[科普中國]-它破裂時(shí)射流時(shí)速讓艦船緊急避離

　　沒有多少人會(huì)把小小的氣泡跟殺傷力聯(lián)系在一起。 

　　但實(shí)際上，那些氣泡對于設(shè)計(jì)不佳的螺旋槳來說是極其致命的。 

圖片來自Axda0002。 

　　螺旋槳一般是艦船上最最堅(jiān)硬的部件之一，但它們卻常被“氣泡”所殺傷。而這里的氣泡，其專有名字叫“空泡”。 

　　空泡到底是怎么產(chǎn)生的？毀傷力為何又這般大？今天，咱們來聊一聊。 

　　飽和蒸氣壓 

　　我們知道，水在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，100攝氏度時(shí)沸騰，而沸騰就是水中產(chǎn)生大量氣泡的過程。在大約兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，得達(dá)到120攝氏度時(shí)才會(huì)沸騰，這是家庭用高壓鍋里面的溫度。而在珠峰上，由于氣壓小，水最低可到69攝氏度時(shí)才出現(xiàn)沸騰。壓強(qiáng)不同，沸點(diǎn)也不同。 

　　反過來說也成立，即不同溫度下，水沸騰時(shí)的壓強(qiáng)是不同的，這個(gè)壓強(qiáng)就是飽和蒸氣壓。 

　　對照上面的表格數(shù)據(jù)，在20℃的海水里面，如果局部出現(xiàn)低于2338.8pa的低壓，那么海水就會(huì)沸騰并產(chǎn)生氣泡，這就是空泡。 

　　問題來了，為什么在密實(shí)的水里面，螺旋槳周圍還會(huì)產(chǎn)生低壓？這不難理解，螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)，由于槳葉的高速移動(dòng)，則槳葉背部的壓力必然降低，形成一個(gè)吸力面，低壓就這么產(chǎn)生了，當(dāng)壓力低于海水的飽和蒸氣壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，就像沸騰一樣。 

堵住注射試管的底部，并向上拔活塞時(shí)，管內(nèi)氣壓降低，并產(chǎn)生氣泡。 

　　空泡與沸騰不同的是，燒水出現(xiàn)的沸騰，其內(nèi)部生成的氣泡還會(huì)不斷長大，因?yàn)闅馀菘梢圆粩鄰闹車@得熱量。而空泡的周圍，沒有熱量的輸入，只存在周圍高壓海水的強(qiáng)力擠壓，這就是空泡威力很大的成因。 

　　幾百萬分之一秒的時(shí)間里，螺旋槳產(chǎn)生的空泡呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，之后，由于周圍海水的高壓，空泡又被急劇壓縮，直至崩潰，而崩潰時(shí)，會(huì)有爆炸性射流產(chǎn)生，這個(gè)射流的時(shí)速高達(dá)幾千公里以上，再堅(jiān)硬的螺旋槳也經(jīng)不起其長年累月的沖擊。 

　　射流只是其中的一個(gè)傷害?？张萜茰鐣r(shí)，還會(huì)產(chǎn)生爆炸性的沖擊波。 

　　仔細(xì)看上面動(dòng)圖，空泡破滅時(shí)向四周產(chǎn)生了一個(gè)明顯可見的沖擊波。 

　　所以，射流和沖擊波是空泡損傷螺旋槳的根本原因。 

　　我們可以用一個(gè)試驗(yàn)來展示一下空泡的威力。 

圖片來自GavinFree和DanielGruchy兩人做的實(shí)驗(yàn)截圖。 

　　一個(gè)裝著水的啤酒瓶，用力擊打啤酒瓶的瓶口處，此時(shí)，啤酒瓶的底部掉了。為什么？ 

　　讓我們來看看細(xì)節(jié)。 

　　上面動(dòng)圖告訴我們，當(dāng)用力擊打啤酒瓶頂部時(shí)，啤酒瓶必然會(huì)迅速向下移動(dòng)，但瓶子內(nèi)部的水跟不上這種瞬間的高速移動(dòng)，于是空泡就產(chǎn)生了。這就像螺旋槳高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，槳葉背部的水跟不上槳葉的移動(dòng)一樣。 

　　啤酒瓶底部的空泡，其存在時(shí)間極短，而當(dāng)其破滅時(shí)會(huì)對瓶底產(chǎn)生一個(gè)沖擊力，于是瓶底就掉了。 

　　空泡的其他危害 

　　大壩的泄洪道、水龍頭控制閥、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)等等，也會(huì)產(chǎn)生空泡損傷。 

圖為空泡對泄洪道的損傷。 

圖為空泡對控制閥的損傷。 

　　損傷只是一方面，大量空泡破裂時(shí)產(chǎn)生的噪音也是常規(guī)潛艇和核潛艇所痛恨的，因?yàn)檫@會(huì)大大增加潛艇被敵方聲吶探測到的機(jī)會(huì)。所以，越來越多的先進(jìn)核潛艇不再使用常規(guī)的外露螺旋槳推進(jìn)，而是采用泵射推進(jìn)。 

　　空泡的用途 

　　上圖為空泡在物體表面破裂時(shí)的模擬，可以看到，空泡破裂時(shí)會(huì)對物體表面進(jìn)行來回沖擊，利用這種沖擊，我們可以高效清洗物件。 

　　問題是，怎樣才能方便地在水里面產(chǎn)生大量空泡？不難，向水里面發(fā)射超聲波即可。 

　　自然界空泡 

長尾鯊，圖片來自@CITES。 

　　長尾鯊有一根超長的大尾巴，其體長最高可達(dá)七米，尾巴是它們的捕食工具。遇到魚群時(shí)，就轉(zhuǎn)過身用尾巴奮力拍打，將魚擊暈從而美餐。 

　　而長尾鯊甩動(dòng)大尾巴捕食的時(shí)候，極其彪悍，研究人員從它們的尾巴尖上看到了空泡。