一點都不寧靜的海洋裡充斥著各種各樣的動物聲音,它們甚至可以破壞潛艇的聲波傳輸。很多這樣的聲音由一種特別不起眼的生物發出的,它們就是槍蝦。它們通過猛夾自己的蝦鉗,來發出特別的聲音。這些聲音不僅可以用來交流,還有致命的殺傷力。
當蝦鉗合上時,此時水流非常快,它會產生氣穴氣泡。當氣泡破裂時,會產生極快的氣流擊傷遠處的獵物,就像用槍射出子彈一樣。那麼,這背後到底是什麼科學道理呢?
蒸汽壓
我們通過觀察可以知道,液體和大氣接觸時會蒸發。當液體表面的分子獲得足夠的動能時,它就會脫離其它液體分子的束縛而飛向大氣中,這樣我們就能看到液體體積的減少。例如,下過雨的街道,過了一段時間後我們會發現路上的雨水不見了。基本上,所有的液體與大氣接觸都會揮發,而這其中的工程概念與蒸汽壓有關。
其實不僅僅是液體表面的分子會逃逸到大氣中,大氣中的分子也會重新融入到液體表面,一定時間之後兩者會達到平衡。平衡時,這些氣態分子所產生的壓強也就是蒸汽壓。
溫度對蒸汽壓的影響非常大,當液體溫度上升時,蒸汽壓會變大。當蒸汽壓和周圍大氣壓相等的時候,液體就會開始沸騰。因此,我們知道要讓液體沸騰有兩種方法,第一種是提高液體溫度,第二種是降低周圍環境的壓強。例如,在飛機上氣壓較低,只要八十多攝氏度就能讓水沸騰。
氣穴現象
這是機械工程師研究的一種重要現象。根據伯努利定律,流速越快壓力越低。當液體的流速太快以至於周圍壓力低於這一液體的蒸汽壓時,那麼就會有沸騰現象。我們就會看到液體的立刻蒸發,這一現象我們稱為氣穴。
氣穴是指壓強低於液體的蒸汽壓,導致液體在流動的同時產生氣泡。隨著這些氣泡移動到液體中的其他地區,在巨大壓力的作用下氣泡破裂。而氣泡破裂的形狀改變會產生如同高速噴射機一樣的效果,從而破壞像鋼鐵一樣堅硬的材料。比如,水下螺旋槳附近會發生氣穴現象,從而破壞螺旋槳的結構。因此,工程師在設計螺旋槳時應該考慮要使氣穴現象儘可能不發生,要確定適合的操作速度。
應用
然而,聰明的工程師已經找到一些途徑來有效地控制並運用氣穴現象來解決一些問題。在化學工程學中,氣穴現象和之後的氣泡破裂這個過程可以用來混合、均化或者破壞懸浮顆粒。這在水淨化中也非常有用,氣泡破裂時產生的高速氣流可以分解水中的一些汙染物。
在清洗領域,氣泡的破裂可以使汙漬鬆動。例如,眼鏡店裡的超聲波清洗機。還有波音飛機上的液壓系統,它利用氣體的加壓,來抑制氣穴現象的產生,以防止液壓油產生的氣泡堵塞液壓管路。