出品：科普中国

制作：寒木钓萌

监制：中国科学院计算机网络信息中心

没有多少人会把小小的气泡跟杀伤力联系在一起。

但实际上，那些气泡对于设计不佳的螺旋桨来说是极其致命的。

图片来自Axda0002。

螺旋桨一般是舰船上最最坚硬的部件之一，但它们却常被“气泡”所杀伤。而这里的气泡，其专有名字叫“空泡”。

空泡到底是怎么产生的？毁伤力为何又这般大？今天，咱们来聊一聊。

饱和蒸气压

我们知道，水在一个标准大气压下，100摄氏度时沸腾，而沸腾就是水中产生大量气泡的过程。在大约两个标准大气压时，得达到120摄氏度时才会沸腾，这是家庭用高压锅里面的温度。而在珠峰上，由于气压小，水最低可到69摄氏度时才出现沸腾。压强不同，沸点也不同。

反过来说也成立，即不同温度下，水沸腾时的压强是不同的，这个压强就是饱和蒸气压。

对照上面的表格数据，在20℃的海水里面，如果局部出现低于2338.8pa的低压，那么海水就会沸腾并产生气泡，这就是空泡。

问题来了，为什么在密实的水里面，螺旋桨周围还会产生低压？这不难理解，螺旋桨高速旋转，由于桨叶的高速移动，则桨叶背部的压力必然降低，形成一个吸力面，低压就这么产生了，当压力低于海水的饱和蒸气压时，就会产生大量气泡，就像沸腾一样。

堵住注射试管的底部，并向上拔活塞时，管内气压降低，并产生气泡。

空泡与沸腾不同的是，烧水出现的沸腾，其内部生成的气泡还会不断长大，因为气泡可以不断从周围获得热量。而空泡的周围，没有热量的输入，只存在周围高压海水的强力挤压，这就是空泡威力很大的成因。

几百万分之一秒的时间里，螺旋桨产生的空泡呈现爆发式增长，之后，由于周围海水的高压，空泡又被急剧压缩，直至崩溃，而崩溃时，会有爆炸性射流产生，这个射流的时速高达几千公里以上，再坚硬的螺旋桨也经不起其长年累月的冲击。

射流只是其中的一个伤害。空泡破灭时，还会产生爆炸性的冲击波。

仔细看上面动图，空泡破灭时向四周产生了一个明显可见的冲击波。

所以，射流和冲击波是空泡损伤螺旋桨的根本原因。

我们可以用一个试验来展示一下空泡的威力。

图片来自GavinFree和DanielGruchy两人做的实验截图。

一个装着水的啤酒瓶，用力击打啤酒瓶的瓶口处，此时，啤酒瓶的底部掉了。为什么？

让我们来看看细节。

上面动图告诉我们，当用力击打啤酒瓶顶部时，啤酒瓶必然会迅速向下移动，但瓶子内部的水跟不上这种瞬间的高速移动，于是空泡就产生了。这就像螺旋桨高速转动时，桨叶背部的水跟不上桨叶的移动一样。

啤酒瓶底部的空泡，其存在时间极短，而当其破灭时会对瓶底产生一个冲击力，于是瓶底就掉了。

空泡的其他危害

大坝的泄洪道、水龙头控制阀、柴油发动机等等，也会产生空泡损伤。

图为空泡对泄洪道的损伤。

图为空泡对控制阀的损伤。

损伤只是一方面，大量空泡破裂时产生的噪音也是常规潜艇和核潜艇所痛恨的，因为这会大大增加潜艇被敌方声呐探测到的机会。所以，越来越多的先进核潜艇不再使用常规的外露螺旋桨推进，而是采用泵射推进。

空泡的用途

上图为空泡在物体表面破裂时的模拟，可以看到，空泡破裂时会对物体表面进行来回冲击，利用这种冲击，我们可以高效清洗物件。

问题是，怎样才能方便地在水里面产生大量空泡？不难，向水里面发射超声波即可。

自然界空泡

长尾鲨，图片来自@CITES。

长尾鲨有一根超长的大尾巴，其体长最高可达七米，尾巴是它们的捕食工具。遇到鱼群时，就转过身用尾巴奋力拍打，将鱼击晕从而美餐。

而长尾鲨甩动大尾巴捕食的时候，极其彪悍，研究人员从它们的尾巴尖上看到了空泡。

“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

本文由科普中国融合创作出品。