.
13. Ванчиков В. Ц. Метод определения сил когезии в вязком подслое // Вестник машиностроения. 2007. № 6. С. 40.
14. Ванчиков В. Ц. Устройство определения силы адгезии жидкости и твердого тела // Патент на полезную модель № 72764 РФ. Опубл. 27.04. 2008. Бюл. № 12.
15.Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М. : Мир, 1978. С. 22-24.
16.Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. М. : Наука, 1990. С. 582-585.
17.Ванчиков В. Ц. Адгезия жидкости к твердой поверхности обтекания // Вестник машиностроения. 2009.№ 11. С. 27-30.
18.Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П. Основы молекулярной акустики М. : Наука, 1964. С. 426.
19.Ванчиков В. Ц. Гидродинамические свойства и методы управления вязким подслоем технических систем : дисс. ... канд. техн. наук. Улан-Удэ: Восточно-Сибирский гос. технол. ун-т, 2001.
УДК 621.752 Ахмадеева Алла Абдулваровна,
аспирант, Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. (395-2) 638-357, e-mail: vgozbenko@yandex.ru Гозбенко Валерий Ерофеевич д. т. н., профессор, Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. (395-2) 638-357, e-mail: vgozbenko@yandex.ru Лыткина Елена Михайловна, к. т. н., доцент, Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. (395-2) 638-357, e-mail: vgozbenko@yandex.ru
КОЛЕБАНИЯ ЭКИПАЖА С УПРУГО-ПОДВЕШЕННЫМ ГРУЗОМ ПРИ СИЛОВОМ ВОЗМУЩЕНИИ
A.A. Akhmadeeva, V.E. Gozbenko, E.M. Lytkina
OSCILLATIONS OF A VEHICLE WITH THE ELASTIC-SUSPENDED CARGO AT FORCE PERTURBATION
Аннотация. Рассмотрена задача построения математической модели вынужденных колебаний системы «вагон - груз». Получены дифференциальные уравнения колебаний и рассмотрена возможность использования данной системы в виде динамического гасителя колебаний груза. Приведены условия гашения колебаний груза и ам-плитудно-частотн ые характеристики.
Ключевые слова: вынужденные колебания, силовое возмущение, вагон, груз, резонанс, амплитудно-частотная характеристика, частные решения.
Abstract. The problem of construction of mathematical model of constrained oscillations of «carriage - cargo» system is observed, the differential equations of oscillations are gained, and the possibility of using the given system in the form of a dynamic suppressor of oscillations of a cargo is observed.
Conditions of blanking out oscillations of a cargo and amplitude-frequency characteristics are resulted.
Keywords: constrained oscillations, force perturbation, carriage, cargo, resonance, amplitude-frequency characteristic, particular solutions.
Технология решения задач динамики машин предполагает выбор и построение динамических математических моделей. Большое разнообразие технических объектов и широкий спектр их физико-механических свойств, особенностей конструктивно-технического исполнения естественным образом приводят к разнообразию математических моделей.
Проблема виброзащиты и виброизоляции технических объектов относится к числу комплексных проблем, связанных с различными отраслями техники. Особое значение эта проблема
