最近比較忙，經常需要熬夜加班，嘴里上火長泡，而泡泡的威力不僅讓你寢食難安，而且對于自然界的某些動物來說，它還是一種“致命武器”。

氣泡是自然界中一種常見的現象，看起來柔和美麗。然而今天我們要介紹的，是一種具有巨大威力的氣泡：空泡。

空泡在自然界中，可算得上是“武器”級的。下圖是一只手槍蝦，一般體長只有5cm左右，有一大一小一對螯。它會制造空泡，在獵食時把空泡當做”武器”，利用空泡擊暈或殺死蝦鉗前方的小魚小蟹。空泡消失潰滅時會發出噼啪噼啪的聲音，這也是它們被稱為手槍蝦的由來。當手槍蝦群聚集時，它們發出的大量噪聲能夠影響水聲通訊，甚至能夠讓潛艇用以避開聲吶的探測追蹤。這么個小泡泡，是怎樣產生，又為什么會有這么大的威力呢？

槍蝦“發射”時產生的射流空泡（圖片來自互聯網）

簡單來說，空泡是指水中一部分壓力降至飽和蒸氣壓以下時，液態水發生空化相變從而產生的氣泡，這些氣泡是主要是由蒸氣和某些溶解于水中的氣體組成的。還是有點難理解？為了說明這個問題，我們先來復習兩個知識點：

第一個知識點，我們知道水是有三態的，分別是氣態、液態和固態，簡言之就是水蒸氣、水和冰。后續我們要用到氣態和液態兩種形式。

水的三態（圖片來自于互聯網）

第二個知識點，我們知道溫度和壓力會影響流體的形態，溫度的影響很簡單，比如燒開水，部分水會由液態變成氣態；壓力的影響也比較常見，比如做飯用的液化氣，醫療上用到的液氧、液氮，裝在耐高壓的密封的罐子里的時候都是液態的，一旦釋放出來壓力降低，就會變為氣態。因此，液體的氣化現象可以通過升高溫度或者降低壓力兩種方式發生。液體在每個溫度下都會有一個對應的飽和蒸汽壓力，這就構成了氣/液兩相的界限。下圖中高壓、低溫一側是液態，而低壓、高溫一側則是氣態。通過加熱提高溫度可以產生沸騰氣化現象，而通過降低壓力使其低于飽和蒸氣壓時，產生的氣化現象就是空化了。

水的氣化發生條件(Franc J P 2006)

因此，一切能夠在液體中產生低壓的方法，都有可能誘發空化，進而產生空泡。例如，水中高速航行的物體，表面局部壓力會變得很低；超聲波、沖擊波、激光等也都有可能導致低壓，從而誘導空泡的產生。前面提到的手槍蝦，就是通過將巨螯迅速閉合，噴出超過30m/s的高速射流，射流附近壓力降低，從而誘導產生空泡。

空泡有很多種形態，最常見的就是物體表面的獨立的氣泡或者小氣泡構成的氣泡群，泡內的主要成分是水蒸氣。氣泡的運動行為主要由壓力控制，外部高壓作用下，氣泡會產生強烈的坍縮潰滅。這種潰滅能夠將整個氣泡的勢能集中于一個非常小的點上，能量密度非常高，據計算溫度高達幾萬攝氏度以上，甚至產生光和聚變，即聲致發光（sonoluminesence）和聲致聚變（Sonofusion）現象。如下圖中，氣泡潰滅過程中，形成了高速的指向壁面射流，產生了巨大的沖擊作用。

單氣泡貼近壁面潰滅與射流(By Li S C)

單個氣泡雖小，累積起來的威力是非常巨大的，會對結構產生明顯的剝蝕破壞，稱為“空蝕”或“氣蝕”。現實生活中一個能夠體現空泡巨大威力的例子來自于水利領域。下圖是胡佛水壩的泄洪通道，高速水流產生巨大的負壓區和大量的空泡，空泡潰滅在洞壁處挖了一個巨大的洞（紅色箭頭所指的是洞口，洞旁紅圈所圍住的白色部分是一個工作人員）。

胡佛水壩溢洪道由于空蝕形成的大洞 (By Farvey 1990)

為了避免這一問題，工程師通常采取“摻氣減蝕”的辦法，即通過專門的通路將外部不可凝結的空氣通入到水蒸氣空泡內部。潰滅過程中這部分摻進來的空氣只會被壓縮不會像水蒸氣一樣凝結相變，從而就像在空泡了增加了“彈簧”、“氣墊”一樣，減弱了潰滅的壓力，保護了結構的完整性。

在水翼、螺旋槳、水輪機葉片等所處的流場中，也會產生大量的空泡，空泡潰滅產生局部高能沖擊載荷進而誘導表面的空蝕破壞（如下圖），而壓力脈沖的累積效應也能夠誘發強烈的振動、噪聲等問題。日本H2火箭由于非穩態空泡引起了軸流泵誘導輪的振動破壞，最終導致了發射失敗，類似的空泡誘導振動問題在美國的火箭設計中也屢次被報道。螺旋槳空泡噪聲也是潛艇隱蔽性中的重要問題。因此，在高速水動力學領域，空泡潰滅可以說是工程應用中的頭號敵人。如下圖均為典型的空蝕結構破壞圖。

典型的空蝕結構破壞圖：

（a）水槍機葉片空蝕(Brennen, 2011)

（b）水泵誘導輪空蝕(Brennen, 2011)

（c）螺旋槳舵面空蝕 (By Straka W)

不過，空泡潰滅產生的高壓，也可以為人類所用。超聲清洗是最常見的應用方式，我們洗眼鏡用到的超聲清洗機、刷牙時用的聲波震動式電動牙刷，都是用超聲波的方式在水中產生大量小空泡，利用空泡潰滅的壓力來剝落污垢的。醫學領域目前已可以廣泛用于碎石（下圖）、吸脂、殺菌、造影、藥物輸運、溶栓治療等等。如下為超聲碎石效果實驗對比圖。

超聲碎石效果實驗 (左側為術前、右側為術后，超聲空化引起的空泡潰滅在人工石表面產生了許多的剝落凹坑)

除了工程領域，自然界中也有許多的現象與空泡相關，影響著許多水生動物的行為。很容易想到的，許多大型的哺乳動物或魚類，游動速度能夠超過15m/s，尾鰭處可能會產生空泡，也會出現類似空蝕的效果。有報道稱，海豚游動的速度限制主要來自于空化，因為空泡潰滅會讓它們覺得很痛。而金槍魚因為尾鰭是骨質的，沒有神經和疼痛感，據稱瞬時最高時速能夠達到160km/h。也有學者觀察到金槍魚尾鰭上由于空蝕形成的小坑。（“dolphins swim so fast it hurts”, New scientists, 2008）

相比魚類的痛苦不堪，許多聰明的蝦類反而把空泡作為他們絕妙的武器。擁有巨大錘肢的雀尾螳螂蝦（peacock Mantis Shrimp，跟美味的皮皮蝦是同類）雖然外表很漂亮，但當它用巨大的肢端擊打獵物時，沖擊效果能夠產生空泡并利用潰滅高壓來攻擊，這一方式能夠輕易的擊碎蟹殼（“Deadly strike mechanism of a mantis shrimp”, Nature, 2004）。大家可以回顧篇首提到的手槍蝦，仿佛自帶武器一般，是不是立馬覺得它們像個危險分子。喜歡養此類蝦的同學們要注意了，小心水族箱被擊碎哦。

 

雀尾螳螂蝦用錘肢打擊貝殼產生空泡潰滅現象（圖片來自互聯網）

轉載自公眾號：中科院力學所

作者：王一偉 中科院流固耦合系統力學重點實驗室研究員