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能掀翻军舰和火箭的“气泡子弹”?

在热带海洋的浅水区,生活着一群“神枪手”,它们的体长只有5厘米左右,但是当它们“开枪”时,却能瞬间击毙体积是它们几倍大的猎物,它们的“子弹”甚至还能打倒军舰火箭!到底是怎样的武器有这么大的威力呢?

手枪虾的“气泡子弹”

“神枪手”其实是一种虾类,昵称叫做手枪虾,它的“手枪”是一只长度达到身长的一半的巨螯,威力巨大的“子弹”正是从巨螯中发射的。研究发现,这只巨螯轻轻一合就能够发出接近210分贝的声响,比火箭发射时的声音还大。声波在水中激起一股高速水流,水流所过之处还会附赠一串直径为毫米级的空气泡泡,这些泡泡就是手枪虾的“子弹”。气泡破裂时会发出震耳欲聋的噼啪声,还会产生跟太阳表面温度一样高的高温,最终不是将猎物“震”死就是将它们烤熟。

为什么这么迷你的气泡有这么大的威力,它们又是怎么形成的呢?其实,气泡里的气体并不是简单的空气,而是由液态水瞬间汽化而成的水蒸气。气泡破裂时,这些高温的水蒸气的能量会集中在一个非常小的点上释放,因此,会产生极大的声音和极高的温度。但是奇怪的是,水分一般只在受热时汽化,而手枪虾并没有把水加热,气泡中的水蒸气是哪里来的呢?

其实,除了温度,压力也会影响物质的形态,比如生活中常见的液化气,之所以叫液化气就是因为石油气被高压压缩在罐子里,此时石油气被压成了液态,方便存储和运输。等到使用时,打开阀门,气压急剧下降,液化气就会变为气态,成为我们使用的燃气了。手枪虾“子弹”中的水蒸气成因也与此相似,手枪虾的巨螯迅速闭合的过程中,会喷出超过30米/秒的高速水流,在水流的冲击下,周边的压力骤减,这种低压就会使液态水变成水蒸气,从而产生气泡。而水流过后,这些气泡又很容易被周围高压挤破,集中释放水蒸气,就产生足以击败对手的巨响和高温了。小小的手枪虾就靠着这种神奇的“枪法”战胜了许多“庞然大物”。

小气泡掀翻“大个子”

别看手枪虾的“气泡子弹”很迷你,它的威力可是很强大的,当许多气泡集中在一起的时候,甚至能让驱逐舰停航。

1902年,英国海军开始下水试航当时最先进的驱逐舰――眼镜蛇号,但是试航不久就发现舰艇的航速下降,航行噪声增加,驱逐舰的性能大幅下降。在随后的检查中,工程师发现,原本光滑的螺旋桨表面已经被大面积腐蚀,变得凹凸不平。工程师们不得其解,驱逐舰使用了极耐腐蚀的铝合金,而且下水的时间也不长,怎么就出现了严重的腐蚀呢?

在许多工程师束手无策的情况下,最终海军只好求助于著名的力学家洛德・瑞利。瑞利经过长达10余年的研究才发现,螺旋桨表面被腐蚀不是海水的化学作用,而是物理机制,罪魁祸首正是类似手枪虾的“气泡子弹”!当然,腐蚀螺旋桨的“气泡子弹”不是手枪虾发射的,但两者具有相同的成因。原来,螺旋桨快速旋转时,在海水中形成了压力波,压力波减小了周边区域的压力,海水中的溶解气体析出,形成小气泡。在压力大的区域,这些气泡被快速压缩,从而形成一个射流束直接冲击螺旋桨表面。这种射流束的速度极高,约为5千米/秒,如此高速而密集的射流束冲击在金属表面,产生了极大的压强和冲力,最终就表现为螺旋桨表面被腐蚀了。

不仅是水里的巨轮,连陆地上的火箭也会受到“气泡子弹”的影响。液体火箭是一种用液态化学物质作为能源的火箭,在发射前,发动机泵会高速旋转以吸取燃料,此时发动机泵入口处的压力较其他地方要低,就容易产生“气泡子弹”,腐蚀发动机泵。日本和美国等国的火箭,都曾因“气泡子弹”腐蚀了发动机泵,最终发射失败。

小气泡的大用途

虽然,我们曾经因“气泡子弹”的破坏而遭受了很多的损失,但随着对它了解的深入,我们也找到了一些对抗的方法,比如通过模型预测可能产生气泡的位置,用强度更好的材料或串联安装多个阀门减小湍流的产生等。而且,现在我们也开始学会利用“气泡子弹”了。

根据研究发现,在海水中航行受到的阻力比在空气中受到的阻力大900倍,受此影响,水下航行的速度会大大减慢。而如果能用气泡把整个水下航行物包裹起来,让水下航行物就像在空气中前进一样,就能大幅减少物体所受阻力,实现高速航行。俄罗斯科研人员研制的“暴风”鱼雷正是这样一种“飞毛腿”。

“暴风”鱼雷先由火箭发射入海,将鱼雷加速至超空泡速度。入海后,位于鱼雷头部的空泡发生器降压产生小气泡,紧靠空泡发生器后面的环状通气管向气泡注入气体,使小气泡胀得更大,形成覆盖鱼雷大部分或全部表面的超空泡,这样鱼雷就相当于在“空气”中前进了。在超空泡中运行的鱼雷速度可以提高到100米/秒,约为普通鱼雷速度的4~5倍。

“气泡子弹”还可以用于医学。“气泡子弹”既然能破坏由强度极大的金属制造的螺旋桨和发动泵,那么也能破坏人体内部的一些“坏东西”,比如肥胖人士的脂肪组织、堵塞血管的血栓和腔性器官中的各类结石等。超声波是一种高频、高能的声波,当它在血液中传播时,所过之处会形成压强的“两极分化”,中心压强高,两端压强低,低压之处就会产生许多小气泡。现在医院中可以用超声波仪器在人体中制造大量小气泡,从而去“轰炸”这些坏东西以达到治疗目的。

超声波产生的小气泡不仅能作为“炸弹”,还能作为“快递员”将药物定点运送到病灶处,比如将一些对人体细胞杀伤力大的抗癌药物“打包”起来,直接递送到肿瘤中心,减少对正常细胞的伤害。美国南加州大学的生物医学家周启发及其团队首次试验了这个用法。

在用硅胶制成的人造血管中,超声波造成的压强骤降使原来溶于“血液”的气体析出,成为小气泡。人造血管中的化疗药物被气泡包裹起来,研究人员运用一把“声镊子”――聚焦超声波来控制气泡的运动。而这些气泡可以很好地反射超声波,医生可以跟踪反射回来的超声波,从而确定气泡所在的位置。这样,当载有药物的气泡运行到肿瘤处时,研究人员就可以提高超声波的强度,将气泡打破,在所需的部位定点释放药物。

研究人员表示,这个方法可谓是一石二鸟,不仅能控制药物运动,深入病灶给药,在给药的过程中还能监控药物的前进路线,大大提高了药物释放的准确性。而且肿瘤药物只是试验药物的一种,其他药物也可以通过这种方法递送,比如一些对抗耐药菌的超强效抗生素,通过超声波直接将抗生素引导至感染部位,避免伤害人体内的其他有益细菌。

从“捣蛋鬼”到“小助手”,在人类的帮助下,“气泡子弹”就这样成功“转型”了。