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鼓虾。 |
为了适应生存环境的变化,许多动物都进化出了它们的特殊“武器”,那你见过这些“手上功夫”十分厉害的虾吗?
鼓虾威力不容小觑
鼓虾又称枪虾,颜色呈泥绿色,生活在热带海洋的浅水区,拥有一对一大一小不成比例的螯。鼓虾身长约5厘米,但它的大钳子却有2.5厘米长,几乎占据了身长的一半。
别看鼓虾个头小,但它们在水下弄出的动静可不小。其奥秘就在于鼓虾那只结构特别的大钳子,只要把打开的钳子迅速合上,它们就能制造出类似“枪响”的爆炸声音。这些爆炸声音可达218分贝,仅次于海洋中最大的生物——抹香鲸所发出的声音。虽然屈居第二,但是相较于抹香鲸,鼓虾数量多,所以这些虾群发出的声音,成了海洋中噪声的主要来源。这些噪声不会对其他海洋生物造成多大影响,但给潜水艇带来了不小的麻烦。因为这些噪声会严重干扰潜水艇上用于探测物体的水下声呐。
鼓虾主要依靠这个大钳子捕食猎物。在鼓虾闭合钳子并发出“枪声”的过程中,会从钳子的尖端发射出冲击波用于攻击猎物,虽然无法对付个头较大的动物,但要是打到一些小鱼小虾身上,足以把它们击昏甚至击毙。
空化效应让“枪声”更响亮
通过一只大钳子就能发出“枪声”,鼓虾是怎么做到的呢?这其实是空化效应。空化指的是在某些情况下,液体内的局部压力降低,出现接近真空的低压气泡。
举个例子,我们知道人能听到的声音频率范围在20~20000Hz,高于20000Hz的声波称为超声波。而超声波的传递会依照正弦曲线纵向传播,即一层强一层弱,依次传递。当弱的声波信号作用于液体中时,会对液体产生一定的负压,使液体内形成许多微小的气泡;换成强的声波信号作用于液体中时,则会对液体产生一定的正压(高压),这时,液体中的小气泡在负压下生成后又迅速在正压下被压碎。在正压的作用下,液体会在气泡局部快速地发生撞击,因此气泡被压碎的这一过程会产生能量极大的冲击波。鼓虾所制造的冲击波和发出的“枪声”,同样来自这种低压气泡被压碎的瞬间。
那么,鼓虾压碎气泡是如何做到的呢?这得益于它们那只奇特的大钳子,鼓虾的钳子上有两边对应的特殊结构:一边有一个深陷进去的凹槽,另一边则有一个形状对应的凸起。鼓虾会张开钳子,让海水流入带有凹槽的那一边,当钳子闭合时,上方凸起的一侧会在瞬间插入凹槽,挤出的高速水流以约每秒32米的速度向前射出,而在高速水流的周围,又会产生旋涡。当流速快到一定程度后,在旋涡中就会产生局部的低压,使周边水体产生气泡。这些气泡在四周水体的压力下瞬间爆裂,并伴随着巨大的爆炸声,同时产生4700℃的高温,几乎接近太阳表面的温度(5600℃)。
雀尾螳螂虾“拳头”力道大
雀尾螳螂虾在出拳的时候也会在拳头附近发生空化效应。雀尾螳螂虾是一种使用“拳头”的粉碎型虾蛄,这类虾蛄会使用它们坚固的锤状爪子来撞击物体表面,尤其喜欢一拳一拳砸碎猎物的外壳,然后吃掉里面的肉。
一只虾“出拳”的力量有多大?有科学家测试了雀尾螳螂虾出拳的速度,竟然达到了80公里/小时,加速度更能媲美飞行中的子弹。
可这么快的加速度和拳速所带来的冲击力应该非常大,为什么它们砸很多拳仍然像没事发生一样呢?为了解决这个困惑,美国加利福尼亚大学的科学家对粉碎型螳螂虾的捕捉足材料进行了细微分析,还尝试用3D打印的方式对其进行模拟。
科学家通过光学显微镜和纳米压痕仪,观察了一只拥有粉碎型捕捉足的雀尾螳螂虾。结果发现它的“拳头”是有分层的。第一层是捕捉足的最外层,也称抗冲击表面(最硬),这一层钙化程度很高。第二层是抗冲击区域,里面有它强大技能的最高机密——高韧性“人”字形结构。在纳米压痕仪的帮助下,科学家观察到在材料中还具有多层结构,这种结构和坦克的复合装甲材料相似,甚至更强。可以预见,如果这种结构得到推广,将大大提高复合材料的机械性能,如韧性、抗冲击性等。
除了结构特殊,它们的捕捉足也很特殊,是由磷酸盐晶体矿化的α-甲壳素组成,能够吸收能量,抑制裂纹扩散,从而有着良好的耐损伤和抗冲击性。
正因为有多项“法宝”加身,粉碎型虾蛄才得以在打出一套“粉碎组合拳”后还能安然无恙。