СПОСОБ ЗАЩИТЫ ПОБЕРЕЖЬЯ ОТ ЦУНАМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Предлагаемое изобретение относится к области народного хозяйства, связанной с защитой побережья (населения, жилых, хозяйственных построек и др.) от цунами.

Как известно, во время землетрясений на море могут возникать гигантские волны - цунами, которые при встрече с сушей производят катастрофические разрушения. Так, например, в результате катастрофического цунами в марте 2011 г. в Японии погибло около 20 тысяч человек, а также была разрушена атомная станция в Фукусиме.

Известен способ нанесения износостойкого покрытия на поверхность детали (см. патент России Ru 2381077 С1, 2008 г., МПК B05D 5/08 - аналог). Покрытие наносят осаждением частиц алюминия на предварительно подготовленную поверхность с последующим микродуговым оксидированием осажденного слоя. Поскольку в патенте нет сведений о гидрофобных свойствах покрытия, не представляется возможным использовать предлагаемый способ для решения задачи.

Известен также способ нанесения гидрофобного покрытия на поверхность пленки (см. патент ВОИС Wo 2009005465 А1, 2008 г., МПК B05D 5/08 - аналог). Способ основан на получении жидкого растворителя под сверхкритическим давлением, в который добавляется гидрофобное растворимое вещество, выпадающее в осадок (или кристаллизующееся) после расширения жидкости при низком давлении. Однако способ трудно выполним практически, так как, во-первых, при открытии отверстия в сосуде и истечении из него в окружающую среду при значительном перепаде давления реализуются большие скорости истечения, что не гарантирует равномерного распределения гидрофобных частиц по поверхности. Во-вторых, способ предназначен для нанесения гидрофобного покрытия на поверхность пленки, используемой в торговых целях в узком диапазоне условий эксплуатации, а, следовательно, не может быть использован для защиты побережья от цунами (по температуре, ветровой нагрузке и т.д.)

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ, заключающийся в том, что на поверхность материального объекта наносят гидрофобное антисмачиваемое покрытие с краевым углом смачивания более 120° (см. патент России Ru 2457045, 2011 г., МПК B05D 5/08, С09К 3/18).

Решаемой задачей изобретения является защита побережья от цунами.

Технический результат в заявляемом способе защиты побережья от цунами и устройстве для его осуществления достигается за счет того, что поверхность моря перед защищаемым побережьем покрывают пленкой, обладающую свойством менисковой плавучести. На поверхность пленки наносят гидрофобное антисмачиваемое покрытие с краевым углом смачивания более 120°. Гидрофобное антисмачиваемое покрытие наносят на обе стороны пленки. Пленку изготавливают из тонколистового металла. Переднюю часть пленки изготавливают с пониженным значением массы одного квадратного метра и повышенной прочностью на изгиб.

Устройство для защиты побережья от цунами содержит пленку, обладающей свойством менисковой плавучести, причем пленка по секциям свернута в рулон на шпульке, при этом одна короткая сторона пленки скреплена со шпулькой, размещенной на неподвижной оси, которая установлена на опорах, прочно скрепленных с дном моря (побережьем), а другая короткая сторона скреплена с пустотелым стержнем, обладающим плавучестью. При этом пленка перфорирована капиллярными отверстиями. Пустотелый стержень снабжен заходным воротником с углом наклона к горизонту, соответствующим углу наклона к горизонту передней стенки волны цунами. Поверхность заходного воротника может быть спрофилирована. Опора выбрана такой формы, чтобы создать максимальное гидравлическое сопротивление на пути движения воды. Опора может быть выдвижной. Опора оснащена турбулизирующими элементами. Турбулизирующие элементы установлены между смежными опорами.

На фиг. 1 представлено фото плавучести в морской воде пленки из графитного порошка с большой каплей подкрашенной воды.

На фиг. 2 представлено фото пластинки из алюминия с антисмачиваемым графитным покрытием, плавающей на поверхности воды.

На фиг. 3 представлено фото пластинки из алюминия с антисмачиваемым графитным покрытием, плавающей на поверхности воды, с большой каплей подкрашенной воды.

На фиг. 4 изображена схема менисковой плавучести пластинки.

На фиг. 5 представлено фото плавающих на поверхности воды тонких пластинок, изготовленных из разных материалов.

На фиг. 6 показана схема секции развернутой на поверхности моря пленки, обладающей свойством менисковой плавучести, для защиты побережья от волны цунами.

Порошок графита при нанесении на участок поверхности материального объекта придает ему свойство антисмачиваемости, закономерным проявлением которого является образование вокруг этого участка глубокого мениска при осторожном наливании воды: в опытах глубина сухой воронки, т.е. высота мениска, доходила до 4 мм. Если воду продолжать подливать, например, в полиэтиленовую крышку, то через некоторое время антисмачиваемый участок, например, в форме круга, уйдет под воду. При этом некоторая часть графитного порошка всплывет на поверхность воды. Если каким-либо острым предметом (кончиком ножа) начать соскабливать графитный порошок со дна крышки, то в скором времени он весь оказывается на поверхности в виде пленки.

Таким образом, пленка из гидрофобного графитного порошка (в данном случае, краевой угол смачивания θ≈125°) обладает плавучестью. Больше того, если на пленку порошка с помощью пипетки нанести большую каплю воды, то пленка вместе с каплей будет плавать продолжительное время. Опыты с пленкой графитного порошка были проведены на поверхности как обычной водопроводной, так и морской воды. На фиг. 1 представлено фото плавучести в морской воде пленки из графитного порошка с большой каплей подкрашенной воды, состоящей из 10 отдельных капель, полученных с помощью пипетки. Масса большой капли составила М_к≈0,46 г. При попытке добавить еще отдельную каплю большая капля разорвала пленку и провалилась.

Можно отметить, что графитная пленка на морской воде была примерно вдвое прочнее, чем на пресной водопроводной: в последнем случае масса большой капли состояла лишь из 4-х отдельных капель.

Были проведены опыты с пластинкой из алюминия размерами 25×40 мм и толщиной 2 мм. Масса пластинки равнялась 5,43 г. Пластинка, помещенная на поверхность воды, в большинстве случаев тонула. Другая картина получилась, когда на одну ее сторону с помощью клея был нанесен графитный порошок, т.е. эта сторона получила антисмачиваемое покрытие. Масса пластинки с графитным покрытием составила 5,56 г. Пластина была осторожно помещена на воду «графитной» стороной сверху. Пластина стала плавать, а по ее краям образовался мениск высотой ~2 мм, считая от поверхности пластины (фиг. 2). Вода для контрастности была подкрашена. Можно также отметить, что та же пластинка, помещенная на поверхность воды «графитной» стороной снизу, тонула.

Был проведен также следующий эксперимент. На антисмачиваемой поверхности той же алюминиевой пластинки с помощью графитного порошка было сформировано гнездо. В него с помощью пипетки была помещена большая капля подкрашенной воды, состоявшей из 10 одиночных капель. При этом масса пластинки с большой каплей составила 6,02 г. Пластинка продолжала плавать (фиг. 3). Высота мениска над поверхностью пластинки возросла до ~2,5 мм, а суммарная высота мениска с учетом толщины пластинки составила ~4,5 мм. Можно также отметить, что пластинка плавала более устойчиво при нанесении графитного антисмачиваемого покрытия на ее обе стороны.

Таким образом, установлено, что наряду с обычной архимедовой плавучестью, существует плавучесть, связанная с образованием мениска вокруг тонкой пластины, имеющей, например, на верхней поверхности антисмачиваемое покрытие, т.е. менисковая плавучесть. Следовательно, помимо архимедовой выталкивающей силы существует менисковая выталкивающая сила. Как показали эксперименты, менисковая выталкивающая сила равна весу жидкости в объеме образующейся менисковой воронки. Менисковая воронка состоит из двух частей: первая часть представляет произведение площади поверхности пластины на высоту мениска, а вторая - это объем, обусловленный кривизной поверхности мениска. На фиг. 4 показана схема менисковой плавучести пластинки с антисмачиваемым покрытием. Невозмущенная поверхность воды 1 в месте контакта с антисмачиваемой поверхностью 2 пластинки 3 круто обрывается вниз, образуя мениск 4 с высотой h_м. Пластинка как бы покоится в своеобразной «водяной люльке».

В случае пластин, т.е. плоских тел малой толщины, величина менисковой выталкивающей силы в несколько раз превышает обычную архимедову выталкивающую силу.

Для оценки влияния краевого угла θ на высоту мениска на дно полиэтиленовой крышки был нанесен слой графитной смазки в виде круга. Краевой угол на поверхности с графитной смазкой составил примерно 85°. При осторожном наливании в крышку воды вокруг поверхности с графитной смазкой возник чуть заметный мениск высотой ~1 мм. Полученные результаты экспериментов сведены в табл. 1.

Таким образом, установлено, что высота мениска (глубина менисковой воронки) зависит от величины краевого угла и возрастает с его увеличением, т.е. высота мениска является функцией краевого угла h_м=f(θ).

Здесь следует сказать о том, что благодаря менисковой выталкивающей силе, тонкие пластинки, изготовленные из материалов с достаточно высокими значениями краевого угла смачивания (θ₀≈90°), также обладают менисковой плавучестью, когда поверхность жидкости (воды) не разрывается, а как бы прогибается под тяжестью пластины. На фиг. 5 приведено фото плавающих на поверхности воды тонких пластинок, изготовленных из разных материалов и имевших одинаковые размеры в плане 25×40 мм. Пластинки были пронумерованы. В таблице 2 приведены их характеристики.

Как следует из таблицы, пластинки не имели специального антисмачиваемого покрытия и плавали на воде в чашке, образуя мениск различной высоты. Вода для контрастности была подкрашена.

Заявляемый способ защиты побережья от цунами заключается в том, что пленкой, обладающей свойством менисковой плавучести, покрывают поверхность моря перед защищаемым побережьем. На пленку наносят гидрофобное антисмачиваемое покрытие с краевым углом смачивания более 120°. Гидрофобное антисмачиваемое покрытие наносят на обе стороны пленки. Пленку, например, изготавливают из тонколистового металла (сталь, титан и др.). При этом возможно применение нанотехнологий. Здесь следует сказать вот о чем. В будущем, по мере развития материаловедения, могут быть найдены или изготовлены по специальной технологии, возможно с применением нанотехнологий, материалы с гидрофобными антисмачиваемыми свойствами. В этом случае пленка будет изготавливаться из таких материалов без дополнительного нанесения гидрофобного покрытия.

Заявляемое устройство для защиты побережья от цунами содержит пленку 1, обладающую свойством менисковой плавучести. Пленка изготовлена, например, из тонколистового металла, с гидрофобным антисмачиваемым покрытием с обеих сторон, состоящей из секций шириной, например, 25÷50 м (фиг. 6). Каждая секция пленки 1 одним концом скреплена со шпулькой 2 с кольцами-ограничителями 11, имеющей возможность вращаться на неподвижной оси 6, которая установлена на опорах 13, прочно скрепленных с дном моря. Другой стороной пленка скреплена с пустотелым стержнем 3, обладающим плавучестью и имеющим заходной воротник 5. При этом пленка перфорирована капиллярными отверстиями. Пустотелые стержни скрепляются между собой стержнями-фиксаторами (на фиг. 7 не показаны). Угол наклона к горизонту заходного воротника 5 должен соответствовать углу наклона передней стенки волны цунами. При этом поверхность заходного воротника может быть спрофилирована. Поверхности пустотелого стержня, заходного воротника, стержня-фиксатора имеют гидрофобное антисмачиваемое покрытие. Для того чтобы волна цунами в начале взаимодействия с пленкой не свернула ее в рулон, передняя часть пленки изготовлена с пониженным значением массы одного квадратного метра и повышенной прочностью (жесткостью) на изгиб. Каждая опора 13 может быть выполнена выдвижной, например, телескопического типа, и оснащена турбулизирующими элементами 14. Турбулизирующие элементы также установлены между смежными опорами (на фиг. 6 не показаны).

Устройство для защиты побережья от цунами работает следующим образом. Перед защищаемым участком побережья 12 разворачивают поле из пленки, обладающей свойством менисковой плавучести, состоящее из секций пленки 1 шириной примерно 25 м. При возможной опасности или приближении цунами каждая секция пленки с пустотелым стержнем 3 с заходным воротником 5 с помощью, например, быстроходного судна или специальной быстродействующей лебедки разматывается со шпульки 2, вращающейся на неподвижной оси 6, которая установлена на мощных опорах 7, прочно скрепленных с дном моря. Пустотелые стержни скрепляются между собой с помощью стержней-фиксаторов (на фиг. 6 не показаны). А поверхность между секциями дополнительно покрывается пленкой, обладающей свойством менисковой плавучести. Особенностью пленки в данном случае является повышенное значение массы одного квадратного метра. Расчетная оценка показывает, что для того, чтобы погасить потенциальную энергию волны цунами высотой 20 м, длина каждой секции пленки (при массе одного квадратного метра ~5 кг) должна составить ~4 км.

В условиях волнения на море или атмосферных осадков на пленку может попадать то или иное количество воды. Если не принять мер, то суммарный вес пленки с попавшей на нее водой может превысить менисковую выталкивающую силу, и пленка может утонуть. Во избежание этого пленку необходимо снабдить устройством по откачке воды с ее поверхности. Таким устройством является, например, перфорация пленки капиллярными отверстиями (ее пористость). В рассматриваемом случае антисмачиваемой пленки (θ₀≥120°) мениск в капиллярных отверстиях (порах) будет выпуклым и возникающее капиллярное давление будет понижать уровень мениска ниже уровня моря. Равновесие наступит тогда, когда гидростатическое давление столба жидкости, действующее снизу вверх, не уравновесит капиллярное давление, действующее сверху вниз. При определенных значениях капиллярной постоянной жидкости и краевого угла смачивания радиус капиллярного отверстия необходимо выбрать таким, чтобы поверхность мениска размещалась на уровне нижней поверхности пленки.

Кроме того, необходимо отметить следующий момент. Известно, что в случае пористой пленки (сеть капиллярных отверстий) ее гидрофобность возрастает (θ_п>θ₀, где θ_п - макрокраевой угол на пористой поверхности, θ₀ - краевой угол на абсолютно гладкой поверхности: θ₀≥120°) и, следовательно, возрастает менисковая выталкивающая сила.

Достигнутым техническим результатом является то, что заявляемый способ и устройство позволяют защитить побережье от разрушительного воздействия больших волн цунами.

Известно, что волны цунами, возникшие, например, в результате подводного землетрясения, распространяются в открытом океане (море) с большой скоростью (от 100 до 1000 км/ч). Они являются глубокими волнами и влияют на столб воды от самого дна и до поверхности. При подходе к берегу из-за взаимодействия с поверхностью шельфа волна цунами меняет форму. Если в открытом океане высота волна цунами не превышает 2÷3 м, и частицы воды движутся горизонтально, то при взаимодействии с береговым шельфом частицы воды начинают двигаться вверх, увеличивая высоту волны. При этом большая часть кинетической энергии горизонтального движения переходит в потенциальную энергию высоты волны, и скорость движения волны падает примерно на порядок. 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, т.е. если не полное гашение, то существенное снижение высоты волны цунами. Эту задачу предлагается решать с помощью тяжелой пленки.

Покрывая поверхность моря вблизи защищаемого побережья пленкой, обладающей менисковой плавучестью (имеющей, например, с двух сторон гидрофобное антисмачиваемое покрытие), можно погасить огромную потенциальную энергию волны цунами. Это получается с помощью устройства, в котором при приближении волны цунами производится быстрое разматывание каждой секции пленки 1 со шпульки 2. Отличительной особенностью пленки в данном случае является сравнительно большая масса 1 м², которая благодаря менисковой выталкивающей силе не теряет плавучесть. Для того чтобы легче «поймать» волну цунами (чтобы волна цунами пошла под пленку) и чтобы волна не свернула пленку в рулон, переднюю часть пленки целесообразно изготовить с пониженным значением массы одного квадратного метра и повышенной прочностью на изгиб.

Можно, конечно, использовать вариант стационарной пленки, когда пленка постоянно покрывает поверхность моря вблизи защищаемого побережья. Однако в этом случае пленку следует поставить на якоря, и необходимо смириться с тем, что значительный участок моря будет исключен из мореплавания.

Именно благодаря большой массе пленки, волна цунами, поднимая пленку на большую высоту, производит при этом работу и в результате полностью расходует свою огромную потенциальную энергию. Следовательно, на сравнительно небольшой длине пленки можно полностью демпфировать волну цунами.

Однако остается задача по максимальному снижению кинетической энергии огромной массы воды. В этом плане можно использовать мощные опоры, прочно скрепленные с дном моря и выполненные, например, из железобетона, на которых установлены неподвижные оси шпулек. Опоры могут быть выполнены выдвижными, например телескопического типа. Каждая такая опора оснащается турбулизирующими элементами. Турбулизирующие элементы в виде, например, жестких стержней или гибких пластин (в последнем случае они могут, например, быть выдвижными и устанавливаться в момент опасности от волны цунами) с сечением плохообтекаемой формы целесообразно установить также между смежными опорами. Это должно явиться мощным гидравлическим сопротивлением на пути движения массы воды для существенного снижения ее кинетической энергии и, следовательно, скорости. Понятно, что затопления прибрежных участков суши избежать не удастся. Задача состоит в том, чтобы максимально снизить скорость затопления и, тем самым, максимально избежать человеческих жертв и материальных разрушений.

Таким образом, заявляемые способ и устройство позволяют обеспечить надежное жизнеобеспечение защищаемого морского побережья от волны цунами.