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「氣泡子彈」的威力能掀翻軍艦和火箭?

2024-05-10資訊

在熱帶海洋的淺水區,生活著一群「神槍手」,它們的體長只有5厘米左右,但是當它們「開槍」時,卻能瞬間擊斃體積是它們幾倍大的獵物,它們的「子彈」甚至還能打倒軍艦和火箭!到底是怎樣的武器有這麽大的威力呢?

手槍蝦的「氣泡子彈」

「神槍手」其實是一種蝦類,昵稱叫做手槍蝦,它的「手槍」是一只長度達到身長的一半的巨螯,威力巨大的「子彈」正是從巨螯中發射的。研究發現,這只巨螯輕輕一合就能夠發出接近210分貝的聲響,比火箭發射時的聲音還大。聲波在水中激起一股高速水流,水流所過之處還會附贈一串直徑為公釐級的空氣泡泡,這些泡泡就是手槍蝦的「子彈」。氣泡破裂時會發出震耳欲聾的劈啪聲,還會產生跟太陽表面溫度一樣高的高溫,最終不是將獵物「震」死就是將它們烤熟。

為什麽這麽迷你的氣泡有這麽大的威力,它們又是怎麽形成的呢?其實,氣泡裏的瓦斯並不是簡單的空氣,而是由液態水瞬間汽化而成的水蒸氣。氣泡破裂時,這些高溫的水蒸氣的能量會集中在一個非常小的點上釋放,因此,會產生極大的聲音和極高的溫度。但是奇怪的是,水分一般只在受熱時汽化,而手槍蝦並沒有把水加熱,氣泡中的水蒸氣是哪裏來的呢?

其實,除了溫度,壓力也會影響物質的形態,比如生活中常見的液化氣,之所以叫液化氣就是因為石油氣被高壓壓縮在罐子裏,此時石油氣被壓成了液態,方便儲存和運輸。等到使用時,開啟閥門,氣壓急劇下降,液化氣就會變為氣態,成為我們使用的燃氣了。手槍蝦「子彈」中的水蒸氣成因也與此相似,手槍蝦的巨螯迅速閉合的過程中,會噴出超過30公尺/秒的高速水流,在水流的沖擊下,周邊的壓力驟減,這種低壓就會使液態水變成水蒸氣,從而產生氣泡。而水流過後,這些氣泡又很容易被周圍高壓擠破,集中釋放水蒸氣,就產生足以擊敗對手的巨響和高溫了。小小的手槍蝦就靠著這種神奇的「槍法」戰勝了許多「龐然大物」。

小氣泡掀翻「大個子」

別看手槍蝦的「氣泡子彈」很迷你,它的威力可是很強大的,當許多氣泡集中在一起的時候,甚至能讓驅逐艦停航。

1902年,英國海軍開始下水試航當時最先進的驅逐艦——眼鏡蛇號,但是試航不久就發現艦艇的航速下降,航行雜訊增加,驅逐艦的效能大幅下降。在隨後的檢查中,工程師發現,原本光滑的螺旋槳表面已經被大面積腐蝕,變得凹凸不平。工程師們不得其解,驅逐艦使用了極耐腐蝕的鋁合金,而且下水的時間也不長,怎麽就出現了嚴重的腐蝕呢?

在許多工程師束手無策的情況下,最終海軍只好求助於著名的力學家洛德·瑞立。瑞立經過長達10余年的研究才發現,螺旋槳表面被腐蝕不是海水的化學作用,而是物理機制,罪魁禍首正是類似手槍蝦的「氣泡子彈」!當然,腐蝕螺旋槳的「氣泡子彈」不是手槍蝦發射的,但兩者具有相同的成因。原來,螺旋槳快速旋轉時,在海水中形成了壓力波,壓力波減小了周邊區域的壓力,海水中的溶解瓦斯析出,形成小氣泡。在壓力大的區域,這些氣泡被快速壓縮,從而形成一個射流束直接沖擊螺旋槳表面。這種射流束的速度極高,約為5千米/秒,如此高速而密集的射流束沖擊在金屬表面,產生了極大的壓力和沖力,最終就表現為螺旋槳表面被腐蝕了。

不僅是水裏的巨輪,連陸地上的火箭也會受到「氣泡子彈」的影響。液體火箭是一種用液態化學物質作為能源的火箭,在發射前,發動機泵會高速旋轉以吸取燃料,此時發動機泵入口處的壓力較其他地方要低,就容易產生「氣泡子彈」,腐蝕發動機泵。日本和美國等國的火箭,都曾因「氣泡子彈」腐蝕了發動機泵,最終發射失敗。

小氣泡的大用途

雖然,我們曾經因「氣泡子彈」的破壞而遭受了很多的損失,但隨著對它了解的深入,我們也找到了一些對抗的方法,比如透過模型預測可能產生氣泡的位置,用強度更好的材料或串聯安裝多個閥門減小亂流的產生等。而且,現在我們也開始學會利用「氣泡子彈」了。

根據研究發現,在海水中航行受到的阻力比在空氣中受到的阻力大900倍,受此影響,水下航行的速度會大大減慢。而如果能用氣泡把整個水下航行物包裹起來,讓水下航行物就像在空氣中前進一樣,就能大幅減少物體所受阻力,實作高速航行。俄羅斯科研人員研制的「暴風」魚雷正是這樣一種「飛毛腿」。

「暴風」魚雷先由火箭發射入海,將魚雷加速至超空泡速度。入海後,位於魚雷頭部的空泡發生器降壓產生小氣泡,緊靠空泡發生器後面的環狀通氣管向氣泡註入瓦斯,使小氣泡脹得更大,形成覆蓋魚雷大部份或全部表面的超空泡,這樣魚雷就相當於在「空氣」中前進了。在超空泡中執行的魚雷速度可以提高到100公尺/秒,約為普通魚雷速度的4~5倍。

「氣泡子彈」還可以用於醫學。「氣泡子彈」既然能破壞由強度極大的金屬制造的螺旋槳和發動泵,那麽也能破壞人體內部的一些「壞東西」,比如肥胖人士的脂肪組織、堵塞血管的血栓和腔性器官中的各類結石等。超音波是一種高頻、高能的聲波,當它在血液中傳播時,所過之處會形成壓力的「兩極分化」,中心壓力高,兩端壓力低,低壓之處就會產生許多小氣泡。現在醫院中可以用超音波儀器在人體中制造大量小氣泡,從而去「轟炸」這些壞東西以達到治療目的。

超音波產生的小氣泡不僅能作為「炸彈」,還能作為「快遞員」將藥物定點運送到病竈處,比如將一些對人體細胞殺傷力大的抗癌藥物「打包」起來,直接遞送到腫瘤中心,減少對正常細胞的傷害。美國南加州大學的生物醫學家周啟發及其團隊首次試驗了這個用法。

在用矽膠制成的人造血管中,超音波造成的壓力驟降使原來溶於「血液」的瓦斯析出,成為小氣泡。人造血管中的化療藥物被氣泡包裹起來,研究人員運用一把「聲鑷子」——聚焦超音波來控制氣泡的運動。而這些氣泡可以很好地反射超音波,醫生可以跟蹤反射回來的超音波,從而確定氣泡所在的位置。這樣,當載有藥物的氣泡執行到腫瘤處時,研究人員就可以提高超音波的強度,將氣泡打破,在所需的部位定點釋放藥物。

研究人員表示,這個方法可謂是一石二鳥,不僅能控制藥物運動,深入病竈給藥,在給藥的過程中還能監控藥物的前進路線,大大提高了藥物釋放的準確性。而且腫瘤藥物只是試驗藥物的一種,其他藥物也可以透過這種方法遞送,比如一些對抗耐藥菌的超強效抗生素,透過超音波直接將抗生素引導至感染部位,避免傷害人體內的其他有益細菌。

從「搗蛋鬼」到「小助手」,在人類的幫助下,「氣泡子彈」就這樣成功「轉型」了。