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氣泡(氣泡里的有趣科學(xué))
氣泡是氣體在固體或液體表面或內(nèi)部,以球狀或半球狀形態(tài)存在的形式。隨著人們對氣泡認(rèn)識的逐漸深入,揭示出了其中的許多奧秘。
讓肥皂泡熱過太陽在陽光下吹大一個個肥皂泡,閃爍著光亮的肥皂泡飛起來,眨眼間又破裂不見。在玩肥皂泡的時候,很少有人想過,肥皂泡在破裂的一瞬間,溫度竟然可以高過太陽表面溫度的幾倍。如今,科學(xué)家通過成功的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一事實(shí)。
肥皂液體被頻率為2萬~4萬赫茲的超聲波吹大之后,其中的原子、分子之間彼此碰撞而形成高能粒子,進(jìn)而形成物質(zhì)的第四種狀態(tài),即等離子態(tài)。因此,當(dāng)肥皂泡猛地收縮時,它的內(nèi)部會變得非常熾熱。肥皂泡破裂的一剎那,溫度陡然上升并釋放出光子、產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。由于破裂瞬間產(chǎn)生的高溫十分短暫,而且出現(xiàn)于很小的空間,對此時的溫度狀況無法用溫度計(jì)直接測量。
而且,普通溫度計(jì)也不可能測量如此高溫的物體。在這種情況下,需要采取對所釋光進(jìn)行分析的方法來測量溫度,由此得出肥皂泡破裂時的瞬間溫度大約是20000℃,要比太陽表面的溫度高出幾倍。
科學(xué)家在很早之前就在理論上預(yù)言了肥皂泡破裂會產(chǎn)生極高的溫度,但是一直沒有實(shí)驗(yàn)的證據(jù)?,F(xiàn)今,科學(xué)家直接測量到了這個溫度,并在單個泡沫中觀察到等離子體。由于觀測到的光來自迅速收縮的泡沫的外表面,據(jù)此推測在泡沫表面的內(nèi)部,溫度應(yīng)該更高。有人推測,瞬間高溫說明在肥皂泡中也許發(fā)生了特殊情況的核反應(yīng),也就是說,一個個肥皂泡就是一個個“人造小太陽”。
讓金屬“發(fā)泡”“泡沫鋁”是一種多孔金屬材料,它兼有金屬特性和氣泡的特性。經(jīng)過“發(fā)泡”處理后的金屬鋁材,在材料內(nèi)部充滿了空心孔隙結(jié)構(gòu),從而使材料的密度減小到每立方米300~1000千克,與一般的木材相當(dāng)。不僅比相應(yīng)體積的鋁材要輕得多,而且可以像木頭一樣漂浮在水面。
英國劍橋大學(xué)的科研人員為了使“發(fā)泡”鋁材的內(nèi)部微孔更加符合需要,對新的制造工藝進(jìn)行研究。方向是制取孔徑細(xì)密均勻的鋁材,使單個孔徑為1毫米。斯洛伐克科學(xué)院機(jī)械材料研究所的科研人員,根據(jù)人和動物骨骼內(nèi)微孔狀結(jié)構(gòu)而引發(fā)出新奇的構(gòu)想,通過將這種微孔結(jié)構(gòu)植入鋁材之中,開發(fā)出了更為新型的“發(fā)泡”鋁材。
由于“發(fā)泡”鋁材具有奇異的內(nèi)部結(jié)構(gòu),從而成為具有材質(zhì)輕、強(qiáng)度高、吸音性能好、緩震效果佳、電磁兼容作用顯著等特點(diǎn)集于一體的特殊金屬材料,應(yīng)用前還十分喜人??梢杂糜谥圃炱?、電梯及傳送設(shè)備上的耐震部件,還可以用作各種建筑物和交通工具上的隔音材料、耐濕材料、防火材料、耐高溫材料和耐氧化材料。
在電子電氣設(shè)備中可以制造新型散熱片和輕型電磁屏障。在航空工業(yè)中,“發(fā)泡”鋁材制造飛機(jī)機(jī)翼,在飛行時可以減少空氣的阻力,提高飛機(jī)的安全飛行系數(shù)。在建筑工業(yè)中,泡沫鋁材可以用來制作內(nèi)外裝飾、隔音墻、天花板、門窗、間壁、屏蔽墻等?,F(xiàn)在,泡沫鋁材的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷地?cái)U(kuò)展。而且,還有越來越多的科學(xué)家,關(guān)注發(fā)泡鋁材的研制和開發(fā)應(yīng)用,它的未來前景是十分美好的。
冷水也“沸騰”1915年的春天,一艘英國魚雷快艇駛?cè)氪笪餮筮M(jìn)行試航。當(dāng)艦艇機(jī)器以最大轉(zhuǎn)速工作時,航速沒有繼續(xù)增長,而船尾后面卻泛起了翻滾的泡沫。與此同時,魚雷艇開始抖動起來。當(dāng)試航結(jié)束回到基地后,人們發(fā)現(xiàn)艦艇的螺旋槳被損壞到破爛不堪的程度。兩年之后,著名的英國物理學(xué)家瑞利勛爵找到了癥結(jié)所在:在艦船行進(jìn)的軌跡中生成大量微小的氣泡,這些氣泡首先向外膨脹,然后在瞬間向心爆裂。這樣一來,所有的能量在極小的范圍內(nèi)集中釋放,從而產(chǎn)生很大的破壞力。此后,經(jīng)科學(xué)家的不懈探索,終于弄明白艦艇周圍的氣泡是由于海水的“冷沸騰”所致。
眾所周知,液體的沸騰和所受到的大氣壓力有關(guān)。在一般正常壓力情況下,液體在到達(dá)沸點(diǎn)溫度時便沸騰起來。例如,水在到達(dá)100℃沸點(diǎn)時便“開”了,不住地翻滾著氣泡。然而,當(dāng)液體所處的壓力條件低于一般正常壓力時,在低于沸點(diǎn)溫度的情況下,它也要產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象。比如,當(dāng)密閉容器中的水面壓力為4毫米汞柱時,水在4℃時就可以沸騰。像這樣,液體通過減壓而在非一般沸點(diǎn)溫度條件下達(dá)到的沸騰狀態(tài),就是“冷沸騰”。
螺旋槳轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的聲波在水中傳遞,可以使水下形成低壓區(qū)與高壓區(qū)?!袄浞序v”是液體在低壓條件下產(chǎn)生的一種現(xiàn)象,當(dāng)然在轉(zhuǎn)動的螺旋槳周圍也要隨時發(fā)生。液體在處于“冷沸騰”狀態(tài)時,整個體積內(nèi)都在蒸發(fā),生成大量的汽泡,從而使液體內(nèi)部形成一個個“氣穴”。但是,這種“氣穴”是不穩(wěn)定的,在高于形成它的壓力條件下,就要在一剎那之間猛然發(fā)生凝結(jié)而消失。并且在凝結(jié)消失過程中,圍繞氣泡的液體質(zhì)點(diǎn)以極大的速度互相沖撞,形成高達(dá)上萬個大氣壓的強(qiáng)大壓力。
據(jù)科學(xué)家測定,這種壓力對于周圍的物體,諸如木材、金屬、橡膠、塑料、玻璃、混凝土等等,均可以產(chǎn)生極大的破壞力。特別是隨著各種裝置速度的提高和功率的增加,帶來的危害程度也會越來越嚴(yán)重。于是,人們千方百計(jì)尋找制服它的辦法,例如防止“氣穴”的產(chǎn)生或是從液體中去掉溶解在它里面的氣體。在內(nèi)燃發(fā)動機(jī)等封閉系統(tǒng)中,科學(xué)家還找到涂敷防護(hù)劑的方法,以保證物體表面不受“氣穴”的侵害。
海洋“打嗝”危害大海洋底部形成的有害氣體,會以氣泡形式冒出洋面。大量氣泡泛濫成災(zāi),會毀滅地球上的絕大多數(shù)生命。科學(xué)家根據(jù)數(shù)據(jù)資料推斷,有史以來,海底有害氣體已經(jīng)將地球生命毀滅數(shù)次之多。
研究人員證明,“殺手”是一種個體很微小的細(xì)菌。這種細(xì)菌只需大量陽光和極少量氧氣就能旺盛地生長,并釋放出硫化氫氣體。這種氣體即使?jié)舛群苄?,也會使生物致命。人們通常將它稱為“陰溝臭氣”。
究竟是什么原因?qū)е逻@種有害細(xì)菌大量生長呢?科學(xué)家認(rèn)為,很久以前地球發(fā)生的火山活動,導(dǎo)致大量:氧化碳釋放到空氣中,致使海洋溫度升高。只要海洋升溫,其中的氧氣就會散失,而有害細(xì)菌則會趁機(jī)占據(jù)上風(fēng)。
目前,全球變暖的趨勢使得海洋“打嗝”的條件逐漸成熟。當(dāng)今海洋底部有好幾個地方,都出現(xiàn)了釋放硫化氫的細(xì)菌。對此,科學(xué)家們很擔(dān)心。當(dāng)然,也須引起全社會人們的足夠重視。
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