Менисковая плавучесть в борьбе с цунами

Факты последних лет показывают, какой огромный материальный урон и сколько человеческих жертв причиняют волны мощных цунами, которые периодически обрушиваются на прибрежные районы ряда стран Тихоокеанского бассейна. Так, в результате катастрофического цунами в марте 2011 года в Японии погибло около 20 тысяч человек, а также была разрушена атомная станция в Фукусиме.

В статье рассмотрен новый подход в борьбе с цунами.

Можно ли бороться с цунами? По силам ли человечеству обуздать их колоссальную разрушительную энергию? Возможно ли найти от них защиту? На эти вопросы отвечает автор книги «Можно ли победить наркоманию?», экспериментатор и изобретатель, к.т.н. Вячеслав Верхоломов. Физическую сущность его способа защиты от цунами можно понять из следующего эксперимента.

«Представим, - говорит
В. Верхоломов, - два относительно небольших, примерно одинаковых по размерам и глубине круглых озера. Поверхность первого озера чистая, а у второго - покрыта густым слоем ряски (ряска - многолетняя мелкая зеленая трава, плавающая на поверхности воды). Если на середину первого озера бросить тяжелый камень, то возникшие поверхностные волны распространяются во все стороны, доходят до берега, отражаются, взаимодействуют друг с другом, то есть волны еще долго будут гулять по поверхности озера. Бросим такой же тяжелый камень на середину второго озера. Наблюдается совершенно другая картина. Возникшие волны уже на расстоянии нескольких метров от места падения камня затухают. Это произошло потому, что энергия возникших волн была израсходована на совершение работы по подъему густого тяжелого слоя ряски.

В отличие от поверхностных волн, образующихся, например, на море во время шторма, цунами являются глубокими волнами. Поэтому их разрушительная энергия несоизмеримо больше».

Далее он продолжал: «Известно, что волны цунами, возникшие, например, в результате подводного землетрясения, распространяются в открытом океане (море) с большой скоростью (до 800 км/ч). Они являются глубокими волнами, то есть простираются от дна до поверхности моря (океана). При подходе к берегу из-за взаимодействия с поверхностью берегового шельфа волна цунами меняет форму. Если в открытом океане высота волны цунами не превышает 1,5-2 м и частицы воды движутся в основном горизонтально, то при взаимодействии с шельфом частицы воды начинают двигаться вверх, увеличивая высоту волны. На береговом шельфе высота волны цунами с почти вертикальным фронтом может достигать значений от 10 до 50 м. Гигантский водяной вал, перемещающийся со скоростью ~30 км/ч, при выходе на берег производит опустошительные разрушения, зачастую с человеческими жертвами. Поэтому главной задачей является демпфирование волны, то есть если не полное гашение, то, по крайней мере, существенное (в несколько раз) снижение высоты волны цунами».

Последние несколько лет В. Верхоломов занимался экспериментальными исследованиями различных свойств поверхностных явлений применительно к решению актуальных проблем: обледенение поверхностей, защита от сосулек, борьба с цунами и др. В результате многочисленных экспериментов автор установил, что плоские тонкие тела (например, тонкие пластины, изготовленные из различных металлов), помещенные на поверхность воды, не тонут, а плавают. К слову сказать, ранее также были известны факты плавания на воде плоских тонких тел, например круглых металлических монет. Автор пришел к выводу, что основная причина явления плавучести плоских тел кроется в образовании мениска воды, то есть криволинейной поверхности воды по краям плавающей пластины.

На основании анализа полученных экспериментальных данных и соответствующих расчетных оценок был открыт новый физический закон менисковой плавучести плоских тонких тел, впервые сформулированный автором в заявке на изобретение РФ №2012115987 с приоритетом от 20.04.2012 года, опубликованной в бюллетене ФИПС №30 от 27.10.2013 г.

«Этот закон имеет следующий вид: на плоское тонкое тело, помещенное на поверхность жидкости (воды), действует менисковая выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме образующейся менисковой воронки. При этом высота воронки, а следовательно, и величина менисковой выталкивающей силы зависят от величины краевого угла (угол между касательной к поверхности капли жидкости в точке на линии смачивания и поверхностью пластины): чем больше угол, тем больше ее высота. Как правило, высота менисковой воронки в несколько раз превышает толщину пластины. Иными словами, менисковая выталкивающая сила в несколько раз превосходит соответствующую архимедову выталкивающую силу, действующую на пластину, погруженную в жидкость.

Чтобы повысить менисковую плавучесть (менисковую выталкивающую силу) тонкой металлической пластины (металлической пленки), необходимо на обе ее поверхности нанести гидрофобное антисмачиваемое покрытие с краевым углом более 120⁰ (на антисмачиваемом покрытии капля воды принимает шарообразную форму и при перекатывании не оставляет мокрого следа). Хотелось бы подчеркнуть, что покрытие наносится достаточно тонким слоем: в пределе его толщина может составить несколько нанометров (1 нанометр = 0,001 микрона)».

В качестве иллюстрации на рисунке приведено полученное автором фото алюминиевой пластинки размером 25х40 мм, толщиной 2 мм с большой каплей воды, плавающей в чашке (суммарная масса чуть более 6 г). Вода для контрастности была подкрашена. «В качестве антисмачиваемого покрытия пластинки мною использован полидисперсный графитный порошок (средний размер частиц ~10 мкм): краевой угол составил примерно 125⁰ (порошок наносился на клеевой подслой пластинки). При этом высота образовавшейся менисковой воронки получилась равной примерно 5 мм. Физически получается, что пластинка лежит как бы в «водяной люльке». Можно отметить, что масса соответствующей пластины, то есть такой же толщины и с таким же покрытием, но площадью 1 м², остающейся на плаву, равна 6 кг.

Здесь мне хотелось бы сказать о замечательных свойствах гидрофобных покрытий с высокими значениями краевого угла. Из научно-технической литературы известно, что такие покрытия обладают высокой стойкостью к коррозии, устойчивостью к биообрастанию, резким снижением коэффициента трения при скольжении по водной поверхности и др. Следует особо отметить, что в последние годы большое внимание уделяется исследованию супергидрофобных покрытий с краевыми углами более 150⁰, применение которых в рассматриваемом случае борьбы с цунами было бы чрезвычайно полезным.  Их главный недостаток заключается пока в относительно сложной технологии получения».

В соответствии с предлагаемым способом поверхность моря (океана) перед защищаемым побережьем покрывается тяжелой пленкой (предварительно на обе стороны пленки наносится антисмачиваемое покрытие). Волна цунами при перемещении к берегу совершает работу по подъему тяжелой пленки и полностью расходует свою гигантскую энергию, то есть происходит ее демпфирование. Как показали проведенные автором расчетные оценки, чтобы задемпфировать волну цунами высотой 10 м, длина пленки (изготовленной, например, из тонколистового металла) с удельной массой 5 кг/м² составляет примерно 3 км. Понятно, что с увеличением удельной массы пленки уменьшается ее потребная длина.

«В случае защиты ограниченного участка побережья боковые части пленки, возможно, придется изготавливать с переменной по ширине удельной массой, чтобы получить плавный по высоте переход от периферии к основной, центральной части защитной пленки.

При этом предпочтительным, по-видимому, вариантом будет тот, при котором защитная пленка встретит волну цунами в открытом море, когда ее высота еще небольшая.

Нельзя исключить также возможность искусственного, рукотворного профилирования поверхности подводного берегового шельфа, чтобы, если так можно выразиться, в определенной степени управлять процессом возникновения и профилем волны цунами.

При современном высоком технологическом уровне изготовление такой пленки не является неразрешимой проблемой».

Тяжелую пленку по секциям (шириной примерно 25-50 м) можно, как это предлагается в способе, сворачивать в рулоны на подвижных осях, установленных в подшипниках на опорах, прочно закрепленных на дне (или на берегу). При возникновении опасности цунами пленка разматывается по поверхности моря, например, с помощью быстроходных судов (лебедок), а сами суда уходят в открытое море навстречу цунами. Как уже выше сказано, вдали от берегового шельфа высота волны цунами не превышает 1,5-2 м и не представляет большой опасности для судна.

Таким образом, на основании нового физического закона менисковой плавучести плоских тонких тел, открытого в России, представляется возможным организовать защиту особо важных участков побережья от разрушительного воздействия волн цунами.

Верхоломов Вячеслав Кириллович после окончания Ленинградского военно-механического института более сорока лет проработал в ЦИАМ. Кандидат технических наук. Соавтор двух книг по авиационным двигателям и автор книги «Можно ли победить наркоманию?», 2010 г. Он автор 8 патентов, в том числе способа защиты крыш от сосулек (патент РФ №2457045, 2012 г.) и способа защиты водосточных элементов крыш от обледенения (патент РФ №2495208, 2013 г.).

Вячеслав Борцов