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為什么滴水能夠穿石？一種常見的說法是，由于水滴不斷沖擊，每次沖擊石塊均產(chǎn)生極微小的損傷，久而久之，便可穿石了。一滴水為什么能使石頭產(chǎn)生微小的損傷呢？假設(shè)我們將水滴換成乒乓球，讓乒乓球一個(gè)接一個(gè)不斷地落在石頭上，能否“穿石”呢？答案是否定的。雖然木制的乒乓球臺堅(jiān)硬程度比石頭差，但是一張乒乓球臺無論使用多少年，從未發(fā)生過中間部分的磨損比邊緣部分嚴(yán)重的現(xiàn)象，而乒乓球的撞擊力比水滴大多了?？梢姟笆辈粌H僅是靠“水滴”的沖擊。那么，究竟是什么作用力造成了“滴水穿石”這一婦孺皆知的現(xiàn)象呢？科學(xué)家用每秒鐘拍攝1 500張照片的高速攝影機(jī)拍攝了水滴落到石頭上的全過程，解開了水滴石穿之謎。 原來，水滴落到石頭上時(shí)，水滴首先被碰扁，然后向四周散落開來，就在水滴“落地”與“散開”這一滴水穿石與“空泡”瞬，在水滴和石頭間形成了無數(shù)細(xì)小的氣泡，由于水的表面張力作用，這些氣泡的表面積都要盡可能收縮到最小。氣泡收縮時(shí)壓縮氣泡內(nèi)部的空氣，使氣泡內(nèi)的空氣有較大的壓強(qiáng)，氣泡半徑越小，氣泡內(nèi)的氣體壓強(qiáng)就越大。當(dāng)這些半徑很小的氣泡破裂時(shí)，內(nèi)部的高壓氣體沖擊石頭，造成了石頭的微小損傷，從而日積月累，終于“穿石”了 。 物理學(xué)上把這一現(xiàn)象稱為氣蝕，又稱“空泡”。當(dāng)20世紀(jì)的第一批遠(yuǎn)洋巨輪下水試航時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)僅僅過了12個(gè)小時(shí)，螺旋槳的作用就失效了，整個(gè)螺旋槳千瘡百孔。工程師們仔細(xì)查找“肇事者”，但在很長時(shí)間內(nèi)都未能破案。后來在科學(xué)家們的幫助下，經(jīng)過多年的觀察和研究，才證實(shí)了這是由于氣蝕現(xiàn)象造成的。破壞螺旋槳的“罪犯”就是螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的氣泡。由于螺旋槳轉(zhuǎn)速較快，對水的沖擊力很大，因而在螺旋槳周圍就形成了一大片氣泡云，這些氣泡微小到肉眼難以辨別的程度。半徑非常小的水泡內(nèi)的空氣壓強(qiáng)極大，當(dāng)水泡破裂時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)可達(dá)幾千個(gè)大氣壓。無數(shù)個(gè)小氣泡不斷破裂，在高壓氣的連續(xù)沖擊下，輕則會(huì)降低螺旋槳的推進(jìn)效率，重則使金屬構(gòu)件受到破壞而使螺旋槳失效。 科學(xué)家們想出種種辦法與氣蝕現(xiàn)象作斗爭，如改進(jìn)金屬材料的性質(zhì)，使之不怕“氣蝕”，給螺旋槳涂上一層化學(xué)保護(hù)層以減少氣泡的產(chǎn)生和侵蝕，等等?？茖W(xué)家們還因勢利導(dǎo)，使小氣泡發(fā)展為所謂的“超空泡”，從而大大降低了氣蝕作用。 什么是“超空泡”呢？當(dāng)物體在水中的運(yùn)動(dòng)速度超過50 m/s時(shí)，鈍頭航行器或安裝在頭部的氣體注入系統(tǒng)就可能產(chǎn)生低密度氣穴，這種密度很低的氣泡稱為“超空泡”。“空泡”長度與物體的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，物體能夠在自己產(chǎn)生的長氣泡內(nèi)部以最小的阻力飛速前進(jìn)。 超空泡的發(fā)現(xiàn)使艦船設(shè)計(jì)師們大受鼓舞。他們設(shè)計(jì)了超空泡螺旋槳，使螺旋槳葉片表面完全被氣化了的水分子所覆蓋，推進(jìn)效率就不會(huì)降低，對螺旋槳葉片的剝蝕也不會(huì)發(fā)生。俄羅斯在20世紀(jì)90年代研制成功的“暴風(fēng)雪”魚雷，是一種潛載高速魚雷，速度可達(dá)500 km/h。它在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣從頭部排出，雷體表面被氣泡所覆蓋，呈超空泡狀態(tài)，所以阻力極小，運(yùn)行速度極快。美國海軍水下作戰(zhàn)中心曾試驗(yàn)出一種水下超空泡子彈，它的頭部扁平，是一種無動(dòng)力射彈，由水下機(jī)槍發(fā)射，初速度高達(dá)1 500 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了聲速。 目前，艦船設(shè)計(jì)師們又產(chǎn)生了利用超空泡建造超空泡艦船的設(shè)想。所謂超空泡艦船就是讓整個(gè)艦體浸水表面被氣泡所覆蓋，艦體不是浸沒在水里，而是浸沒在超空泡里，這樣就成了超空泡艦船。超空泡艦船受到的水的阻力較小，可大大提高其航速。美國圣巴巴拉加州大學(xué)海洋工程實(shí)驗(yàn)室的一位研究人員提出了超空泡水翼船的設(shè)想，使水翼船的水翼處在超空泡狀態(tài)，即讓水翼的表面為氣體所覆蓋，這樣水翼的摩擦阻力大大減小，超空泡水翼船的速度可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高一倍。 最引人注目的是建造超空泡潛艇的設(shè)想。所謂超空泡潛艇，是讓潛艇的整個(gè)艇體為氣泡所覆蓋，潛艇艇體不是浸沒在水中。這樣，潛艇所受的摩擦阻力消失了，阻力大大降低，航速加快。 肥皂泡比太陽還熱 現(xiàn)在，科學(xué)家測量了這個(gè)溫度，結(jié)果令他們震驚不已。當(dāng)液態(tài)的肥皂泡猛地收縮時(shí)，它的內(nèi)部變得非常熾熱，溫度大約是2 萬攝氏度，比太陽表面的溫度高4 倍！ 肥皂泡被吹大并崩潰的過程叫作“ 聲致發(fā)光”，液體被2 萬到4 萬赫茲的高頻率聲波吹大（人體能夠感知的最大頻率大約是2 萬赫茲）。當(dāng)肥皂泡開始破裂的一剎那，溫度陡然上升。原子、分子間彼此碰撞，高能粒子形成了物質(zhì)的第四種狀態(tài)，即等離子態(tài)。這個(gè)過程會(huì)釋放出光。 由于破裂瞬間產(chǎn)生的高溫十分短暫，而且出現(xiàn)于很小的空間，因此我們無法用溫度計(jì)直接測量到，當(dāng)然，普通溫度計(jì)也不可能測量如此高溫的物體。但是通過對所釋放的光的分析，可以測量出暴聚氣體的溫度。 其實(shí)，在理論上科學(xué)家已經(jīng)預(yù)言了肥皂泡破裂會(huì)產(chǎn)生極高的溫度，但是卻一直沒有實(shí)驗(yàn)的證據(jù)。在最近的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家第一次直接測量到了這個(gè)溫度，第一次在單個(gè)泡沫中觀察到等離子體，這是單泡聲致發(fā)光領(lǐng)域的一個(gè)里程碑。 由于觀測到的光來自迅速收縮的泡沫的外表面，因此在泡沫表面的內(nèi)部，溫度應(yīng)該更高。有些人猜測，瞬間高溫說明，在肥皂泡中也許發(fā)生了特殊情況的核反應(yīng)，不過目前還沒有這方面的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。如果真的如這些人所說，那么我們在自己家的臉盆中也可以制造出無數(shù)個(gè)核反應(yīng)來。 |
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