Возможно ли создание клапана, функционирующего без движущихся частей? Вызов кажется весьма сложным, но не для ума такого великого изобретателя, как Никола Тесла. Тесла разработал уникальный клапан без подвижных частей, который он наименовал «valvular conduit*». Этот материал приглашает вас не только познакомиться с принципом работы данного клапана, но и попробовать заглянуть в глубины разума Теслы, чтобы понять, какие процессы привели к созданию этого гениального устройства.
*"Valvular conduit" — термин, введенный изобретателем Николой Теслой, который использовал его для описания своего уникального изобретения в патенте, полученном в начале XX века. "Valvular", что связано с клапанами (valves), и "conduit", что означает канал или трубопровод.
В русскоязычной литературе и публикациях термин "valvular conduit" используется редко, и чаще всего в текстах на эту конструкцию можно натолкнуться под описательными названиями типа "клапан без подвижных частей Теслы" или "Клапан Теслы". Эти варианты названия помогают делать тему доступной для широкой аудитории, не знакомой с оригинальными техническими терминами.
Давайте ближе рассмотрим конструкцию. Вообразите себе канал, поверхность стенок которого неровная, с мелкими волнами или выступами. Эти микро-неровности создают одинаковое сопротивление потоку жидкости, вне зависимости от направления, в котором он движется.
Имеется и другой вариант конструкции клапана, где препятствия (или неровности) располагаются под определенным углом. И тут возникает вопрос: в какую сторону жидкости легче двигаться — слева направо или справа налево? Так в каком направлении движение жидкости будет наиболее эффективным? Подсказываем: поток, направленный справа налево, будет более легким. И интересно понять, почему так происходит? Потому что в этом случае поток сужается и становится более управляемым.
При обратном направлении потока мы столкнемся с противоположным эффектом — расширением. Эти два явления обусловлены различными физическими законами.
В сужающемся потоке уменьшается площадь, что приводит к ускорению движения жидкости. Это ускорение, в свою очередь, снижает давление вдоль потока. А вот в расширяющемся потоке все происходит наоборот: давление увеличивается вдоль потока, создавая так называемое условие "неудачного градиента давления". Под его воздействием частицы жидкости замедляют свое движение, и, в конечном итоге, направление потока может даже измениться. Это приведет к появлению вихревых течений и потере энергии.
В общем, поддержание стабильного расширяющегося потока — это довольно сложная задача, требующая преодоления большего сопротивления по сравнению с сужающимся потоком. Рассмотрим ситуацию, в которой мы меняем расположение препятствий: некоторые из них крепятся к стенке, а другие уменьшаются в размерах. Давайте подробнее изучим этот случай.
Что произойдет с потоком, двигающимся слева направо? Вы уже догадались: в этом случае поток разделяется на две части и происходит его расширение. Далее вторичные потоки смешиваются с основным, примерно под углом в 180 градусов. Этот процесс можно сравнить с смешиванием двух противоположных струй, что приводит к вихревому движению и потере энергии в потоке.
Данный вариант дизайна создает больше сопротивления в сравнении с предыдущим, и аналогичный процесс будет повторяться при каждой паре препятствий в пути потока. Когда же поток движется справа налево, он легко и свободно проходит через препятствия.
Теперь представим, что мы слегка модифицируем дизайн, изменив геометрию препятствий. Если сдвинуть нижнюю часть, увеличив ширину каждого препятствия, то мы получим дизайн, придуманный самим Николой Теслой. В этом уникальном клапане, поток всегда разделяется на два, причем основной направлен вперед, по прямой линии.
Основной поток следует прямолинейно, в то время как вторичный поток отклоняется от основного. Никола Тесла гениально интегрировал все занимательные аспекты гидромеханики в своем дизайне. Теперь давайте подробнее разберемся с механикой клапана Теслы.
Рассмотрим, например, поток, движущийся справа налево. Сначала он делится на два: основной и вторичный. Вторичный поток невелик, так как для его формирования часть жидкости делает дополнительный поворот. Большую часть потока составляет основной, движущийся практически без препятствий прямо.
При движении потока слева направо, сценарий развивается аналогично: поток снова делится. В нижней части конструкции поток расходится, а неудачный градиент давления усложняет его движение. Вторичный поток теряет импульс, сталкиваясь с препятствием, после чего совершает поворот на 180 градусов, что сопровождается дополнительными потерями энергии. Пройдя все эти преграды, вторичный поток соединяется с основным, вызывая дополнительные энергетические потери.
Каждый модуль в устройстве Николы Теслы проходит через цикл расширения, отклонения, изменения направления и смешивания, увеличивая общее сопротивление потоку. Подключив клапан Теслы к насосу, можно наблюдать эффективный поток жидкости с минимальным падением давления. Однако, если развернуть клапан в обратную сторону, поток существенно снизится, и падение давления возрастет.
Этот уникальный клапан не способен полностью блокировать поток, однако он отличается высокой долговечностью. Благодаря способности создавать сопротивление в одном направлении без использования подвижных элементов, клапан Теслы активно используется в микрофлюидике и пульсационных реактивных двигателях. С помощью микронасоса устройство способно транспортировать минимальные объемы жидкости — всего 3 мл. в минуту. Надеемся, вам было интересно узнать, как Тесла пришел к созданию этого удивительного устройства. Присоединяйтесь к нам и ожидайте новых публикаций!
