【初中物理】滴水穿石与“空泡”

【初中物理】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
是否定的。

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，
从未发生过中间部分的磨损比边缘部分严重的现象，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1500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。

事实证明，当水滴落在石头上时，水滴首先被压平，然后四处散落。

当水滴“落到地上”并“散开”的那一刻，水滴和石头之间就形成了无数的小气泡。

由于水的表面张力，
这些气泡的表面积应尽可能减小到最小。

当气泡收缩时，它会压缩气泡内的空气，使气泡
内的空气具有更大的压力。

气泡半径越小，气泡内的气体压力越大。

当这些小半径的气泡
破裂时，内部高压气体冲击石头，对石头造成轻微损坏，随着时间积累，最终“穿透石头”。

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辨别的程度。

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，轻则会降低螺旋桨的推进效率，重则使金属构件受到破坏而使螺旋
桨失效。

科学家们想出了各种方法来对抗空化，例如改善金属材料的性能，使其不怕“空化”，在螺旋桨上涂上一层化学保护层，以减少气泡的产生和侵蚀，等等。

科学家还利用这种情
况使小气泡发展成所谓的“超空泡”，从而大大减少了空泡。

什么是“超空泡”呢?当物体在水中的运动速度超过50m/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。

超空泡的发现启发了船舶设计师。

他们设计了一种超空泡螺旋桨，使螺旋桨叶片的表
面完全被蒸发的水分子覆盖，从而不会降低推进效率，也不会发生螺旋桨叶片的侵蚀。

俄
罗斯在20世纪90年代研制的“暴风雪”鱼雷是一种潜载高速鱼雷，速度为500公里/小时。

当它在水中移动时，空气从头部排出，雷体表面被气泡覆盖，处于超空化状态，因此
阻力很小，运行速度很快。

美国海军水下作战中心测试了一枚水下超空气泡弹。

它的头是平的。

这是一种无动力的发射物。

它是由水下机枪发射的。

初始速度高达1500米/秒，远远超过音速。

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表面被气泡所覆盖，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，即让水翼的表面为气体所覆盖，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基础上提高一倍。

最引人注目的是建造超空泡潜艇的想法。

所谓超空泡潜艇，就是使潜艇的整个外壳被气泡覆盖，而潜艇的外壳不被淹没在水中。

这样，潜艇所受的摩擦阻力消失，阻力大大降低，速度加快。