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本文来自窗敲雨的个人公众号“酷炫科学”

从个头上来看,枪虾(Alpheidae科)并不起眼,不过它们在水下搞出的动静却很大。枪虾有一只结构特别的大钳子,只要把打开的钳子迅速地合上,它们就能制造出一声“枪响”,并在局部发射出冲击波用于攻击。虽然只能对付个头不大的动物,但这把枪的威力还是很大的,甚至可以杀死小的猎物。然而,用一只钳子在水下“开枪”,枪虾到底是怎么做到的?答案是,它们利用了空化效应。

空化(cavitation)指的在某些情况下,液体内的局部压力降低,出现接近真空的低压空泡。这样的空泡内部压力很低,而周围环境还有液体压强和大气压的强大作用,因此它们生成之后很快就会在周围的高压之下迅速被压扁。而空泡被压扁的过程是极具冲击力的,在周围高压的作用下,液体会在空泡局部快速地发生撞击,可以产生强烈的冲击波。

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之前介绍过一个空手拍碎玻璃瓶的例子,从这里就可以体会空化的威力:

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仔细看瓶底,当瓶子快速向下移动时,瓶中的水没有跟上节奏,因此在瓶底产生了低压的空泡,而因为压力不平衡,上方的水又很快地把空泡压扁,并重重地撞上了瓶底,导致玻璃瓶破碎。

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枪虾所发出的“枪声”和冲击波,也来自这种低压空泡被压扁的时刻。枪虾的钳子上有两边对应的特殊结构:一边是一个凹槽,另一边是形状对应的凸起。

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根据最近一项研究的说法,当钳子快速合上时,凸起会把凹槽中的水快速地挤出去,产生一股高速的水流(上图中的箭头)。而在高速水流的周围,又会产生漩涡。当流速快到一定程度之后,在漩涡中就会产生局部的低压,促使空泡产生。接下来,随着空泡被压扁,局部的液体重重地撞到一起,冲击波就这样产生了。

在高速摄影中,也可以清晰地看到空泡产生与被“压扁”的过程:

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(录制者:Michel Versluis)

很多时候,人类所担心的是空化效应带来的副作用(比如说会导致螺旋桨损坏),而能把它变成自己的武器,枪虾也真的是很厉害了。

PS:你可能看过皮皮虾(虾蛄)击打产生冲击波的那个漫画,需要说明的是,枪虾和皮皮虾是两个东西。有一些虾蛄确实也会产生空化效应,但是并不是我们平时吃的那种。

信源:
https://www.nature.com/articles/s41598-017-14312-0
https://www.newscientist.com/article/2151700-how-a-tiny-shrimp-fires-a-savage-shock-wave-using-just-its-claw/

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One Response to “用钳子在水下开枪!枪虾是怎么做到的?”

  1. 匿名说道:

    发现要评论以后才会变成桌面样式

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