«Золотой век» гидродинамики

Годом появления гидродинамики как науки можно считать 1628 год, когда была издана маленькая работа Бенедетто Кастелли. В ней, несмотря на исходные ошибочные предпосылки, он довольно точно для своего времени объяснил несколько явлений при движении жидкости в реках и каналах. Однако и до этого были попытки исследований сопротивления среды движению тела такими известными учеными, как Леонардо да Винчи и Галилео Галилей. Впоследствии большой вклад в развитие гидродинамики внесли Ньютон, Эйлер, Торричелли, Бернулли, Даламбер и многие другие.

Современная наука развивается по экспоненте. Это происходит потому, что достижения в одной сфере дают материал для создания новейших инструментов, применяемых для исследований в других сферах. Поэтому будет справедливым сказать, что для гидродинамики наступил настоящий «золотой век». При этом изменился подход к исследованиям. Сейчас значительно усовершенствовались способы получения экспериментальных данных. Если раньше строилась теория и потом подтверждалась или опровергалась экспериментом, то сегодня теория основывается на комплексе высокоточных измерений.



Для исследования ламинарных и турбулентных потоков жидкости в Институте Макса Планка сейчас используется камера, делающая до 1 млн. кадров в секунду. Предыдущая камера была в 500 раз медленнее и снимала 2000 кадров в секунду. При изучении турбулентного потока с помощью камер можно отследить тысячи частиц. Их траектории и скорость перемещения преобразуются в массивы данных, которые затем обрабатываются мощной вычислительной техникой. Это позволяет строить числовые модели происходящих процессов и лучше понимать природу таких явлений как, например, турбулентность.

Изучение процесса образования капель в облаках может значительно повысить точность прогнозирования погоды. Специально для этого на горе Цугшпитце (2 962 м / 9 718 футов) была создана лаборатория экологической научно-исследовательской станции Германии. Вдоль 7-метрового железнодорожного пути установлены 4 высокоскоростные камеры. При прохождении через них облака, камеры дают возможность изучить в мельчайших деталях процессы, протекающие в объеме нескольких кубических сантиметров. Исследователи наблюдают, как мелкая водяная пыль под воздействием турбулентности соединяется в более крупные капли.

Другими словами, они изучают зарождение дождя. Но ученые не намерены останавливаться на существующих возможностях и уже проектируют доставку высокоскоростных камер в облака при помощи гибрида бумажного змея и воздушного шара.

Насколько разнообразны сферы применения гидродинамики, можно судить по ее основным разделам:

• Идеальная среда – этот раздел изучает поведение идеальной жидкости, в которой при описании можно пренебречь внутренним трением, теплопроводностью и касательными напряжениями.
• Гидродинамика ламинарных течений – изучает движение равномерных потоков без пульсаций и перемешивания слоев.
• Турбулентность – очень сложный для моделирования процесс. Турбулентность возникает при резком отклонении давления, скорости, температуры, плотности от каких-то усредненных значений. Например, в зоне прибоя, падающая волна смешивается с воздухом, образуя пену. Часто пассажиры самолетов ощущают вибрацию при попадании летательного аппарата в зону турбулентности. Также явление турбулентности мы можем наблюдать в кипящей воде. Это очень важный раздел, без которого не строится ни один трубопровод.
• Сверхзвуковая гидродинамика – специфический раздел, изучающий поведение течений при скоростях приближающихся или превышающих скорость звука. Главной особенностью поведения таких потоков является возникновение ударных волн.
• Тепломассообмен – изучает сложное поведение жидкостей с неравномерным распределением температуры. При этом могут локально изменяться свойства среды, такие как плотность, вязкость, теплопроводность.
• Геофизическая гидродинамика – изучает природные явления планетарного масштаба. Сюда входят движения воздушных потоков, морские и океанские течения, циркуляция в жидком ядре и многое другое.
• Магнитная гидродинамика – описывает движение электропроводящей жидкости в магнитном поле. Кроме того, этот раздел изучает явления космической физики: хромосферные вспышки на солнце, происхождение магнитных полей галактик, солнечные пятна.
• Реология – изучает движение нелинейных жидкостей, к которым относятся гели, пасты, псевдопластики, вискоэластики. Реология широко используется в материаловедении и в изучении геофизических процессов.
• Прикладная гидродинамика – работает с конкретными научно-техническими задачами.

Развитие струйной печати

Одним из направлений прикладной гидродинамики является струйная печать. Более 15 лет Oce сотрудничает в этой области с Институтом Макса Планка. Группа ученых во главе с профессором Детлефом Лозе изучает процессы, сопутствующие струйной печати, для определения максимального быстродействия печати. То есть определения того предела, когда инжекция чернил из сопел печатающей головки и фиксация капель на носителе станут нестабильными.

Одновременно с этим разрабатываются способы максимальной поддержки режима стабильности.
В современной струйной печати используется две технологии инжекции чернил. В одном случае роль поршня, выталкивающего каплю чернил из сопла печатающей головки, выполняет пьезопластина, а в другом – пузырек пара. Компания Canon единственный в мире производитель, который выпускает струйное оборудование с использованием обеих технологий. При этом подразделение Oce специализируется на производстве принтеров с пьезоакустическими печатными головками.

Первые шаги в развитии собственной струйной технологии Oce предприняла в начале 90-х прошлого века. Компания оценила огромный потенциал струйной технологии. В отличие от других видов печати, здесь меньше вращающихся деталей. А это значит, что с уменьшением деталей снижается начальная себестоимость оборудования и сокращается время простоя на обслуживание. Поэтому, чтобы создать собственную уникальную струйную технологию, необходимо было понимание гидрогазодинамических процессов. Именно тогда начали складываться партнерские отношения с Институтом Макса Планка в Геттингене (Германия) и университетом Twente (Нидерланды).

Перед исследователями стояла масса интересных задач, которые требовали комплексного решения. Необходимо было учитывать физико-химические и оптические свойства чернил, режим инжекции капель, доставку чернил к головке, и скорость подачи запечатываемого носителя. Изменение только одной характеристики влекло за собой корректировку и остальных.



При внешнем сходстве пьезоакустической и пузырьковой струйных технологий они имеют серьезные различия, как в самих процессах, так и в возможностях. В пузырьковой технологии используются сольвентные чернила или чернила на водной основе. Принцип действия такой печати заключается в том, что в каждой печатающей ячейке находится микронагревательный элемент. При подаче электрического импульса элемент нагревается, и прилегающие к нему слои чернил закипают. При этом резко образуется пузырек пара. Он, в свою очередь, выполняет функцию своеобразного «поршня», выталкивающего из сопла порцию чернил. Здесь в полной мере проявляются все явления гидрогазодинамики.

В пьезоакустической технологии роль «толкателя» выполняет пьезопластина. Она изменяет свою геометрию под воздействием электрических импульсов. За счет этого из сопла инжектируется капля чернил. Модулируя сигнал, подаваемый на пьезопластину, можно с высокой точностью задавать объем капли. Это дает массу преимуществ пьезоакустической технологии печати:

• Точное дозирование оптимизирует расход чернил;
• Обеспечивается точная цветопередача на всех отпечатках;
• Возможность применения безсольвентных чернил (UV-чернил, твердых), которые мгновенно кристаллизуются на носителе и не требуют сушки;
• Как следствие из предыдущего пункта, снижение энергозатрат и возможность печатать на носителях, критично относящихся к нагреву;
• Высокая скорость печати несмываемых и износоустойчивых отпечатков;
• Благодаря мгновенной кристаллизации чернил можно в качестве носителя использовать недорогие сорта бумаги, так как капля фиксируется на поверхности носителя, не впитываясь в него.

Исследования в области гидрогазодинамики струйных технологий не ограничиваются только вопросами полиграфии. Современные технологии позволяют печатать на различных носителях и использовать множество печатных составов. Так уже освоена печать на стекле, дереве, металле, пластике. Относительно недавно стала практиковаться объемная печать, позволяющая передавать не только цвета, но и объемную фактуру поверхности. Таким образом, появляется возможность печатать не только на материале, а и самим материалом. Это может найти применение в печати чипов или покрытий сенсорных экранов.

На границе фундаментальных и прикладных исследований появляются новые перспективы, которые уже не кажутся столь фантастическими. Есть значительное сходство физических характеристик крови и чернил. Они имеют сходную вязкость и текучесть. Казалось бы, какое это имеет отношение к струйной печати? Но возможно, это уже первые шаги к печати живых тканей или даже целых органов.