制作：寒木釣萌
監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心
沒有多少人會把小小的氣泡跟殺傷力聯(lián)系在一起。
但實際上，那些氣泡對于設(shè)計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，水在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，100攝氏度時沸騰，而沸騰就是水中產(chǎn)生大量氣泡的過程。在大約兩個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時，得達到120攝氏度時才會沸騰，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攝氏度時才出現(xiàn)沸騰。壓強不同，沸點也不同。
反過來說也成立，即不同溫度下，水沸騰時的壓強是不同的，這個壓強就是飽和蒸氣壓。
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，那么海水就會沸騰并產(chǎn)生氣泡，這就是空泡。
問題來了，為什么在密實的水里面，螺旋槳周圍還會產(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，則槳葉背部的壓力必然降低，形成一個吸力面，低壓就這么產(chǎn)生了，當(dāng)壓力低于海水的飽和蒸氣壓時，就會產(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，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)部生成的氣泡還會不斷長大，因為氣泡可以不斷從周圍獲得熱量。而空泡的周圍，沒有熱量的輸入，只存在周圍高壓海水的強力擠壓，這就是空泡威力很大的成因。
幾百萬分之一秒的時間里，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，會有爆炸性射流產(chǎn)生，這個射流的時速高達幾千公里以上，再堅硬的螺旋槳也經(jīng)不起其長年累月的沖擊。
射流只是其中的一個傷害?？张萜茰鐣r，還會產(chǎn)生爆炸性的沖擊波。
仔細(xì)看上面動圖，空泡破滅時向四周產(chǎn)生了一個明顯可見的沖擊波。
所以，射流和沖擊波是空泡損傷螺旋槳的根本原因。
我們可以用一個試驗來展示一下空泡的威力。
圖片來自GavinFree和DanielGruchy兩人做的實驗截圖。
一個裝著水的啤酒瓶，用力擊打啤酒瓶的瓶口處，此時，啤酒瓶的底部掉了。為什么？
讓我們來看看細(xì)節(jié)。
上面動圖告訴我們，當(dāng)用力擊打啤酒瓶頂部時，啤酒瓶必然會迅速向下移動，但瓶子內(nèi)部的水跟不上這種瞬間的高速移動，于是空泡就產(chǎn)生了。這就像螺旋槳高速轉(zhuǎn)動時，槳葉背部的水跟不上槳葉的移動一樣。
啤酒瓶底部的空泡，其存在時間極短，而當(dāng)其破滅時會對瓶底產(chǎn)生一個沖擊力，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)動機等等，也會產(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，大量空泡破裂時產(chǎn)生的噪音也是常規(guī)潛艇和核潛艇所痛恨的，因為這會大大增加潛艇被敵方聲吶探測到的機會。所以，越來越多的先進核潛艇不再使用常規(guī)的外露螺旋槳推進，而是采用泵射推進。
空泡的用途
上圖為空泡在物體表面破裂時的模擬，可以看到，空泡破裂時會對物體表面進行來回沖擊，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，其體長最高可達七米，尾巴是它們的捕食工具。遇到魚群時，就轉(zhuǎn)過身用尾巴奮力拍打，將魚擊暈從而美餐。
而長尾鯊甩動大尾巴捕食的時候，極其彪悍，研究人員從它們的尾巴尖上看到了空泡。