螳螂蝦一拳打出2萬℃高溫，比太陽表面還高，為啥它自己沒事兒？

作者: /
螳螂蝦一拳打出2萬℃高溫，比太陽表面還高，為啥它自己沒事兒？

轉載自 瞻雲（zhanyun2028）

很多人小時候，都玩過上面這個東西吧？
打火機電火花發生器，產生的電壓高達20000V，也沒聽說誰被它電死了。
螳螂蝦出拳時，可以產生2萬℃的高溫，遠遠高於太陽表面溫度。
它之所以不會傷害自己，其實和電火花發生器不能電死人一樣……


01

孔雀螳螂蝦一拳的力量，高達400~1500N ，足以擊碎貝殼，擊斷螃蟹的大鰲。


如此大的力量，相當於它自身體重的2000多倍，甚至相當於成年人類的臂力。
如果人類的力量和體重比值，能達到螳螂蝦這種程度，將有多達100多噸重的力量，能夠一口氣舉起這個東西：


其實正常人類的力量，也足以輕鬆壓碎螃蟹。
那為什麼螳螂蝦只能擊斷螃蟹的大鰲，而不是完全擊碎呢？
根本原因就是， 持續的時間太短了。
無論螳螂蝦還是手槍蝦這種，依靠瞬間爆發力的，雖然力量都十分的驚人，但由於作用時間極短，破壞能力也僅僅只能殺死一些小魚小蝦。

手槍蝦的攻擊方式
和螳螂蝦有著明顯區別

螳螂蝦的出拳時間，短至5ms。
需要慢放，才能看清楚它們的擊打細節。
螳螂蝦中的天花板，孔雀螳螂蝦的確有擊碎指骨的能力，但這也就是上限了。
當然，也正是因為出拳力量足夠大，所以能在短短几毫秒的時間內，讓拳頭加速到80km/h，也即22.22m/s，期間產生的最高加速度，達到100000m/s^2。
如此短的時間，如此高的加速度，螳螂蝦是如何做到的？


02

其實，螳螂蝦的出拳，類似於弩機的發射。


它們的附肢相當於一個彈簧系統，當附肢收縮時儲備彈性勢能，然後再用類似於門閂的開關進行控制。
當需要出拳時，神經系統僅僅需要控制這個開關，調整方向，拳頭就會自動彈射出去。
螳螂蝦的小拳頭，按照5g來算計，我們容易計算出，它一拳的巔峰動能為：
也就是說，它出拳的能量僅僅只有1焦耳左右。
1焦耳的能量太低了，人體一秒鐘消耗的能量就多達100焦耳。
不過這一拳是在幾毫秒之內打出。
這個過程的功率，高達200~300W。
雖然這個功率已經不小了，但並不足以在局部地區出現匹敵太陽的高溫。


03

螳螂蝦是如何做到一拳打出2萬℃的高溫呢？
秘密就藏在擊打的細節上。
螳螂蝦擊打的整個過程發生在數毫秒內，但其實，擊中獵物的瞬間作用力，發生在更短的時間內：


在3ms的出拳時間內，孔雀螳螂蝦對獵物產生了兩次力量衝擊。
每一次的作用時間都僅僅只有50μs：

孔雀螳螂蝦出拳打擊的整個過程

這樣擊打在獵物身上的一瞬間，功率便高達2萬W。
即便考慮到一些能量損失，也有1萬W左右。
這2萬W的功率，擊打的極小範圍內，足以瞬間產生小範圍的高能超聲波，從而發生空化作用，形成瞬間的氣泡。


這些氣泡膨脹變大後，又會在壓強的作用下（或者接觸壁面），一瞬間崩塌。從而在局部空穴中產生高壓、高溫。
崩塌過程，壓強足以產生上千個大氣壓，超過5000℃的高溫。


04

空化作用產生的高溫高壓，甚至還會進一步發生多種化學和物理反應。


雖然空化作用，已經能產生如此高的溫度，但也沒有達到2萬℃。
螳螂蝦能打出2萬℃高溫是因為，是因為在發生空化作用的同時，還出現了聲致發光。
聲致發光的必要條件是水中存在氣泡。
無論自然水域本身存在的氣泡，還是因為空化作用而產生的氣泡，都可能成為聲致發光的條件。
螳螂蝦擊打過程中，空化作用和聲致發光是一個連續發光的過程。
這個過程產生的衝擊，就是螳螂蝦擊打時，對獵物造成的第二次衝擊。
第二次衝擊的力量，最高可以達到第一次衝擊的2.8倍。但平均來說，只有第一次衝擊的50%。
雖然平均衝擊力更小了，但聲致發光的過程，卻足以讓空穴內的氣體等離子體化，電離內部的惰性氣體 。
如果水中存在單一的氣泡，氣泡會出現週期性的壓縮和外擴，從而不斷髮出光來，併產生超高溫度。
每次閃光的時間，短至皮秒級別。

聲致發光的過程

當然，對於有著眾多氣泡的自然水域，並不會出現這樣的週期性變化，僅僅出現一次性的發光。
能量密度，決定著它的發光強度。
一些螳螂蝦在擊打獵物時，可以觀察到聲致發光現象。


氣泡的能量密度越高，產生的聲致發光也越強。
按照螳螂蝦擊打過程中，對局部區域作用的能量密度，也的確足夠產生聲致發光。
聲致發光強度和能量密度的關係：


通過瑞利-普萊塞特方程 ，可以求得聲致發光的溫度。

聲致發光的最低溫度達到2萬K，最高可以達到幾百萬K。


05

總的來說，能量對物體的破壞程度，主要看能量密度。
而破壞範圍有多大，主要看能量總量。
對於螳螂蝦自身來說，雖然它的拳頭受到的能量衝擊密度最高，但很明顯在古老的進化旅程中，它們的拳頭進化出了至少能承受十幾，甚至幾十Mpa的能力。
而對於1焦耳的總能量來說，自然也不會對它的整體造成什麼危害。

參考來源：

[1] Patek S N, Caldwell R L. Extreme impact and cavitation forces of a biological hammer: strike forces of the peacock mantis shrimp Odontodactylus scyllarus[J]. Journal of Experimental Biology, 2005, 208(19): 3655-3664.

[2] Flannigan D J, Suslick K S. Plasma formation and temperature measurement during single-bubble cavitation[J]. Nature, 2005, 434(7029): 52-55.

[3] Leighton T G. Derivation of the Rayleigh-Plesset equation in terms of volume[J]. 2007

 

喜歡這篇，點我關注

相關文章

Scroll to Top