提起尼古拉·特斯拉,幾乎無人不知無人不曉,他一生致力不斷研究,并取得約1000項專利發(fā)明,研究的領(lǐng)域包括交流電系統(tǒng)、無線電系統(tǒng)、無線電能傳輸、球狀閃電、渦輪機(jī)、放大發(fā)射機(jī)、粒子束武器、太陽能發(fā)動機(jī)、X光設(shè)備等??赡阒绬??特斯拉還發(fā)明過一種神奇的氣流閥——特斯拉閥。
那么,什么是特斯拉閥呢?特斯拉閥是由塞爾維亞裔美籍科學(xué)家尼古拉·特斯拉提出且以自己名字命名的一種單向?qū)饬鏖y,并于1920年申請了發(fā)明專利。特斯拉閥的神奇之處在于其整體無任何活動部件,僅利用空間結(jié)構(gòu)推動氣體流動,無需輸入能量即可實現(xiàn)流體的單向?qū)ㄌ匦?/strong>。
從下圖可以看出,流體正向流動(從右至左)與反向流動(從左至右)差別巨大。正向流動時,流體能夠繞過所有的翼狀障礙進(jìn)而暢通無阻地從右邊流至左邊,并且因流動壓力而獲得加速的效果;但當(dāng)流體反向流動時,流體每經(jīng)過1個通道,就向上/下進(jìn)入1個翼狀障礙,回流會使流動發(fā)生阻塞效應(yīng)且增大壓頭,阻礙著流體整體向前流動。并且翼狀障礙越多,流體向前推進(jìn)的阻力就越大,這便導(dǎo)致了特斯拉閥獨特的單向?qū)ㄐЧ?/strong>。
特斯拉閥原理圖
有研究表明,對于兩個通道的特斯拉閥,正向和反向流動的阻力差距可達(dá)200倍。理論上,如果翼狀通道足夠多,特斯拉閥結(jié)構(gòu)可將流體加速至超音速,而相反方向的流動會使翼狀障礙區(qū)域壓頭增大,并逐級建立起多組回流壓力區(qū)域,形成流體動壓效應(yīng)。如果你用這樣的吸管喝水,方向拿對了,你可以輕松地把水吸進(jìn)嘴里;但要是拿反了,對不起,恐怕你使出吃奶的勁,也只能吸一點點,甚至根本吸不了水到嘴里。
那么,特斯拉閥有哪些方面的應(yīng)用呢?如果將火焰正向噴過特斯拉閥,可以看到火焰在內(nèi)部通道里游動的過程,就像在內(nèi)部形成了回流,這些結(jié)構(gòu)就像是為火焰提供了加速作用。這意味著特斯拉閥可用于發(fā)動機(jī)和其他渦輪機(jī)中,利用其固有振動來泵送燃料、冷卻劑、潤滑劑,以及其他氣體和液體。
當(dāng)然,特斯拉閥在槍支上及消音器中也有很大用處。氣體在后半段的速度和加速度遠(yuǎn)比前半段要大。當(dāng)高壓氣體在爆炸室內(nèi)膨脹時,它會失去大部分壓力和動能。消音器會通過降低從槍管中流出的氣體和壓力,來降低槍支的聲音。
除此之外,特斯拉閥還存在于鯊魚的消化道里。研究人員從不同角度拍攝了一系列鯊魚腸道的X射線圖像,再用計算機(jī)進(jìn)行處理,將其組合成三維圖像,直接觀察到了鯊魚腸道的復(fù)雜細(xì)節(jié):鯊魚的腸道像盤山公路一樣盤旋曲折,在平滑肌的節(jié)律蠕動和重力的作用下,食物在腸道中緩慢移動,既能充分消化食物,也減少了處理食物所消耗的能量。研究人員還驚奇地發(fā)現(xiàn),鯊魚竟然在消化道中裝載有一個“特斯拉閥”,正是這一結(jié)構(gòu)幫助它們完成了邊消化邊儲存的雙重功能。這種結(jié)構(gòu)的存在既能阻止食物回流,又能讓食物停在特定的位置,這樣就能起到儲存食物的效果。
鯊魚腸道的CT掃描圖像,左邊是腸道起點,右邊是末端
特斯拉閥還有著更多的應(yīng)用潛力。特斯拉閥不需要通過其他活動部件來控制流體的運動,可以使用多種材料來制造,減少了部件被腐蝕或磨損而損害功能的可能性,更加耐磨、耐用。
編輯:黃飛
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原文標(biāo)題:神奇的特斯拉閥
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