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它破裂时射流时速高达几千公里 舰船避之唯恐不及

字号+ 作者:瞭望周刊 来源: 2017-12-22 18:27 我要评论( )

出品:科普中国 制作:寒木钓萌 监制:中国科学院计算机网络信息中心 没有多少人会把小小的气泡跟杀伤力联系在一起。 但实际上,那些气泡对于

出品:科普中国

制作:寒木钓萌

监制:中国科学院计算机网络信息中心

 

 

没有多少人会把小小的气泡跟杀伤力联系在一起。

 

 

但实际上,那些气泡对于设计不佳的螺旋桨来说是极其致命的。

 

 

图片来自Axda0002。

螺旋桨一般是舰船上最最坚硬的部件之一,但它们却常被"气泡"所杀伤。而这里的气泡,其专有名字叫"空泡"。

空泡到底是怎么产生的?毁伤力为何又这般大?今天,咱们来聊一聊。

饱和蒸气压

我们知道,水在一个标准大气压下,100摄氏度时沸腾,而沸腾就是水中产生大量气泡的过程。在大约两个标准大气压时,得达到120摄氏度时才会沸腾,这是家庭用高压锅里面的温度。而在珠峰上,由于气压小,水最低可到69摄氏度时才出现沸腾。压强不同,沸点也不同。

反过来说也成立,即不同温度下,水沸腾时的压强是不同的,这个压强就是饱和蒸气压

 

 

对照上面的表格数据,在20℃的海水里面,如果局部出现低于2338.8pa的低压,那么海水就会沸腾并产生气泡,这就是空泡。

问题来了,为什么在密实的水里面,螺旋桨周围还会产生低压?这不难理解,螺旋桨高速旋转,由于桨叶的高速移动,则桨叶背部的压力必然降低,形成一个吸力面,低压就这么产生了,当压力低于海水的饱和蒸气压时,就会产生大量气泡,就像沸腾一样。

 

 

堵住注射试管的底部,并向上拔活塞时,管内气压降低,并产生气泡。

空泡与沸腾不同的是,烧水出现的沸腾,其内部生成的气泡还会不断长大,因为气泡可以不断从周围获得热量。而空泡的周围,没有热量的输入,只存在周围高压海水的强力挤压,这就是空泡威力很大的成因。

 

 

几百万分之一秒的时间里,螺旋桨产生的空泡呈现爆发式增长,之后,由于周围海水的高压,空泡又被急剧压缩,直至崩溃,而崩溃时,会有爆炸性射流产生,这个射流的时速高达几千公里以上,再坚硬的螺旋桨也经不起其长年累月的冲击。

射流只是其中的一个伤害。空泡破灭时,还会产生爆炸性的冲击波。

 

 

仔细看上面动图,空泡破灭时向四周产生了一个明显可见的冲击波。

所以,射流和冲击波是空泡损伤螺旋桨的根本原因。

我们可以用一个试验来展示一下空泡的威力。

 

 

图片来自GavinFree和DanielGruchy两人做的实验截图。

一个装着水的啤酒瓶,用力击打啤酒瓶的瓶口处,此时,啤酒瓶的底部掉了。为什么?

让我们来看看细节。

 

 

上面动图告诉我们,当用力击打啤酒瓶顶部时,啤酒瓶必然会迅速向下移动,但瓶子内部的水跟不上这种瞬间的高速移动,于是空泡就产生了。这就像螺旋桨高速转动时,桨叶背部的水跟不上桨叶的移动一样。

啤酒瓶底部的空泡,其存在时间极短,而当其破灭时会对瓶底产生一个冲击力,于是瓶底就掉了。

空泡的其他危害

大坝的泄洪道、水龙头控制阀、柴油发动机等等,也会产生空泡损伤。

 

 

图为空泡对泄洪道的损伤。

 

 

图为空泡对控制阀的损伤。

损伤只是一方面,大量空泡破裂时产生的噪音也是常规潜艇和核潜艇所痛恨的,因为这会大大增加潜艇被敌方声呐探测到的机会。所以,越来越多的先进核潜艇不再使用常规的外露螺旋桨推进,而是采用泵射推进。

 

 

空泡的用途

 

 

上图为空泡在物体表面破裂时的模拟,可以看到,空泡破裂时会对物体表面进行来回冲击,利用这种冲击,我们可以高效清洗物件。

问题是,怎样才能方便地在水里面产生大量空泡?不难,向水里面发射超声波即可。

自然界空泡

 

 

长尾鲨,图片来自@CITES。

长尾鲨有一根超长的大尾巴,其体长最高可达七米,尾巴是它们的捕食工具。遇到鱼群时,就转过身用尾巴奋力拍打,将鱼击晕从而美餐。

 

 

而长尾鲨甩动大尾巴捕食的时候,极其彪悍,研究人员从它们的尾巴尖上看到了空泡。

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