螳螂蝦的一拳，為什麼能一擊打碎貝殼？
― 快到連水都瞬間「沸騰」
在海裡，要動得快是件非常困難的事。因為水比空氣重約800倍，會用力把移動的東西推回去。然而，體長約10公分的雀尾螳螂蝦，卻能在水中以每秒20公尺以上的速度揮出拳頭。快到拳頭後方的水被扯斷，在常溫下直接變成氣泡。
在浴缸裡，把手掌立起來，用力推水。慢慢推時很輕鬆，但想要推快一點，手就突然變得很沉重。光是在水中動得快，就已經很不容易了。
在珊瑚礁的海裡，就有一種生物，能在這樣的水中，把堅硬的螺類和螃蟹的殼敲碎來吃。牠就是和壽司常見的蝦蛄同屬一類的雀尾螳螂蝦。
牠的武器，是摺疊在胸前、像鎚子一樣的腳。出拳的瞬間實在太快，用一般相機拍，只會拍到腳彷彿消失了。
原因只有2個
肌肉雖然能出力，卻無法快速收縮。所以螳螂蝦先用肌肉慢慢把「彈簧」壓縮，再用卡榫固定住。卡榫一鬆開，蓄積的力量就一口氣把鎚子打出去。
在水中快速移動的物體後方，水的壓力會下降。一旦超過每秒14公尺左右，壓力就會降得太低，水在常溫下就會變成氣泡。這些氣泡破裂的衝擊，就成了「第二擊」。
第一點，是產生不輸給水的重量的速度的機制。第二點，則是這份速度帶來的意外附贈。我們依序來看。
用肌肉拉緊，鬆開卡榫再打出去
肌肉有個特性：收縮得越慢，出的力越大；收縮得越快，出的力就越小。要一邊推開沉重的水一邊快速揮動，光靠肌肉的力量是不夠的。
雀尾螳螂蝦的腳根部，有一塊形狀像馬鞍、又硬又有彈性的部分。肌肉會花時間把這個部分壓縮，就像把弓拉滿一樣。在這段期間，腳由一個小小的卡榫固定住。
卡榫一鬆開，蓄積的力量只要幾千分之一秒就全部釋放。據報告，鎚子前端最高可達每秒23公尺左右，換算成時速超過80公里。加速度的大小，據說相當於重力的約1萬倍。
慢慢蓄力、一口氣釋放的機制，和跳蚤跳躍的原理相同。想用小小的身體爆發出大速度的生物，都是靠彈簧而不是肌肉。
動得快，後方的水就會被「扯斷」
在水中移動物體時，水會繞到物體後方，想把空隙填滿。但如果物體太快，水就來不及繞過去。後方的水被拉扯，壓力就會下降。
請看圖1。橫軸是鎚子的速度，縱軸是鎚子正後方的水壓。速度增加時，壓力會畫出一條拋物線，急速下降。速度變成2倍，下降的量大約是4倍。
壓力降得夠低時，水不用加熱也會變成氣泡。因為水沸騰的溫度，是由周圍的壓力決定的。在氣壓低的高山上，水不到100℃就會沸騰。若壓力再低得更極端，連25℃左右的海水，也會當場變成氣泡。
這種現象稱為空蝕（空穴現象）。很早以前人們就知道，船的螺旋槳表面會因為這些氣泡而一點一點被侵蝕。螳螂蝦則是在自己的拳頭周圍，製造出這種現象。
氣泡破裂的瞬間，就是「第二擊」
產生的氣泡存在不久。周圍的水壓一恢復，氣泡就會以驚人的力道被壓扁。破裂的瞬間，水從四面八方湧向氣泡原本的位置並互相碰撞，產生小小的衝擊。
請看圖2。從左到右依序是：①用彈簧蓄力、②鎚子打到貝殼（第一擊）、③空隙中產生的氣泡破裂（第二擊）。從貝殼的角度來看，等於在極短的時間內，幾乎同一個位置被敲了兩次。
研究人員實際測量力道後發現，鎚子打到的力最大可達約1500牛頓。這相當於放上150公斤重物時的重量，是自己體重的好幾千倍。據報告，氣泡破裂時的力道，也僅次於它。
一次打不碎的殼，在短時間內被打兩次，並且一再重複，裂痕就會一點一點擴大。就這樣，連螺類堅硬的殼，最後也會被打碎。
在岩礁邊如果聽到「啪、啪」的聲音，可能是鼓蝦。這種蝦會瞬間閉合螯，把水猛力噴出去。已經知道，那時產生的氣泡破裂的聲音，就是這個聲音的真面目。據觀測，氣泡破裂的瞬間，甚至還會發出微弱的光。
鎚子的表面，是由和骨頭、牙齒同類的堅硬礦物構成。在它的內側，細纖維層一點一點改變方向，像螺旋階梯一樣層層堆疊。即使出現裂痕，每碰到方向不同的層就會被彎折，據說無法筆直往深處前進。
總結
雀尾螳螂蝦把用肌肉拉緊的彈簧一口氣放開，在水中以每秒20公尺以上的速度揮出拳頭。這個速度快到足以讓拳頭後方的水在常溫下變成氣泡。氣泡破裂的衝擊，接在鎚子的打擊之後成為「第二擊」，進一步重創堅硬的貝殼。
快過頭的拳頭，把水本身變成了武器。
螳螂蝦出一次拳，就打了兩次。
用彈簧產生速度的機制，與跳蚤的跳躍相通；氣泡產生並發出聲響的機制，則與扳手指發出啪聲的聲音相通。至於被打的貝殼為何那麼堅固，請看貝殼內側不易破裂的原理。
- 在浴缸裡把手掌立起來，比較慢慢移動，和以大約2倍的速度移動時的手感。速度一快，你應該會覺得被推回來的力，遠大於2倍。
- 用一支沒有針頭的針筒（藥局賣的、餵藥用的那種等），吸入少量溫水。用手指緊緊堵住前端後，用力拉動活塞。明明沒有加熱，水中卻可能冒出氣泡。
- 如果在水族館看到雀尾螳螂蝦，請仔細看看牠摺疊在胸前的鎚子形狀。出拳的瞬間太快，眼睛幾乎追不上。
針筒裡冒出的氣泡，也混有原本溶在溫水裡的空氣。即使如此，你仍能體會到「光是降低壓力，就會產生氣泡」。用手動的速度，是無法造成讓水被扯斷的壓力下降的。
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- 國中國中理化會學到的範圍
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- 研究連大學也不會當成「定論」來教、目前研究者正在探究的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 空蝕（空穴現象，cavitation）：液體的壓力降得太低，即使不升溫，液體中也會產生蒸氣氣泡的現象。
- 捕腳（捕獲肢）：蝦蛄類用來捕捉獵物、位於胸前的大型腳。雀尾螳螂蝦把它當成鎚子使用。
- 沸點與壓力：液體沸騰的溫度，周圍壓力越低就越低。和在山上水還不太熱就沸騰，是同樣的道理。
國中高中用算式確認：每秒幾公尺時，水會被扯斷？
在流動中，速度增加多少，壓力就會下降多少。我們假設鎚子正後方的水，也以和鎚子差不多的速度被推動，來估算氣泡開始產生的速度。單位是：壓力用帕斯卡，速度用公尺每秒。
| 用符號寫 | p ＝ p0 − ½ × ρ × v² ，產生氣泡的條件是 p ＜ pv |
| 用文字寫 | 後方的水壓 ＝ 周圍的壓力 − ½ × 水的密度 × 速度的平方。當它低於「水變成氣泡的壓力」時，就會產生氣泡 |
| 這個式子從哪來 | 白努利定理。沿著流動方向，「壓力形式的能量」與「運動的能量」之和守恆，所以移動越快的地方，壓力越低 |
| p | 鎚子正後方的水壓（帕斯卡） |
| p0 | 周圍的水壓。因為是淺海，約為1大氣壓（帕斯卡） |
| pv | 該溫度下水變成氣泡（蒸氣）的壓力（帕斯卡） |
| ρ | 海水的密度（公斤每立方公尺） |
| v | 鎚子的速度（公尺每秒） |
| 周圍的壓力 p0（1大氣壓） | 101300 帕斯卡 |
| 25℃的水變成氣泡的壓力 pv | 約3200 帕斯卡 |
| 海水的密度 ρ | 約1025 公斤每立方公尺 |
| 雀尾螳螂蝦鎚子的最大速度 | 約23 公尺每秒（報告值） |
| 到產生氣泡為止能降低的壓力 | 101300 − 3200 ＝ 98100 |
| 先算出 ½ × ρ | 1025 ÷ 2 ＝ 512.5 |
| v² 要到多少才會達到 | 98100 ÷ 512.5 ≒ 191.4 |
| 它的平方根，就是氣泡開始產生的速度 | 191.4 的平方根 約為 13.8 公尺每秒 |
| 把螳螂蝦的最大速度平方 | 23 × 23 ＝ 529 |
| 此時想要下降的壓力 | 512.5 × 529 ≒ 271113 |
| 是1大氣壓的幾倍 | 271113 ÷ 101300 ≒ 2.68 |
以每秒23公尺移動時，後方的壓力在計算上會想下降「1大氣壓的2.7倍」。但原本只有1大氣壓，無法補足不夠的部分，水就會被扯斷而變成氣泡。換算起來，比氣泡開始產生的速度（約14公尺每秒）大約還多出1.7倍的餘裕。實際的流動很複雜，所以這只是估算的參考值。
高中高中＋彈簧的能量與水的阻力
高中被壓縮的彈簧會儲存彈性能量（½ × k × x²）。肌肉花很長的時間儲存這份能量，在卡榫鬆開的一瞬間把它轉換成動能（½ × m × v²）。儲存時間與釋放時間的比值越大，能輸出的功率（每秒的能量）就越大。
高中＋在水中，物體所受的阻力在快速流動時，大致與 ½ × ρ × v² 成正比。這和上面算式中出現相同的 ½ × ρ × v²，並非巧合。這個量稱為動壓，是把流動的勁道用壓力的單位表示出來。
大學氣泡的破裂方式與鎚子的構造
氣泡膨脹與破裂的速度，可以用瑞利—普勒塞特方程式表示。在破裂的最後瞬間，氣泡壁的移動速度非常快，裡面的氣體會被急遽壓縮。在鼓蝦的研究中，有估算指出那時氣泡內部可達數千度，而發光的現象稱為聲致發光（sonoluminescence）。彈簧的部分是馬鞍形（雙曲拋物面）的外骨骼，據推測是靠彎曲來儲存能量。鎚子內部、纖維方向呈螺旋狀旋轉堆疊的結構，稱為布利根結構（Bouligand structure），作為阻止裂痕前進的材料範本，正被研究中。
📖 算式的推導與更進階的內容：空蝕（維基百科，日文） ／ 白努利定理（維基百科，日文）
研究目前還不清楚的事
- 氣泡到底有多大用處 第二擊的氣泡對打碎殼有多大效果，會因獵物和命中方式而不同，比例還不清楚。
- 螳螂蝦的氣泡也會發光嗎 在鼓蝦身上，已觀測到氣泡破裂時發光。螳螂蝦的氣泡產生多少光和熱，仍在詳細研究中。
- 打幾千次也不壞的原因 鎚子每次蛻皮都會換新，但在那之前據說要承受幾千次打擊。傷痕擴大到什麼程度就無法使用，材料研究者也很關心。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。速度和力的數值，是用高速攝影機和測力儀器，對有限個體測量所得的報告值。
與課本的關聯（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化：壓力、狀態變化與沸點 | 壓力降低，常溫下也會變成氣泡 |
| 高中 | 物理：彈性能量、動能 | 用彈簧蓄力，再一口氣釋放 |
| 高中＋ | 物理：流體的壓力、動壓 | 越快的地方壓力越低（白努利定理） |
| 大學 | 流體力學・生物力學・材料力學 | 氣泡的破裂方式、彈簧的形狀、鎚子的層狀結構 |
| 研究 | 生物運動與材料的研究 | 氣泡的作用、光與熱、不易損壞的原因 |
| ― | 與生活的關聯 | 船的螺旋槳和幫浦被氣泡侵蝕的問題 |
- Patek, S. N., Korff, W. L., Caldwell, R. L. (2004) Deadly strike mechanism of a mantis shrimp. Nature 428, 819–820.
- Patek, S. N., Caldwell, R. L. (2005) Extreme impact and cavitation forces of a biological hammer: strike forces of the peacock mantis shrimp. Journal of Experimental Biology 208, 3655–3664.
- Versluis, M., Schmitz, B., von der Heydt, A., Lohse, D. (2000) How snapping shrimp snap: through cavitating bubbles. Science 289, 2114–2117.
- Weaver, J. C. et al. (2012) The stomatopod dactyl club: a formidable damage-tolerant biological hammer. Science 336, 1275–1280.
- Lohse, D., Schmitz, B., Versluis, M. (2001) Snapping shrimp make flashing bubbles. Nature 413, 477–478.
※本文是為一般讀者撰寫的科學解說。文中的數值是為了理解原理的參考值・概算。速度和力是研究中報告的數值，會因個體與條件而異。螳螂蝦有時會夾或敲擊手指，請不要徒手觸摸。