滴水穿石與“空泡”

陳報(bào)南

為什么滴水能夠穿石？一種常見(jiàn)的說(shuō)法是，由于水滴不斷沖擊，每次沖擊石塊均產(chǎn)生極微小的損傷，久而久之，便可穿石了。一滴水為什么能使石頭產(chǎn)生微小的損傷呢？假設(shè)我們將水滴換成乒乓球，讓乒乓球一個(gè)接一個(gè)不斷地落在石頭上，能否“穿石”呢？答案是否定的。雖然木制乒乓球臺(tái)的堅(jiān)硬程度比石頭差，但是一張乒乓球臺(tái)無(wú)論使用多少年，從未發(fā)生過(guò)中間部分的磨損比邊緣部分嚴(yán)重的現(xiàn)象，而乒乓球的撞擊力比水滴大多了。可見(jiàn)“石穿”不僅僅是靠“水滴”的沖擊。那么，究竟是什么作用力造成了“滴水穿石”這一婦孺皆知的現(xiàn)象呢？科學(xué)家用每秒鐘拍攝1 500張照片的高速攝影機(jī)拍攝了水滴落到石頭上的全過(guò)程，解開(kāi)了水滴石穿之謎。

原來(lái)，水滴落到石頭上時(shí)，水滴首先被碰扁，然后向四周散落開(kāi)來(lái)，就在水滴“落地”與“散開(kāi)”這一瞬間，在水滴和石頭間形成了無(wú)數(shù)細(xì)小的氣泡，由于水的表面張力作用，這些氣泡的表面積都要盡可能收縮到最小。氣泡收縮時(shí)壓縮氣泡內(nèi)部的空氣，使氣泡內(nèi)的空氣有較大的壓強(qiáng)，氣泡半徑越小，氣泡內(nèi)的氣體壓強(qiáng)就越大。當(dāng)這些半徑很小的氣泡破裂時(shí)，內(nèi)部的高壓氣體沖擊石頭，造成了石頭的微小損傷，從而日積月累，終于“穿石”了 。

物理學(xué)上把這一現(xiàn)象稱(chēng)為氣蝕，又稱(chēng)“空泡”。當(dāng)20世紀(jì)的第一批遠(yuǎn)洋巨輪下水試航時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)僅僅過(guò)了12個(gè)小時(shí)，螺旋槳的作用就失效了，整個(gè)螺旋槳千瘡百孔。工程師們仔細(xì)查找“肇事者”，但在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都未能破案。后來(lái)在科學(xué)家們的幫助下，經(jīng)過(guò)多年的觀察和研究，才證實(shí)了這是由于氣蝕現(xiàn)象造成的。破壞螺旋槳的“罪犯”就是螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的氣泡。

科學(xué)家們想出種種辦法與氣蝕現(xiàn)象作斗爭(zhēng)，如改進(jìn)金屬材料的性質(zhì)，使之不怕“氣蝕”，給螺旋槳涂上一層化學(xué)保護(hù)層以減少氣泡的產(chǎn)生和侵蝕等等?？茖W(xué)家們還因勢(shì)利導(dǎo)，使小氣泡發(fā)展為所謂的“超空泡”，從而大大降低了氣蝕作用。

什么是“超空泡”呢？當(dāng)物體在水中的運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)50 m/s時(shí)，鈍頭航行器或安裝在頭部的氣體注入系統(tǒng)就可能產(chǎn)生低密度氣穴，這種密度很低的氣泡稱(chēng)為“超空泡”?！翱张荨遍L(zhǎng)度與物體的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，物體能夠在自己產(chǎn)生的長(zhǎng)氣泡內(nèi)部以最小的阻力飛速前進(jìn)。

超空泡的發(fā)現(xiàn)使艦船設(shè)計(jì)師們大受鼓舞。他們?cè)O(shè)計(jì)了超空泡螺旋槳，使螺旋槳葉片表面完全被氣化了的水分子所覆蓋，推進(jìn)效率就不會(huì)降低，對(duì)螺旋槳葉片的侵蝕也不會(huì)發(fā)生。俄羅斯在20世紀(jì)90年代研制成功的“暴風(fēng)雪”魚(yú)雷，是一種潛載高速魚(yú)雷，速度可達(dá)500 km/h。它在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣從頭部排出，雷體表面被氣泡所覆蓋，呈超空泡狀態(tài)，所以阻力極小，運(yùn)行速度極快。美國(guó)海軍水下作戰(zhàn)中心曾試驗(yàn)出一種水下超空泡子彈，它的頭部扁平，是一種無(wú)動(dòng)力射彈，由水下機(jī)槍發(fā)射，初速度高達(dá)1 500 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了聲速。

目前，艦船設(shè)計(jì)師們又產(chǎn)生了利用超空泡建造超空泡艦船的設(shè)想。所謂超空泡艦船就是讓整個(gè)艦體浸水表面被氣泡所覆蓋，艦體不是浸沒(méi)在水里，而是浸沒(méi)在超空泡里，這樣就成了超空泡艦船。超空泡艦船受到的水的阻力較小，可大大提高其航速。美國(guó)圣巴巴拉加州大學(xué)海洋工程實(shí)驗(yàn)室的一位研究人員提出了超空泡水翼船的設(shè)想，使水翼船的水翼處在超空泡狀態(tài)，即讓水翼的表面為氣體所覆蓋，這樣水翼的摩擦阻力大大減小，超空泡水翼船的速度可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高一倍。

最引人注目的是建造超空泡潛艇的設(shè)想。所謂超空泡潛艇，是讓潛艇的整個(gè)艇體為氣泡所覆蓋，潛艇艇體不是浸沒(méi)在水中。這樣，潛艇所受的摩擦阻力消失了，阻力大大降低，航速加快。