提起尼古拉·特斯拉,几乎无人不知无人不晓,他一生致力不断研究,并取得约1000项专利发明,研究的领域包括交流电系统、无线电系统、无线电能传输、球状闪电、涡轮机、放大发射机、粒子束武器、太阳能发动机、X光设备等。可你知道吗?特斯拉还发明过一种神奇的气流阀——特斯拉阀。
那么,什么是特斯拉阀呢?特斯拉阀是由塞尔维亚裔美籍科学家尼古拉·特斯拉提出且以自己名字命名的一种单向导通气流阀,并于1920年申请了发明专利。特斯拉阀的神奇之处在于其整体无任何活动部件,仅利用空间结构推动气体流动,无需输入能量即可实现流体的单向导通特性。
从下图可以看出,流体正向流动(从右至左)与反向流动(从左至右)差别巨大。正向流动时,流体能够绕过所有的翼状障碍进而畅通无阻地从右边流至左边,并且因流动压力而获得加速的效果;但当流体反向流动时,流体每经过1个通道,就向上/下进入1个翼状障碍,回流会使流动发生阻塞效应且增大压头,阻碍着流体整体向前流动。并且翼状障碍越多,流体向前推进的阻力就越大,这便导致了特斯拉阀独特的单向导通效果。
特斯拉阀原理图
有研究表明,对于两个通道的特斯拉阀,正向和反向流动的阻力差距可达200倍。理论上,如果翼状通道足够多,特斯拉阀结构可将流体加速至超音速,而相反方向的流动会使翼状障碍区域压头增大,并逐级建立起多组回流压力区域,形成流体动压效应。如果你用这样的吸管喝水,方向拿对了,你可以轻松地把水吸进嘴里;但要是拿反了,对不起,恐怕你使出吃奶的劲,也只能吸一点点,甚至根本吸不了水到嘴里。
那么,特斯拉阀有哪些方面的应用呢?如果将火焰正向喷过特斯拉阀,可以看到火焰在内部通道里游动的过程,就像在内部形成了回流,这些结构就像是为火焰提供了加速作用。这意味着特斯拉阀可用于发动机和其他涡轮机中,利用其固有振动来泵送燃料、冷却剂、润滑剂,以及其他气体和液体。
当然,特斯拉阀在枪支上及消音器中也有很大用处。气体在后半段的速度和加速度远比前半段要大。当高压气体在爆炸室内膨胀时,它会失去大部分压力和动能。消音器会通过降低从枪管中流出的气体和压力,来降低枪支的声音。
除此之外,特斯拉阀还存在于鲨鱼的消化道里。研究人员从不同角度拍摄了一系列鲨鱼肠道的X射线图像,再用计算机进行处理,将其组合成三维图像,直接观察到了鲨鱼肠道的复杂细节:鲨鱼的肠道像盘山公路一样盘旋曲折,在平滑肌的节律蠕动和重力的作用下,食物在肠道中缓慢移动,既能充分消化食物,也减少了处理食物所消耗的能量。研究人员还惊奇地发现,鲨鱼竟然在消化道中装载有一个“特斯拉阀”,正是这一结构帮助它们完成了边消化边储存的双重功能。这种结构的存在既能阻止食物回流,又能让食物停在特定的位置,这样就能起到储存食物的效果。
鲨鱼肠道的CT扫描图像,左边是肠道起点,右边是末端
特斯拉阀还有着更多的应用潜力。特斯拉阀不需要通过其他活动部件来控制流体的运动,可以使用多种材料来制造,减少了部件被腐蚀或磨损而损害功能的可能性,更加耐磨、耐用。
编辑:黄飞
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原文标题:神奇的特斯拉阀
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