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2021 年 04 月 15 日 星期 放大 缩小 默认  
科普中国

手枪虾的“气泡子弹”

  在热带海洋的浅水区,生活着一群“神枪手”,它们的体长只有5厘米左右,但是当它们“开枪”时,却能瞬间击毙体积是它们几倍大的猎物,到底是怎样的武器有这么大的威力呢?

  威力巨大的“神枪手”

  “神枪手”其实是一种虾类,昵称叫做手枪虾,它的“手枪”是一只长度达到身长的一半的巨螯,威力巨大的“子弹”正是从巨螯中发射的。研究发现,这只巨螯轻轻一合就能够发出接近210分贝的声响,声波在水中激起一股高速水流,水流所过之处还会附赠一串直径为毫米级的空气泡泡,这些泡泡就是手枪虾的“子弹”。

  为什么这么迷你的气泡有这么大的威力,它们又是怎么形成的呢?其实,气泡里的气体并不是简单的空气,而是由液态水瞬间汽化而成的水蒸气。气泡破裂时,这些高温的水蒸气的能量会集中在一个非常小的点上释放,因此,会产生极大的声音和极高的温度。但是奇怪的是,水分一般只在受热时汽化,而手枪虾并没有把水加热,气泡中的水蒸气是哪里来的呢?

  其实,除了温度,压力也会影响物质的形态,比如生活中常见的液化气。手枪虾“子弹”中的水蒸气成因与此相似,手枪虾的巨螯迅速闭合的过程中,会喷出超过30米/秒的高速水流,在水流的冲击下,周边的压力骤减,这种低压就会使液态水变成水蒸气,从而产生气泡。而水流过后,这些气泡又很容易被周围高压挤破,集中释放水蒸气,就产生足以击败对手的巨响和高温了。小小的手枪虾就靠着这种神奇的“枪法”战胜了许多“庞然大物”。

  小气泡掀翻“大个子”

  别看手枪虾的“气泡子弹”很迷你,它的威力可是很强大的,当许多气泡集中在一起的时候,甚至能让驱逐舰停航。

  1902年,英国海军开始下水试航当时最先进的驱逐舰——眼镜蛇号,但是试航不久就发现舰艇的航速下降,航行噪声增加,驱逐舰的性能大幅下降。在检查中,工程师发现,原本光滑的螺旋桨表面已经被大面积腐蚀,变得凹凸不平。工程师们不得其解,驱逐舰使用了极耐腐蚀的铝合金,而且下水的时间也不长,怎么就出现了严重的腐蚀呢?

  在许多工程师束手无策的情况下,最终海军只好求助于著名的力学家洛德·瑞利。瑞利经过长达10余年的研究才发现,螺旋桨表面被腐蚀不是海水的化学作用,而是物理机制,罪魁祸首正是类似手枪虾的“气泡子弹”。原来,螺旋桨快速旋转时,在海水中形成了压力波,压力波减小了周边区域的压力,海水中的溶解气体析出,形成小气泡。在压力大的区域,这些气泡被快速压缩,从而形成一个射流束直接冲击螺旋桨表面。这种射流束的速度极高,约为5千米/秒,如此高速而密集的射流束冲击在金属表面,产生了极大的压强和冲力,最终就表现为螺旋桨表面被腐蚀了。

  小气泡的大用途

  虽然,我们曾经因“气泡子弹”的破坏而遭受了很多的损失,但随着对它了解的深入,我们也找到了一些对抗的方法,比如通过模型预测可能产生气泡的位置,用强度更好的材料或串联安装多个阀门减小湍流的产生等。而且,现在我们也开始学会利用“气泡子弹”了。

  根据研究发现,在海水中航行受到的阻力比在空气中受到的阻力大900倍,受此影响,水下航行的速度会大大减慢。而如果能用气泡把整个水下航行物包裹起来,让水下航行物就像在空气中前进一样,就能大幅减少物体所受阻力,实现高速航行。俄罗斯科研人员研制的“暴风”鱼雷正是这样一种“飞毛腿”。在超空泡中运行的鱼雷速度可以提高到100米/秒,约为普通鱼雷速度的4~5倍。

  “气泡子弹”还可以用于医学。超声波是一种高频、高能的声波,当它在血液中传播时,所过之处会形成压强的“两极分化”,中心压强高,两端压强低,低压之处就会产生许多小气泡。现在医院中可以用超声波仪器在人体中制造大量小气泡,从而去“轰炸”这些坏东西以达到治疗目的。

  从“捣蛋鬼”到“小助手”,在人类的帮助下,“气泡子弹”就这样成功“转型”了。(本报综合)

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