Что первым вам приходит в голову, когда вы слышите словосочетание «кумулятивная струя»?
Наверняка возникают ассоциации исключительно военного толка, не так ли? ;-) Однако, знаете ли вы, что кумулятивный эффект невероятно распространён и применяется практически повсеместно?
Но, давайте начнём с самого начала... Слово «кумулятивный» происходит от латинского слова «cumulatio», что означает «накопление» и подразумевает собой некоторое усиление за счёт сложения факторов.
С точки зрения физики, в корне этого эффекта лежат кратковременные процессы, вызывающие усиление чего-либо (сюда как раз и относится взрыв, о котором вы наверняка подумали, прочитав слово «кумулятивный»).
И, раз уж мы заговорили о взрыве, то можно сказать, что в ходе него происходит равномерное (во все стороны) распределение энергии взрыва.
Однако, если бы мы смогли с помощью каких-то ухищрений направить его энергию таким образом, чтобы её плотность была больше в каком-либо направлении, чем во всех остальных, то это вызвало бы очень интересный эффект: так как взрыв в любом случае воздействует на окружающую среду, то концентрация энергии взрыва в каком-либо одном направлении, вынуждает среду двигаться в этом направлении с гораздо более высокой скоростью, чем во всех остальных, при этом и возникает то, что широко известно многим как «кумулятивная струя» — то есть, если во всех остальных случаях энергия как бы распыляется вокруг, то здесь, она концентрирована.
И разница в скоростях может быть существенна: по некоторым данным, разность скоростей распространяющейся ударной волны (то есть, распыляющейся во все стороны) и кумулятивной струи, может доходить до 1,5 — примерно настолько ускоряется струя, по сравнению с шарообразной, распространяющейся во все стороны волной.
Именно это применение широко и известно, так как используется в бронебойных снарядах разных типов, где медная воронка помещается во взрывчатое вещество, после взрыва которого, огромное давление сдавливает металл воронки, превосходя предел текучести металла, за счёт чего металл, не плавясь (температура недостаточна для его плавления), деформируется и начинает течь, превращаясь в струю, движущуюся на огромной скорости:
При столкновении такой струи с металлической преградой, она создаёт на эту преграду такое давление, что также превосходит предел текучести этой преграды, и их взаимодействие протекает по модели того, как одна жидкость взаимодействовала бы с другой — попросту, преграда расплёскивается в стороны (наподобие того, как мы кидаем в камень в воду, и наблюдаем всплеск и брызги) раскрываясь и пропуская струю внутрь.
Для успешности этого процесса, критически важно, чтобы струя успела сформироваться, и возникла на определённом расстоянии от преграды — именно поэтому у современных снарядов переднюю часть выполняют в виде такого же конуса: таким образом, конус, формирующий струю, смотрит раструбом вперёд, в то время как ещё один конус, выполняющий одновременно роли головного обтекателя и устройства для гарантированного запуска (взрыватель устанавливается на кончик конуса), устанавливается раструбом назад.
В итоге, получается конструкция, где два конуса соединены основаниями:
Но это всё общеизвестные факты, по которым мы кратенько прошлись, поскольку о них сложно было не упомянуть в рамках нашего рассмотрения…
Во всём этом интересно то, что рассмотренный вариант формирования кумулятивной струи, это всего лишь один из вариантов, и причём далеко не самый распространённый! ;-)
Одним из самых распространённых является… как ни странно, обычный удар ладонью по воде! :-)
А именно, если говорить более научным языком, то столкновение некоторой пластинки под углом с поверхностью жидкости, порождает возникновение кумулятивной струи, скорость которой тем выше, чем меньше угол между пластинкой и поверхностью воды; соответственно, струя пройдёт существенно большее расстояние, чем то, с которого упала и ударила по жидкости наклонная пластинка:
При этом интересно то, что скорость этой струи, так же как и в случае с бронебойными снарядами, рассмотренными выше, будет существенно выше, чем скорость пластинки, бьющей по воде.
Таким образом, мы можем сказать, что существенно более высокая скорость кумулятивной струи является её неотъемлемым свойством, вне зависимости от того, какие факторы её вызвали.
При этом, учёные выявили, что имеет значение не только угол встречи пластинки с поверхностью воды, но и характер её движения: если пластинка будет просто под некоторым углом двигаться параллельно поверхности воды (частично входя в неё), то это вызовет просто обтекание этой пластинки водой, вне зависимости от того (в определённых пределах), насколько быстро эта пластинка движется.
В противовес этому, возникновение кумулятивной струи наблюдается в очень широком диапазоне скоростей (вплоть до самых малых) встречи пластинки с поверхностью жидкости.
Проще говоря: если бить пластинкой под некоторым углом вертикально сверху по воде — кумулятивная струя возникнет; если пластинку погрузить и двигать в воде, даже если её удерживать при этом под некоторым углом — кумулятивной струи не будет (но это не строго — всё в мире относительно :-) и об этом ещё будет далее!)
Причина, по которой возникает кумулятивная струя при ударе по жидкости и не возникает (до определённых скоростей движения) при движении погружённой под углом пластинки в ней, заключается в том, что при ударе по жидкости ввиду того, что жидкость несжимаема, она стремится вырваться из зоны давления, с тем большей скоростью, чем больше давление.
Нетрудно догадаться, что при малых углах наклона пластинки относительно поверхности жидкости — давление будет стремиться к максимальному, равно как и скорость струи, истекающей из этого промежутка.
Любопытно, что в литературе, где рассматриваются эти вопросы, говорится и ещё об одном сходном варианте: не когда пластинка сталкивается с поверхностью жидкости, а когда струя жидкости под некоторым углом ударяет в пластинку — в этом случае наблюдается тот же самый эффект.
Теперь вы понимаете, причину возникновения высокоскоростных струй и брызг (вызывающих желание выругаться), когда в вашей раковине падающая из крана струя воды ударяется в донышко чашки, стоящей кверху дном или некой аналогичной плоскости, благодаря чему обливает водой всё вокруг — просто-напросто, вы наблюдаете не что иное, как кумулятивный эффект! :-)
В противовес этому, как мы уже выше говорили, движение наклонённой пластинки в воде до определённого предела не вызовет появление кумулятивной струи — причиной этого является то, что давление не образуется, и жидкость успевает обтекать пластинку.
Но нет ничего невозможного! :-) Думается, что каждый из вас проводил подобный опыт (или был свидетелями похожего): когда несколько людей заходят в некоторый водоём, то у кого-нибудь обязательно возникнет идея, обрызгать всех, пока они ещё не привыкли к этой холодной воде ! :-))
Как он это будет делать? Известно как: ударить по воде, параллельно ей, несколько наклонённой ладонью — результатом чего станет весьма быстрая и далеко летящая струя воды! Причина всё та же — кумулятивный эффект...
И, как вы можете припомнить из своей практики, — поведение этой струи полностью укладывается в логику кумулятивного эффекта: чем меньше угол, тем быстрее вылетает струя! В идеале, можно наклонить ладонь, крутануться вокруг себя, в определённый момент коснувшись поверхности воды этой ладонью — эффект будет ошеломительный (особенно для окружающих — я пробовал :-B).
С точки зрения науки, это вызывается тем, что при больших скоростях движения пластинки (для ладони — от 1…2 м/с) число Рейнольдса во время такого взаимодействия будет достаточно большим, чтобы силы инерции начали доминировать над вязкостью жидкости и жидкость просто не будет успевать обтекать пластинку, ввиду чего, в месте их касания возникает локальная зона повышенного давления, откуда жидкость и стремится вырваться в область наименьшего сопротивления. То есть, из-под ладони, — в сторону вашего друга или подруги… :-B
Всё это описание выглядит как забавный факт, однако это только на первый взгляд, так как подобный подход очень широко используется в технике, и вот наиболее яркие примеры, которые вы, наверняка, многократно встречали (или видели в фильмах/по телевизору):
Импульсный садовый дождеватель — устройство, где пластинка, попадающая в струю воды, резко отбрасывает импульсом высокоскоростной поток в сторону, в результате инерция разворачивает всю установку на некоторый угол, ввиду чего, установка может вращаться в пределах некоторого сектора, поливая участок, газон и т. д.:
Ещё один яркий пример — пожарный спринклер (разбрызгиватель воды, обычно устанавливается под потолком, и вы его могли неоднократно видеть): относительно медленно движущаяся струя воды попадает на диск с лепестками (как называемая «розетка»), при ударе о который в стороны разлетаются высокоскоростные струи, разбивающиеся из-за лепесткового характера пластины на отдельные микрокапли:
Ещё одним неочевидным примером применения кумулятивного эффекта является… ультразвуковая ванна! Да-да, именно та самая ультразвуковая ванна, которую многие используют для мойки печатных плат, деталей машин, ювелирных изделий и т. д. и т. п.
Обычно, когда говорят об ультразвуковой ванне и принципе её работы, отделываются общими фразами, наподобие того, что «ну знаешь, там появляются кавитационные пузырьки, которые вроде и чистят поверхность, за счёт огромных давлений в них, при схлопывании» — и глубже обычно никто не идёт.
Тем не менее, ещё в советское время, учёные выяснили, что одной из основных причин такого мощного воздействия кавитации на поверхность является… что? Да, как ни странно, всё тот же самый, вездесущий кумулятивный эффект!
Было выявлено два варианта, в первом из них, предположим, что кавитационный пузырёк образуется на поверхности твёрдого тела — причиной этого является обычно некоторая загрязнённость тела, а также наличие на поверхности микротрещин, царапин и прочих шероховатостей, которые выступают в качестве инициатора роста пузырька.
Здесь и далее мы будем говорить исключительно об ультразвуковой обработке, для упрощения рассмотрения несмотря на то, что условий возникновения кавитационных явлений может быть очень много — где ультразвуковая ванна только одно из них, но подобные явления наблюдаются ещё и на гребных винтах судов и т. д.
В рамках краткой статьи будет сложно рассмотреть все эти случаи, поэтому мы ограничимся только одним из них.
При ультразвуковой обработке наблюдается прохождение сквозь жидкость волн сжатия и разряжения — другими словами, звуковых волн. В зонах сжатия наблюдается повышенное давление, а в зонах разрежения, соответственно, — пониженное.
Итак, как мы уже отметили, в какой-то момент, ввиду неровностей и загрязнённости поверхности, на ней возникает небольшой пузырёк, который увеличивается в размерах, когда зона сжатия звуковой волны прошла, и он попал в зону разрежения.
И тут приходит следующая зона — снова зона сжатия. В какой-то момент, подобный увеличившийся пузырёк не может выдержать сжатия и схлопывается (может быть, не на первой же зоне сжатия, но факт остаётся фактом — подобного циклического сжатия/расширения он в какой-то момент не выдерживает).
Было выявлено, что пузырёк не может схлопнуться никаким иным способом, кроме как образовав кумулятивную струю — что и показано на рисунке ниже:
Как видно на картинке выше, цикл жизни пузырька проходит через ряд стадий (см. слева направо), где на стадии в он схлопывается, порождая мощную кумулятивную струю, разрушающую твёрдое тело.
При этом, мы видим, что в качестве самой кумулятивной струи выступает не пузырёк воздуха — а струйка жидкости, пробивающая этот пузырёк насквозь!
В результате своего распада, он разделяется на множество мелких пузырьков, которые снова прилипают на поверхность твёрдого тела, выступая в роли новых зародышей, для новых кавитационных пузырьков (см. стадию г).
Таким образом, наблюдается своеобразная цепная реакция, в буквальном смысле, покрывающая поверхность твёрдого тела отверстиями от кумулятивных «выстрелов».
Примерно аналогичная картина наблюдается, если схлопываются пузырьки не на поверхности тела, а рядом с ним:
Впервые подобные микроструйки были обнаружены ещё в 1940-е годы, советскими учёными М. О. Корнфельдом и Л. И. Суворовым.
Возвращаясь к описанным выше двум способам создания кумулятивных струй с помощью наклонной пластинки, можно отметить, что способ с вертикальным ударом наклонённой пластинки по плоскости жидкости является гораздо менее энергозатратным, по сравнению с движением наклонённой пластинки, параллельно плоскости жидкости.
Причиной этого является то, что в первом варианте для создания высокоскоростной струи, необходима и достаточна относительно малая скорость падающей пластинки, так как для создания нужного давления нужно всего лишь оказать воздействие на относительно малое количество жидкости, находящееся под проекцией плоскости пластинки.
Во втором случае, фактически необходимо толкать перед пластинкой огромную толщу воды, и ещё, преодолевая это сопротивление, умудриться разогнаться, чтобы создать нужное давление (эффективность всего действа при этом наблюдается «ниже плинтуса»).
Вообще, надо отметить, что на тему создания разнообразных полезных устройств с использованием кумулятивного эффекта очень мало работ в открытом доступе.
Тем не менее, в ходе изучения всего этого вопроса, у меня возникла любопытная идея: а ведь таким способом, используя метод наклонных пластин — можно создавать высокоскоростные струи: для струйных принтеров, брызгалок разного рода!
Например: ведь подобная плоская пластинка не обязательно должна быть собственно пластинкой — например, она может быть выполнена в виде воронки с узким открытым носиком, перевёрнутой широкой частью к низу.
Предположим, что эта воронка относительно малого размера и приводится в высокоскоростное движение пьезоприводом, в итоге получаем — весьма высокоскоростной (и высокоэффективный!) выброс капельки/струи из носика воронки!
Нигде ничего подобного я не видел и найти не удалось. Пожалуй, это может быть новацией (кумулятивная печатающая головка принтеров) :-) и, поневоле, заставляет призадуматься о переосмыслении «выстрела» капельками жидкости, вот из этого принципа (в конце статьи).
Думается, что это было бы любопытно…;-)
P. S. А может быть даже кумулятивный резак?! О_о Ускорять струю высокочастотными колебаниями воронки и вуаля — имеем струю для резки материалов...
© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»
