海洋深处压力究竟有多强?核潜艇都被压碎成废铁,鲸鱼为何没事?

胜利在招手


海洋深处的水压与深度有关,越深水压越大。与鲸鱼体内自带气压调节不同,核潜艇内部由于人类的存在需要维持一个固定的大气压,内外存在着非常大的压差,但是以现在的技术,想要压成废铁,仍然比较困难。

1、水压的计算

水压的计算非常简单,水压公式如下,其与水的密度、重力加速度、水深成正比。忽略高度变化引起的重力加速度的变化,忽略温度变化引起的水的密度的变化,那么水压与水深成线性关系,如下图。

地球上最深的马里亚纳海沟,水深11034米,取密度1000kg/m3,重力加速度10m/s2,那么最深处的水压为110MPa,约为1个标准大气压的1100倍。

2、核潜艇的受力

假设在最深处,核潜艇受到外压1100atm,内压1atm,如下图。如此巨大的压差,对核潜艇是个非常严峻的考验。对于均匀的球壳,由于水压是三向压缩,球壳会有一定的缩小,但是厚度合适的情况下,不会被压扁。

同理,核潜艇也是一个壳体结构,不管内部如何,只要厚度足够,核潜艇就不会发生压扁的情况。但是,实际情况却远非如此。核潜艇由于各种功能的需求,潜艇表明存在着大小不一的、无数多个开孔结构,这些孔洞的存在减弱了核潜艇的受力。在外载作用下,会在孔洞附近形成应力集中,很容易出现工作应力超出许用应力的情况。为此,需要在这些孔洞附近进行局部加强。潜的越深,加强的就越多。这样会让潜艇失去非常大的机动性,使得潜艇笨重。

通过结构设计,可以满足一定水深下的潜艇的结构强度,这一点在力学上没有任何问题。

3、鲸鱼的受力

鲸鱼的身体类似于潜艇的外壳,所以鲸鱼的受力形式与潜艇类似,外层的水压,和内层的内压。对于潜艇,由于功能需要,内压维持在1个大气压。但是对于鲸鱼,内压不需要维持,可以随着水深而自动调节。这样,内外压始终不会有太大的压差,从而保证鲸鱼不会被压死。

4、总结

潜艇由于功能的需求,内压保持在1个大气压左右,因此内外压差非常巨大。而鲸鱼则会自动调节体内气压,从而抵消掉外部的水压。

从力学的角度,设计一个可到达马里亚纳海沟的潜水艇并不是很困难,我们总可以设计出一个抗110MPa水压的结构,普通金属的强度极限都超过了这个水压。


力学Nerd王小胖


简单的来说一下这个问题吧,地球又被称为“水球”,70%被水覆盖,所以还有很多未知的部分。人类一直向往太空,而另外一个未知之地,那就是“深海”。一般水深超过200米以后,就可以称为“较深的海域”了,地球上海洋全部计算起来,平均水深大概有3800m,也就是说,地球的平均水深和日本的富士山差不多。

不同领域的水深

水深以后会造成哪些问题,又是什么概念,我想很多人不太明白,我就简单的先对这个方面做一个简要的说明。

  • 水深1~3米

一般人类在海里面裸体潜泳的水深在1~3m之间,稍微专业一点的水肺潜水最多也就是40m左右,太深了也是伴随着很大的风险。

  • 水深100m

受过专业训练的技术性潜水,其界限也就是100m左右。

  • 水深200~300m

不穿潜水服的潜水,目前世界记录为214m,是2007年澳大利亚的一位潜水爱好者达成的,可以说这个深度是人类的极限距离了。

  • 水深300~500m

水肺潜水的记录是332米,和日本的东京塔是一个高度。一般的潜水艇的航行深度为300~500m。

  • 水深500~1000m

南极帝企鹅的最高潜水记录为564m,帝企鹅的潜水能力在同类中是超群的,能够在500m以下的水深情况下,潜水超过20分钟。在这个水深领域,已经生活着一些不常见的深海鱼了。比如在600m左右的深水中,生长着一种叫做“大鳍后肛鱼”的生物,又叫管眼鱼,有着透明的脑袋和管状的眼睛。图片看起来有一些违和感,因为并非是常规的动物。

  • 渐深层(水深1000m~3000m)

超过1000m以后,称为“渐深层”,这个深度几乎是没有阳光可以到达的,可以说是完全黑暗的世界。在水深1300m的地方,生长着一种叫做“哥布林鲨鱼”的生物,据说是1.25亿年前的史前生物。

在水深2000m左右的地方,生长着一种名为“蓬莱鱛”的“恶魔鱼”,体长只有35cm左右。特点就是其头部和牙齿,被科学家认为是为了在深海捕食而进化!

  • 深海层(3000~6000m)

水深达到3000m以后,就可以叫做深海层了,深海层以后,其水温只有1~2℃,水压在300以上。此海层几乎没有鱼类生存,但是却有一个特例,那就是抹香鲸。体长在16~18m,头部巨大,据说一生中有三分之二的时间在深海度过。科学家认为,抹香鲸之所以能够在深海生存,是因为它能够将氧气存储在肌肉中。

  • 超深海层(水深6000m~)

水深超过6000m以后,被称为“超深海层”,水压超过600个气压。那么是一个什么意思呢?当你在6500m的深海游泳时,1平方厘米所受的力大约有680kg,你的手掌之上,相当于站着7头大象。日本载人潜水调查船,曾经在深海6500m工作过。能够在水深6000m以下进行作业的调查船,全世界也只有几艘而已。

为何鲸鱼能够达到那么深的海底?

在对深海的情况有一定的了解以后,我们再讨论一下,为何鲸鱼没有问题。刚才也说了,大约200米的水深之处,就可以被称为“深海”了,水深1000m的地方,1平方厘米所受的压力大约为100kg,那么深海鱼为何没有问题呢?

比如将人类或者钢铁做成的东西放到深海,会有什么样的结果呢?那么会被水压“挤破”。当外部受到足够的压力以后,内部的空气会产生一个向外的力,就像上图一样,当一个钢铁做成的金库,被扔到深海之中时,会因为内部的空气,而从内部开裂。反之,如果你将一个装满水的塑料瓶放到深海中,反而不会被压破。气体要比固体以及液体,更加的不耐压力。

换句话说,内部的空气和外部的压力保持平衡的话,就不会被压破。上图是一个渔夫打到深海鱼之后的场景,上岸以后,深海鱼内脏都突出来了,那是因为内部的压力要高于外部。那么,抹香鲸又是一个什么样的情况呢?抹香鲸的肌肉中,含有大量的肌红蛋白,当潜水的时候,这些肌红蛋白能够吸收很多氧气。一般的哺乳动物潜水的时候,会将空气存储在肺中,而抹香鲸将氧气存储在身体的肌肉之中。抹香鲸的肉呈现红黑色,那就是因为肌红蛋白的原因!

部分文章介绍:

《日本中小企业奋斗记:仅靠一块镜子,名满全球!》

《27年产量世界第一!被该产业支撑的“日本制造”》

《日本中小企业奋斗记:旧机械,新生意!》


日本二三事


海洋是一个巨大宝库,各个深度上都有生命生存。著名的鲸中吃货抹香鲸,能一口气潜到2250米;水下8000米处有狮子鱼在玩耍;甚至在11,000多米的马里亚纳海沟,也有微生物存在。

跟这些肉身凡胎相比,钢筋铁骨的军用潜艇就差远喽!

科研用的深潜器像个铁疙瘩,不计成本的用最顶级材料对抗水压,才下潜到11,000米。而军用潜艇一般也就在200~600米水深活动,最厉害的苏联M级潜艇,用钛合金制造,曾下潜到1250米,至今也无人逾越。

其实,潜艇输掉比赛很正常:

海洋中每下降10.3米就增加1个大气压,1000米深处压强为100Mpa,相当于每平方米承受1000吨压力。

这个压力听起来很大啊,但那里的鱼儿表示没感觉。就像我们生活在大气海洋最底层,承受1个标准大气压,相当于10米高水柱压在身上,可我们也没感觉。要不是科学告诉我们有气压存在,我们都不知道那是啥玩意儿。

实际上,压强不是关键,压强差才是。我们把一个敞口玻璃瓶扔到海里,不论它下潜多深,瓶内外压强一样,它都不会形变破碎。

我们体内压强与体外大气压平衡,也不会感觉到压力。如果我们到外太空真空环境,就会面临内压大,身体膨胀的危险,必须穿宇航服保护。

抹香鲸能潜很深,因为它有特殊本领:

1、抹香鲸的胸腔富有伸缩性,肺泡间的隔膜都具有丰富的弹性纤,肺部可随水深变化压缩。缩小的肺停止气体交换,阻止氮气溶解到血液中。

2、抹香鲸的肌红蛋白比其他动物高,血红蛋白浓度也比人类高得多,贮氧能力很强。它在潜水前,就已经把氧气贮存到肌红蛋白和血红蛋白中,供身体运动之用。肌红蛋白表面有电荷,互相排斥,阻止堆积,使其浓度升高也能维持功能。

▲肌红蛋白

3、颅骨内也有相应的构造,咽鼓管与耳朵鼓腔连通,帮助压力平衡。它体内没什么独立的密封空腔,呈一个紧密的整体,保持内外压强平衡。虽然身体有轻微压缩,但不会压扁。

深海鱼类也一样,8000米深水鱼生理结构跟浅水鱼差别很大。它们的骨骼很薄,肌肉柔韧,纤维组织细密,表皮只有薄薄的一层,便于体内外水分交换。

▲8100米狮子鱼

动物的细胞膜并不是封闭的,它像一个有很多门的房间,水可以进来,也可以出去。内外交换压强一致,就化解了压强差带来的压力。

但仅靠压强一致,还不足以解决所有问题。一个泡沫纸杯,沉到1500米水下本身也会被压缩,因为纸里有空间。

生物细胞里也有空间,蛋白质和脂肪也会被压缩,又不象分子、原子间有强大作用力抵抗。为此,深海生物又进化出各种应对方式。

比如提前让蛋白质分子变小,更加紧密;细胞膜用不饱和脂肪酸增强流动性,加快内外交换速度;用三甲胺氧化物(TMAO)加固蛋白质。

其实深海的鱼儿也纳闷,为什么人在压强小的环境中能生存呢?只能说一方水土养一方人,不同的环境造就不同的生物形态。

大潜深肯定有利于潜艇隐蔽,但是艇内有人,要维持标准气压。如果潜艇内部气体增压,能不能增加潜水深度呢?

理论上可以,人体能自我调节,缓慢的适应高压环境。就像500米水深的潜水钟里,潜水员也能呼吸高压混合气体,工作数天才上浮。和风漫谈原创,禁止抄袭。

但问题是,这样的潜艇不能快速上浮。因为高压下氮气溶解在血液中,上浮过快,氮气从血液中析出产生气泡,形成血栓危及生命,导致“减压病”发生。而不能快速上浮的潜艇,有什么战斗力呢?

▲潜水钟

所以,潜艇只能依赖结构设计和金属材料对抗水压,庞大的尺寸、高昂成本,也决定了它不可能任意增厚艇壁。再说,还有很多探测、观察、武器设备要从艇内延伸出来,缝隙处都有巨大应力。

未来,无人潜航器快速发展,不再受人体生理极限约束,内外压强平衡潜得更深,战斗力不可想象。当然,通信、侦察、武器问题也要同步解决才行。

综上,钢筋铁骨的潜艇不如肉体凡胎的抹香鲸,这并不丢脸,我们要向大自然学习的东西还有很多很多。


和风漫谈


答:潜水艇内部需要住人,压力维持在一个大气压左右,所以潜水艇内外存在很高的压强差;鲸鱼可以主动增加体内的压力,来和外部压强形成平衡,所以鲸鱼能下潜到更深的深度。


根据液体压强公式p=ρgh,可知海洋中的压强和水深成正比,大约每下降10.3米,压强增加一个大气压,一个大气压强是1.013*10^5pa,相当于每平方米面积上,承受10吨物体的重力。

0~3米

该深度属于人类常规的游水范围,水性好的人无需任何防护也能应对。

10~100米

这属于专业潜水员的活动范围,由于水中压力明显增加,会导致人体内部的气体压力有所增加,潜水员再次返回地面时,一般要通过专业的减压步骤,否则极易引发减压病,是非常致命的。

100~500米

一般的潜水艇,极限深度在300米左右,俄罗斯特制的核潜艇,可以下潜到700米,这已经是核潜艇的极限了,在这里,潜艇外部将承受70个大气压强的压力,相当于每平方米上承受700吨的重力。

500~2000米

在这个深度下,阳光亮度逐渐降低到零,生物也少了很多,抹香鲸在捕食大王乌贼时,有可能下潜到2000米的深度,抹香鲸在下潜时,会缩减肺部的体积来增加体内压强,从而和体外压强形成制衡。

但是潜水艇做不到,因为潜水艇内部需要住人,压力保持在一个大气压左右,否则人体承受不了。

2000~5000米

该范围属于深海区域,人类特殊制造的深海潜水器,可以下潜到该深度,比如我国的蛟龙号,最大下潜深度为7000米,外部承受的压力也是非常惊人的。

5000~11000米

超深海范围,极少有动物生活在这,但是一些经过特殊进化的深海动物,可以在这里生存;2012年好莱坞大导演詹姆斯·卡梅隆,乘坐深海挑战号下潜到11000米的深度,创造了人类的深潜记录,潜水器回到水面后,长度直接被压缩了7厘米。

对于压强问题,其实一个大气压也是很高的,我们生活在大气中,身体表面每平方米承受10吨的压力,但是我们丝毫感觉不到,因为我们体内的压强和外界相当,内外形成压强相互抵消。

如果我们到了高原地区,外界压强降低,身体就会有明显变化;而深海鱼到了浅海,也会因为体内压强太高,导致身体破裂。


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艾伯史密斯


一个实心一个空心。打个比方,水滴是构成大海的基本单位了,在马里亚纳海沟里面的水和海滩边的水体积上也不会有太大区别。当然水是不能被压缩的理论上。说鲸没事那是不可能的,物竞天择,每种不同的海洋物种都有不同的下潜深度,适应不了水压而已。生物构造还没有到能够抵抗巨大压力的地步。现在的深海科研潜艇,就是努力做到抗压也就是努力做到变得和实心体抗压度差不多,当然是拿材料硬度去换取潜艇里面的作业空间。


烟云浩淼道


你往潜艇里灌满水,再深的海洋都可以下得去。


杰航35


鲸鱼是实心儿的


首通钢V王超


这是两个不同的概念如果把内外压力用某种方式达到平衡就没有问题了!……


刘勇挖掘机行业


我觉得,那是内外压,平衡的原因吧


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