滴水穿石与“空泡”.docx

滴水穿石与“空泡”为什么滴水能够穿石？一种常见的说法是，由于水滴不 断冲击，每次冲击石块均产生极微小的损伤，久而久之， 便可穿石了。一滴水为什么能使石头产生微小的损伤呢?假 设我们将水滴换成乒乓球，让乒乓球一个接一个不断地落 在石头上，能否“穿石呢？答案是否认的。虽然木制的乒 乓球台坚硬程度比石头差，但是一张乒乓球台无论使用多 少年，从未发生过中间局部的磨损比边缘局部严重的现象， 而乒乓球的撞击力比水滴大多了。可见“石穿不仅仅是靠 “水滴的冲击。那么，究竟是什么作用力造成了 “滴水穿 石这一妇孺皆知的现象呢？科学家用每秒钟拍摄1 500张 照片的高速摄影机拍摄了水滴落到石头上的全过程，解开 了水滴石穿之谜。原来，水滴落到石头上时，水滴首先被碰扁，然后向四 周散落开来，就在水滴“落地与“散开这一瞬间，在 水滴和石头间形成了无数细小的气泡，由于水的外表张力 作用，这些气泡的外表积都要尽可能收缩到最小。气泡收缩 时压缩气泡内部的空气，使气泡内的空气有较大的压强， 气泡半径越小，气泡内的气体压强就越大。当这些半径很小 的气泡破裂时，内部的高压气体冲击石头，造成了石头的 微小损伤，从而日积月累，终于“穿石 了。物理学上把这一现象称为气蚀，又称“空泡。当20世 纪的第一批远洋巨轮下水试航时，人们发现仅仅过了 12个 小时，螺旋桨的作用就失效了，整个螺旋桨千疮百孔。工程 师们仔细查找“肇事者，但在很长时间内都未能破案。后 来在科学家们的帮助下，经过多年的观察和研究，才证实 了这是由于气蚀现象造成的。破坏螺旋桨的“罪犯就是螺 旋桨高速旋转时产生的气泡。由于螺旋桨转速较快，对水的 冲击力很大，因而在螺旋桨周围就形成了一大片气泡云， 这些气泡微小到肉眼难以区分的程度。半径非常小的水泡内 的空气压强极大，当水泡破裂时产生的压强可达几千个大 气压。无数个小气泡不断破裂，在高压气的连续冲击下，轻 那么会降低螺旋桨的推进效率，重那么使金属构件受到破 坏而使螺旋桨失效。科学家们想出种种方法与气蚀现象作斗争，如改良金属 材料的性质，使之不怕“气蚀，给螺旋桨涂上一层化学 保护层以减少气泡的产生和侵蚀，等等。科学家们还因势利 导，使小气泡开展为所谓的“超空泡，从而大大降低了 气蚀作用。什么是“超空泡呢？当物体在水中的运动速度超过50 m/s时，钝头航行器或安装在头部的气体注入系统就可能产 生低密度气穴，这种密度很低的气泡称为“超空泡。“空 泡长度与物体的运动速度有关，物体能够在自己产生的 长气泡内部以最小的阻力飞速前进。超空泡的发现使舰船设计师们大受鼓舞。他们设计了超空 泡螺旋桨，使螺旋桨叶片外表完全被气化了的水分子所覆 盖，推进效率就不会降低，对螺旋桨叶片的剥蚀也不会发 生。俄罗斯在20世纪90年代研制成功的“暴风雪鱼雷， 是一种潜载高速鱼雷，速度可达500 km/h。它在水中运动时， 空气从头部排出，雷体外表被气泡所覆盖，呈超空泡状态， 所以阻力极小，运行速度极快。美国海军水下作战中心曾试 验出一种水下超空泡子弹，它的头部扁平，是一种无动力 射弹，由水下机枪发射，初速度高达1 500 m/s，远远超过 了声速。目前，舰船设计师们又产生了利用超空泡建造超空泡舰 船的设想。所谓超空泡舰船就是让整个舰体浸水外表被气泡 所覆盖，舰体不是浸没在水里，而是浸没在超空泡里，这 样就成了超空泡舰船。超空泡舰船受到的水的阻力较小，可 大大提高其航速。美国圣巴巴拉加州大学海洋工程实验室的 一位研究人员提出了超空泡水翼船的设想，使水翼船的水 翼处在超空泡状态，即让水翼的外表为气体所覆盖，这样 水翼的摩擦阻力大大减小，超空泡水翼船的速度可在现有 根底上提高一倍。最引人注目的是建造超空泡潜艇的设想。所谓超空泡潜 艇，是让潜艇的整个艇体为气泡所覆盖，潜艇艇体不是浸 没在水中。这样，潜艇所受的摩擦阻力消失了，阻力大大降低，航速加快。