【科普】空泡對船舶螺旋槳的殺傷力你知道嗎

原標題：【科普】空泡對船舶螺旋槳的殺傷力你知道嗎

空泡對船舶螺旋槳的殺傷力你知道嗎

沒有多少人會把小小的氣泡跟殺傷力聯繫在一起。 但實際上，那些氣泡對於設計不佳的螺旋槳來說是極其致命的。

螺旋槳一般是艦船上最最堅硬的部件之一，但它們卻常被「氣泡」所殺傷。而這裡的氣泡，其專有名字叫「空泡」。

空泡到底是怎麼產生的？毀傷力為何又這般大？今天，咱們就來一起聊一聊。

空泡的成因

我們知道，水在一個標準大氣壓下，100攝氏度時沸騰，而沸騰就是水中產生大量氣泡的過程。在大約兩個標準大氣壓時，得達到120攝氏度時才會沸騰，這是家庭用高壓鍋裡面的溫度。而在珠峰上，由於氣壓小，水最低可到69攝氏度時才出現沸騰。壓強不同，沸點也不同。

反過來說也成立，即不同溫度下，水沸騰時的壓強是不同的，這個壓強就是飽和蒸氣壓。

對照上面的表格數據，在20℃的海水裡面，如果局部出現低於2338.8pa的低壓，那麼海水就會沸騰併產生氣泡，這就是空泡。

那麼問題來了，為什麼在密實的水裡面，螺旋槳周圍還會產生低壓？

這不難理解，螺旋槳高速旋轉，由於槳葉的高速移動，則槳葉背部的壓力必然降低，形成一個吸力面，低壓就這麼產生了，當壓力低于海水的飽和蒸氣壓時，就會產生大量氣泡，就像沸騰一樣。

空泡對螺旋槳的損害

空泡與沸騰不同的是，燒水出現的沸騰，其內部生成的氣泡還會不斷長大，因為氣泡可以不斷從周圍獲得熱量。而空泡的周圍，沒有熱量的輸入，只存在周圍高壓海水的強力擠壓，這就是空泡威力很大的成因。

幾百萬分之一秒的時間裡，螺旋槳產生的空泡呈現爆髮式增長，之後，由於周圍海水的高壓，空泡又被急劇壓縮，直至崩潰，而崩潰時，會有爆炸性射流產生，這個射流的時速高達幾千公里以上，再堅硬的螺旋槳也經不起其長年累月的衝擊。

射流的衝擊

爆炸性的衝擊波

而且射流只是其中的一個傷害。空泡破滅時，還會產生爆炸性的衝擊波。 仔細看上面動圖，空泡破滅時向四周產生了一個明顯可見的衝擊波。

所以，射流和衝擊波是空泡損傷螺旋槳的根本原因。

我們可以用一個試驗來展示一下空泡的威力。

圖片來自GavinFree和DanielGruchy做的實驗

一個裝著水的啤酒瓶，用力擊打啤酒瓶的瓶口處，此時，啤酒瓶的底部掉了。為何？

讓我們來看看細節。

上面動圖告訴我們，當用力擊打啤酒瓶頂部時，啤酒瓶必然會迅速向下移動，但瓶子內部的水跟不上這種瞬間的高速移動，於是空泡就產生了。這就像螺旋槳高速轉動時，槳葉背部的水跟不上槳葉的移動一樣。

啤酒瓶底部的空泡，其存在時間極短，而當其破滅時會對瓶底產生一個衝擊力，於是瓶底就掉了。

空泡的其他危害

大壩的泄洪道、水龍頭控制閥、柴油發動機等等，也會產生空泡損傷。

空泡對泄洪道的損傷

爆炸性的衝擊波

損傷只是一方面，大量空泡破裂時產生的噪音也是常規潛艇和核潛艇所痛恨的，因為這會大大增加潛艇被敵方聲吶探測到的機會。所以，越來越多的先進核潛艇不再使用常規的外露螺旋槳推進，而是採用泵射推進。

空泡的用途

上圖為空泡在物體表面破裂時的模擬，可以看到，空泡破裂時會對物體表面進行來回衝擊，利用這種衝擊，我們可以高效清洗物件。

問題是，怎樣才能方便地在水裡面產生大量空泡？不難，向水裡面發射超聲波即可。

自然界的空泡

長尾鯊，圖片來自@CITES

長尾鯊有一根超長的大尾巴，其體長最高可達七米，尾巴是它們的捕食工具。遇到魚群時，就轉過身用尾巴奮力拍打，將魚擊暈從而美餐。

來源：科普中國-科普融合創作與傳播

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