Влияние эффекта кавитации на качество очистки поверхности в условиях обработки археологических изделий

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Праздникова П.В. 1

---

1МБОУ Гимназия №40 г. Барнаул

Тишин В.В. 1

---

1КГБУ ДО «Детский технопарк Алтайского края « Кванториум.22»

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Археология необычайно расширяет пространственный и временной горизонт истории, именно поэтому очень важно делать все возможное для того, чтобы находки оставались в целости и сохранности.

К используемым методам очистки относятся сухая чистка с использованием механических инструментов (Рисунок 1), мокрая чистка с применением водных растворов, химических составов, а также с применением ультразвука.

Существующие методы очистки исторических находок от загрязнений не отвечают условиям, требующим минимального разрушения поверхностного исторического слоя. Часто это приводит к тому, что предметы теряют свой первозданный вид, цвет и форму, что приводит к потере исторической ценности находки. Среди найденных экспонатов очень часто встречаются изделия из глины.

Нередко приходится решать вопрос, связанный с очисткой изделий из глины. К сожалению, применение ряда широко используемых методов приводит к разрушению артефакта. В частности, очистка с применением воды может привести к разрушению внутренней структуры глины. Поверхность изделия из глины изображена на рисунке 2. В соответствии с рисунками видно, что поверхность насыщена микротрещинами разной величины. Также наблюдается наличие тонкой корочки загрязнения. В настоящий момент для более эффективной очистки применяется ванны с ультразвуком, в том числе для создания явления кавитации.

При рассмотрении изложенного можно выделить некоторые существенные особенности процесса кавитации, например :

Кавитация свойственна только жидкости и не происходит при нормальных условиях ни в твердых телах, ни в газах.

Кавитация возникает в результате понижения давления в жидкости

Кавитация связана с появлением и исчезновением каверн в жидкости.

Значение кавитации определяется ее проявлениями, которые можно разделить на три условные группы:

Влияющие на гидродинамику.

Вызывающие разрушение твердых границ, обтекаемых потоком.

Побочные проявления, сопровождаемые или не сопровождаемые значительными изменениями гидродинамической картины движения или разрушением твердых границ. [ 1, С. 14, 27 ]

Кавита́ция (от лат. cavitas— пустота)— физический процесс образования пузырьков (каверн, или пустот) в жидких средах, с последующим их схлопыванием и высвобождением большого количества энергии, которое сопровождается шумом и гидравлическими ударами. Кавитационные пузырьки могут содержать разреженный пар. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении ее скорости, например, за гребным винтом судна (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация). [2, С. 1] Принцип кавитации показан на рисунке 3.

Явление кавитации совершенно одинаково и для потока, обтекающего неподвижное тело, и для среды, в которой движется тело. В обоих случаях важны лишь относительная скорость и абсолютное давление.

Соотношение между давлением и скоростью, при которых происходит кавитация, дается безразмерным критерием s, который называется кавитационным коэффициентом (числом кавитации) и определяется выражением (1)

где pv – давление насыщенного пара жидкости при данной температуре.

Уровень кавитации измеряют (как правило, в относительных единицах) с помощью приборов, называемых кавитометрами. Условия замысла предполагают использование кратковременного воздействия воды под давлением с явлением кавитации на поверхность артефакта из глины с целью щадящей очистки.

Цель исследования: определить степень повышения качества очистки поверхности глины в условиях кратковременного воздействия водой под давлением с использованием явления кавитации, предотвращающего глубокое разрушения поверхности, в сравнении с традиционной очисткой водой.

Основная часть

Объект исследования: цветовое поле образцов.

Предмет исследования: степень изменения концентрации цвета окрашенного слоя по результатам очистки.

Гипотеза исследования: очищаемые образцы с кавитацией очистятся лучше, чем образцы обычной водой.

Задачи исследования:

Подготовить образцы в виде плиток из глины, нанести на поверхность слой краски, подвергнуть их обработке водой с эффектом кавитации и без нее.

Сравнить полученные результаты, построив гистограммы, определив степень изменения концентрации цвета красочного слоя.

Технология проведения исследования

В исследовании применялся метод анализа, сравнительной оценки изменения количества цветовых оттенков после обработки водой с эффектом кавитации и без него.

В рамках экспериментов проводим следующие операции :

1.Покрываем поверхность образцов размером 10*10 мм. слоем акварельной краски (вода, декстрин, глицерин, мёд, патока, пигменты, наполнители, консервант), толщиной 0,02 мм.

2.Очищаем поверхность красочного слоя струей воды диаметром 2 мм. на расстоянии 10 мм. объемом 20 мл. с растворенными пузырьками газа CO2.

3.Фотографируем поверхности образцов после обработки. Производим построение гистограмм с использованием программы Photoshop.

4.Сопоставляем условную шкалу 100 делений с осью гистограммы, указывающую тональности цветов по пикселям (255 пикселей).

5. Производим подсчёт делений по широте спектра оттенков.

Данные заносим в таблицу.

На рисунке 4 указана схема экспериментальной установки, позволяющая с помощью груза 1 кг. воздействовать на поршень цилиндра с целью создания напора воды с кавитацией и без неё на расстоянии 10 мм от поверхности краски.

Образцы до обработки водой с кавитацией ( 1-4)

Образцы после обработки водой с кавитацией (1-4)

Образцы до обработки водой (5-8)

Образцы после обработки водой (5-8)

Рисунок 5. Образцы до обработки и после с кавитационным воздействием и без кавитации.

Образцы до обработки водой с кавитацией ( 1-4)

Образцы после обработки водой с кавитацией (1-4)

Образцы до обработки водой (5-8)

Образцы после обработки водой (5-8)

Рисунок 6. Гистограммы цветовых полей для образцов до и после обработки.

Таблица 1. Результаты измерений тональностей обработки водой с кавитацией

Таблица 2. Результаты измерений тональностей обработки водой

Заключение

По результатам проведенных экспериментов выявлено:

Среднее значение по условной шкале, состоящей из 100 делений, представляющих цветовые тона в интервале 255 пикселей для четырех образцов с применением кавитации соответствует 34, 25.

Для чистой воды, без газообразной примеси CO2, составляет 19, 75 по вышеуказанной шкале.

Данный факт свидетельствует о высокой эффективности кавитационного метода очистки с применением воды, включающей растворенную углекислоту в газообразной форме

Достигнута цель исследования - с помощью исследования определен наиболее эффективный, щадящий метод очистки археологических артефактов.

Выявилась закономерность: образцы, подверженные воздействию кавитацией очистятся лучше, чем образцы, подверженные воздействию обычной воды, что подтверждает выдвинутую нами гипотезу.

В качестве портативного устройства для очистки артефактов в полевых условиях предлагается использовать устройство для газирования воды.( Рисунок

Список литературы

Кнэпп, Р. Кавитация / Р. Кнэпп, Дж. Дейли , Ф. Хэммит ; пер. с англ. д-ра техн. наук Э.А. Ашратова [ и др.] ; под ред. [ и с предисл. ] д-ра физ.- мат. наук В. И. Полежаева. – Москва; Мир, 1974. -687 с.; ил.

Кавитация [Электронный ресурс] // Режим доступа https://ru.wikipedia.org/wiki/Кавитация - Загл. с экрана

Пирсол И. Кавитация / Пер. с англ. Ю. Ф. Журавлёва; Под ред., с предисл. и доп. Л. А. Эпштейна.. — М.: Мир, 1975. — 96 с. — (В мире науки и техники). (обл.)

Описание и обработка археологических материалов [Электронный ресурс] // https://arheologija.ru/opisanie-i-obrabotka-arheologicheskih-materialov/ - Загл. с экрана

Влияние высоких температур на изнашивание материалов при абразивном износе [Электронный ресурс] // Режим доступа https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-vysokih-temperatur-na-iznashivanie-materialov-pri-abrazivnom-iznose - Загл. с экрана

«Акустическая кавитация у твердых поверхностей» / Г.И.Кувшинов, П.П.Прохоров

Структура кавитационных течений. / Левковский Ю. Л.  Л.: Судостроение, 1977. 222с.

Струи, следы и каверны. / Биркгоф Г., Сарантонелло Э. пер. с англ. М.: Мир, 1964. 466с..

 Кавитация в криогенных и кипящих жидкостях./ Акуличев В. А., М.: Наука, 1978. 280c.

Гидродинамика развитых кавитационных течений./ Иванов А. Н., Л.: Судостроение, 1980. 237с.

Проблемы кавитации / Перник А. Д.  2-ое изд. Л.: Судостроение, 1966. 435 с.

Кавитация./ Рождественский В. В.  Л.: Судостроение, 1977. 248c.

Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности (теория, расчёты и конструкции кавитационных аппаратов) / Федоткин И. М., Гулый И. С.  Ч.1.— К.: Полиграфкнига, 1997.— 940 с.

Приложение

Рисунок 1-Инструменты, применяемые для очистки артефактов

Рисунок 2а. Изделия из глины в виде кувшинов

Рисунок 2б. Глиняная плитка с иероглифами

Рисунок 2в. Поверхность глины с микротрещинами (увеличение 10x)

Рисунок 3. Явление кавитации

Рисунок 4. Схема установки

Рисунок 7. Устройство для газирования воды.