空化与空泡——从烧开水到超空泡

（这里只提供80%专业，100%好玩的解释）

第一个问题

水为什么是液体而不是气体？

水本应当是气体自由自在地漫游在空中，但是在地球上有一个大气压的巨大压力将水分子压在一起成为了水。如果地球没有大气压，水汽不会凝聚为水滴，不会下雨；江河中的水会瞬间变为水汽扩散到空中。每当你喝水的时候要想到，如果没有大气压，你要喝水还得封装一个高压水罐头，否则你只能用鼻子呼吸水汽了。

第二个问题

水如何被烧开？

其实你天天可以看到空化产生空泡，那就是烧开水，在一个大气压环境中，当温度达到100度，水突然一起变成水汽，形成大量的空泡，这就是一种空化现象。

喜马拉雅山峰上烧开水的温度，请看下图。喜马拉雅的只有0.3大气压，对应的水的饱和蒸气压是70度，所以在70度水就可以烧开了。

如果你要在室温20度看到水被烧开，将水装到一个密闭容器里抽真空，等气压降低到0.023个大气压，保证你可以看到在室温水就开了。只是在一般情况下，无法产生这么低的压强，所以你看不到常温的江河的水自己沸腾变成空泡。

烧开水有两种方法——加温、降压。

    不同温度下的饱和蒸气压（水可以烧开的压强）

第三个问题

水中航行体的空化与空泡

其实你不想知道如何烧开水，你问的是：水中螺旋桨空泡、水中的高速超空泡等是如何产生的呢？既没有把海水烧开，也没有给大海抽空降低压强啊,我们又如何解决水中航行体的空化产生空泡的问题。

水中螺旋桨产生的旋转空泡

水翼空化产生空泡

这些空泡很麻烦，会降低螺旋桨和水翼的推进能力。空泡由无数个小泡泡组成，这些水下的小泡泡很不稳定，会不断破灭一点点冲击表面，将表面的材料剥蚀，这就是著名的“空蚀”。如果你看到水中取出的螺旋桨或水翼上面好像被狗啃了，出现不规则的麻子和破损，就可以很专业地说空化很严重啊。

代表空化程度的最权威参数是空化数，空化数越小代表越容易空化。

空化数=（环境压强-水烧开的压强）/（1/2*速度平方*密度） 

如果环境压强等于水烧开的压强，空化数=0，水完全空化就是沸腾。

如果环境压强大于水烧开的压强，空化数>0，水不会沸腾，但是会局部空化。

环境压强越低、物体运动速度越快空化数越小，空化的情况越严重。

做个试验，将手放入水中快速推动水，速度越快手前面的压强越大，同时手背面的压强越小更容易产生空化，也许你不承认，那么你看看手背面的水位置低于水平面（说明比水平面的压强低）。

与空化数长得很像的参数——压力系数。

压力系数Cp=（当地压强-环境压强）/（1/2*速度平方*密度）

如果Cp<0，当地压强小于环境压强，因为水的密度很大，当地压强会快速下降。例如某个局部的Cp为负0.5，在一个大气压的环境中，水中速度达到14米每秒，局部压强会降低到0.023大气压，水发生空化产生局部空泡。可见为什么水中的螺旋桨、水翼这么容易发生空化，让空泡打的自己遍体鳞伤了。当然跑得再快也不会让海洋为你沸腾，只能让Cp为负数的那个局部产生很多空泡。 

消除空泡设计

消除空泡的最根本的办法就是提高压强。如果你没有能力设计出压力系数较高的外形，只有降低速度在水中慢慢跑了。 

增强空泡设计

水的摩擦阻力很大（所以游泳的速度远远慢于短跑），增强空泡设计特意让空泡完全覆盖物体表面形成超空泡，物体相当于在气体中航行，可以大幅降低阻力。设计的原则与消除空泡设计的原则相反，让外形产生大面积低压区，在水下高速快跑。（这两个要求一般都难以达到，通过向物体表面大量充气，产生人工空泡也可以形成超空泡——包裹全身的大泡泡）

人工充气的超空泡

总结

改变水中物体的空化有两条道路：

1、改变温度，你不能加热或冷却大海，但是可以将物体本身烧热或冷却，改变物体表面的水的空化。

2、改变压强，你不能给大海加压或者抽真空，可以通过设计外形和变化运动速度来改变物体局部的压强。

专业书上说水变水汽分为三种方式：1、汽化，2、空化，3、沸腾。我讲的不专业，为了你好消化，只好将鱼翅冒充粉丝了。还有其他的错误，请你继续寻找。

知识没有串成故事，很容易被遗忘，打个洞串起来，虽然破坏了知识的完美却保证不会丢。

转自本人的公共号“陆姐说”,请关注。

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