很多人小时候,都玩过这个东西吧:
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打火机内的电火花发生器,产生的电压高达 20000V,也没听说谁被它电死了。
螳螂虾出拳时,其实可以产生 2 万℃的高温,远远高于太阳表面的温度。
它之所以不会伤害自己,其实和电火花发生器不能电死人一样:
虽然小尺度能量密度很高,但总量能量太低了,作用范围十分有限。
……
孔雀螳螂虾一拳的力量,高达 400~1500N[1],足以击碎贝壳,击断螃蟹的大鳌。
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如此大的力量,相当于它自身体重的 2000 多倍,甚至相当于成年人类的臂力。
如果人类的力量和体重比值,能达到螳螂虾这种程度,将有多达 100 多吨重的力量,能够一口气举起这个东西:
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其实正常人类的力量,也足以轻松压碎螃蟹。
那为什么螳螂虾只能击断螃蟹的大鳌,而不是完全击碎呢?
根本原因就是, 持续的时间太短了。
无论螳螂虾还是手枪虾这种,依靠瞬间爆发力的,虽然力量都十分的惊人,但由于作用时间极短,破坏能力也仅仅只能杀死一些小鱼小虾。
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螳螂虾的出拳时间,短至 5ms。
需要慢放,才能看清楚它们的击打细节。
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虽然它们击打的力量很大, 击打小型动物的确很有效果。但由于作用时间极短,但对于大型动物来说,皮肤组织就能够轻松吸收这些冲量,从而不会造成较大的伤害。
螳螂虾中的天花板,孔雀螳螂虾的确有击碎指骨的能力,但这也就是上限了。
当然,也正是因为出拳力量足够大,所以能在短短几毫秒的时间内,让拳头加速到 80km/h,也即 22.22m/s,期间产生的最高加速度,达到 100000m/s^2。
如此短的时间,如此高的加速度,螳螂虾是如何做到的?
其实,螳螂虾的出拳,类似于弩机的发射。
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它们的附肢相当于一个弹簧系统,当附肢收缩时储备弹性势能,然后再用类似于门闩的开关进行控制。
当需要出拳时,神经系统仅仅需要控制这个开关,调整方向,拳头就会自动弹射出去。
螳螂虾的小拳头,按照 5g 来算计,我们容易计算出,它一拳的巅峰动能为:
也就是说,它出拳的能量仅仅只有 1 焦耳左右。
1 焦耳的能量太低了,人体一秒钟消耗的能量就多达 100 焦耳。
不过这一拳是在几毫秒之内打出。
这个过程的功率,高达 200~300W。
虽然这个功率已经不小了,但并不足以在局部地区出现匹敌太阳的高温。
那么,螳螂虾是如何做到一拳打出 2 万℃的高温呢?
秘密就藏在击打的细节上。
螳螂虾击打的整个过程发生在数毫秒内,但其实,击中猎物的瞬间作用力,发生在更短的时间内:
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在 3ms 的出拳时间内,孔雀螳螂虾对猎物产生了两次力量冲击。
每一次的作用时间都仅仅只有 50μs:
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这样击打在猎物身上的一瞬间,功率便高达 2 万 W。
即便考虑到一些能量损失,也有 1 万 W 左右。
这 2 万 W 的功率,仅仅作用在击打的极小范围内,足以在瞬间产生小范围的高能超声波,从而发生空化作用,形成瞬间的气泡。
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这些气泡膨胀变大后,又会在压强的作用下(或者接触壁面),一瞬间崩塌。从而在局部空穴中产生高压、高温。
崩塌过程,压强足以产生上千个大气压,超过 5000℃的高温。
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空化作用产生的高温高压,甚至还会进一步发生多种化学和物理反应。
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虽然空化作用,已经能产生如此高的温度,但也没有达到 2 万℃。
螳螂虾能打出 2 万℃高温是因为,是因为在发生空化作用的同时,还出现了声致发光。
声致发光的必要条件是水中存在气泡。
无论自然水域本身存在的气泡,还是因为空化作用而产生的气泡,都可能成为声致发光的条件。
螳螂虾击打过程中,空化作用和声致发光是一个连续发光的过程。
这个过程产生的冲击,就是螳螂虾击打时,对猎物造成的第二次冲击。
第二次冲击的力量,最高可以达到第一次冲击的 2.8 倍。但平均来说,只有第一次冲击的 50%。
虽然平均冲击力更小了,但声致发光的过程,却足以让空穴内的气体等离子体化,电离内部的惰性气体[2]。
如果水中存在单一的气泡,气泡会出现周期性的压缩和外扩,从而不断发出光来,并产生超高温度。
每次闪光的时间,短至皮秒级别。
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当然,对于有着众多气泡的自然水域,并不会出现这样的周期性变化,仅仅出现一次性的发光。
能量密度,决定着它的发光强度。
一些螳螂虾在击打猎物时,可以观察到声致发光现象。
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气泡的能量密度越高,产生的声致发光也越强。
按照螳螂虾击打过程中,对局部区域作用的能量密度,也的确足够产生声致发光。
声致发光强度和能量密度的关系:
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通过瑞利 - 普莱塞特方程[3],可以求得声致发光的温度。
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为液体密度
为气泡半径,
为液体的运动粘度系数
为气泡表面张力
,
为气泡内压,
为无限远压力。
声致发光的最低温度达到 2 万 K,最高可以达到几百万 K。
虽然受限于具体的击打环境,螳螂虾不可能每次都能打出声致发光,但出现空化作用的概率是很高的。击打的瞬间,一般认为能产生 5000℃的高温。
但无论空化作用,还是声致发光,高温的范围都仅仅在微小气泡的范围内。
周围水分的质量比气泡质量大了很多个数量级。
空化作用和声致发光结束后,气泡内的热量会被具有高比热容的水所迅速吸收。虽然产生的冲击波足以击碎猎物的甲壳,但温度早已经在瞬间恢复到了常温状态。
总的来说,能量对物体的破坏程度,主要看能量密度。
而破坏范围有多大,主要看能量总量。
对于螳螂虾自身来说,虽然它的拳头受到的能量冲击密度最高,但很明显在古老的进化旅程中,它们的拳头进化出了至少能承受十几,甚至几十 Mpa 的能力。而对于 1 焦耳的总能量来说,自然也不会对它的整体造成什么危害。