鯨魚比潛艇柔軟,為什麼下潛2000米都沒事,而鋼鐵打造的潛艇卻會被壓扁?

蔣顯禮


大家好,我是小葉。根據中學物理,我們明白潛水越深壓力越大,而且核心原因在於重力。一個大氣壓相當於10米高的水柱所產生的壓力,這個壓力就是重力產生的。所以每下潛10米,就相當於增加一個大氣壓,下潛越深所承受的壓力就越大。

為什麼鯨魚下潛2000米都沒事呢?

其實大分部的鯨魚最大下潛深度在1000米左右,只有佼佼者抹香鯨可下潛到2000米深的深海,但也不能在深海區多太長時間,過幾十分鐘就需要浮到海面進行換氣。

抹香鯨
經過長時間的進化和自然篩選,鯨類為了能夠潛入深海已經練就了一身特殊的“本領”,鯨的呼吸系統很特別,其右鼻孔通道的容量與肺差不多相等,基本演變成了一個空氣貯藏室。另外在潛水時,鯨類肺部會隨著外部壓力的變化而進行收縮調節,壓力大時,肺部會隨著胸部收縮而收縮,一方面使肺泡不再進行氣體交換,可防止氮氣自然溶解到血液中去,另一方面肺部縮小體內的壓力強度就會大大增加,和外界的壓力保持一個平衡,這樣就可以抵抗外面的高強度水壓,使其能夠適應外部壓力變化給身體帶來的影響。

那我們再來談談潛艇,史上第一艘用於軍事的潛艇出現於美國獨立戰爭,開始的潛艇一直是由人力推進的,只能下潛幾米深。

早期的潛艇
蒸汽機大面積應用以後,潛艇的設計與建造也迎來了大的發展,1863年,法國建造了“潛水員”號潛艇,使用功率58.8千瓦(80馬力)的壓縮空氣發動機作動力,速度為2.4節,能在水下潛航3小時,下潛深度為12米。19世紀80年代末期,潛艇的發展引起了更多國家的興趣。1893年,長約45.7米、排水量為266噸的“古斯塔夫·齊德”號潛艇在法國下水了,它以電動機帶動螺旋槳推動,下潛能夠達到幾十米。20世紀初,潛艇裝備逐步完善,性能逐漸提高。第一次世界大戰後,各主要海軍國家更加重視建造和發展潛艇。第二次世界大戰期間,潛艇戰術技術性能有很大改進,排水量增加到2000餘噸,下潛深度100~200米。20世紀80年代,核動力潛艇排水量已增大到2.6萬餘噸,水下航速20~42節,下潛深度達到300~900米。可以看出,潛艇的潛水深度,從其誕生開始,經過發展,是逐漸增加的。到目前為止,只有麥克級攻擊核潛艇使用鈦合金作為艇體材料,才使其下潛深度能超過一千,其他潛艇潛水深度都在500米左右。

美國俄亥俄級核潛艇

那為什麼潛艇不能達到抹香鯨那樣的下潛深度呢?

首先潛艇裡裝載有乘員,需要必備的呼吸環境,不能像鯨魚那樣做到收縮自如,通過改變艇內壓強來與外界壓強相抵,只能用其堅硬的外殼承受水壓,利用這種方式,隨著下潛深度的提高,對材質的要求會非常高。此外,潛艇的功能是攻擊敵人軍艦或潛艇、近岸保護、突破封鎖、偵察和掩飾特種部隊行動等,在水下500米的深度已經能很好的完成這些任務,而且怎加下潛深度會極大的提高潛艇建造的成本,這也打消了各國在使潛艇深潛方面研究的積極性。可能有朋友會質疑,蛟龍號下潛深度不是能超過10000米深嗎?但是要知道蛟龍號是屬於專門的載人潛水器,跟潛艇的構造和用途是完全不一樣的。蛟龍號體積較小,成員就幾個人,結構簡單,它的用途就是用來潛水的,它可以使用多次逐級增壓設計,就像捲心菜那樣層層包圍,再加上它上面有一條軟管連著母船,可提供呼吸所需的氧氣,因此裡面的作業人員可以在萬米深的海底作業,而潛艇是綜合作戰的武器裝備,不能與之相比。


小葉談軍事


人類用鋼鐵打造的潛艇的潛水能力的確不如鯨魚的血肉之軀,這也是有原因的。一起來了解一下。

深海處的海水壓力是非常巨大的。通常情況下,還是深度每增加10米,壓力就會增加1個大氣壓。平時一個成年人的身上承受著12~15噸的大氣壓力。為什麼我們沒有被壓扁?這是因為我們體內肺部的空氣壓力和大氣壓相同,相互抵消了。但是在沒有任何保護的情況下,人最多隻能潛水60米,也就是能夠承受6個大氣壓的壓力。

圖示:潛艇

如果人類要簽到更深的地方怎麼辦呢?這就用到了潛水器。潛水艇就是其中的一種。有了潛水艇,人類可以下潛到海洋中更深的地方。一般的潛水艇可以下潛500米左右,下潛深度最高的麥克級攻擊核潛艇可以下潛到1250米深。這基本上就是潛艇的下潛極限了。在這個深度上,潛艇少承受著大約125個地球標準大氣壓的壓力,每平方釐米大約1300公斤的壓力。這麼大的壓力全靠潛艇鋼鐵外殼支撐著。如果下潛的再深就會有被壓扁的可能性。

為甚麼潛艇會被壓扁呢?原因在於潛艇是空心的,內部為了人類活動的正常需要,要維持在正常的1個標準大氣壓下。這樣潛艇的內外產生了巨大的壓力差,為了潛艇內部工作人員的安全考慮,潛艇必須有個下潛深度極限。

圖示:鯨魚

而在自然界中,很多生物都是潛水高手,比如鯨魚。特別是抹香鯨,可以下潛到海面以下2000米深的地方。為什麼鯨魚可以下潛這麼深卻沒有被壓扁呢?鯨魚這種強悍的潛水能力得益於它早已適應深海環境的特殊呼吸系統。鯨魚可是在海洋中生活了大約5000萬年的海洋生物。鯨魚柔軟的胸腔結構可以使肺部縮小,增加體內的壓強,讓體內外壓強達到平衡,從而避免了被海水壓扁的危險。

除了鯨魚,很多海洋生物生活在深海地區,比如抹香鯨的食物巨型烏賊。科學家在10000米的海洋底部也發現了一些魚類。這些魚類的身體都非常的柔軟,體內充滿了液體。讓自己儘量變成“一團水”,是深海生物對抗海水巨大壓力的法寶。

圖示:生活在海底1萬米的魚類

看來在深海中要想不被海水壓扁,最好的辦法就是儘可能的減少內外壓強差,達到內外壓力平衡。這一點鯨魚做到了,潛艇由於功能上的限制無法達到這一點,因此潛艇的潛水能力就不如鯨魚了。


兔斯基聊科學


鯨魚比潛艇柔軟,下潛2000米都沒事,為啥鋼鐵打造的潛艇能被壓扁?

誤區

長期以來,我們錯誤地認為,人類打造的潛艇是鋼鐵做的,蛟龍號載人潛水器能潛10000米深,為啥核潛艇無法潛那麼深?不過是柔軟的肉體組成,而且一艘核潛艇的重量比鯨魚沉十幾倍,按理說,鋼鐵特別結實,能下潛得比鯨魚深才是,可是現實卻不是那樣,有的鯨魚能下潛2000米深,當今最好最先進的核潛艇最多能下潛600米深,就是不敢沉到2000米,這是為啥呢?

真相

鯨魚是大自然長期進化出來的動物,它的肺已經適應了深海環境,大部分鯨魚品種只是在500米深的海域活動,只有抹香鯨可以潛入2000米,抹香鯨要想沉入海底,必須先吸入一部分海水,增加體重,然後讓肺容量變小,使體內壓強增加,保持體內外壓強平衡,才不至於身體被深海壓垮,但鯨魚的肺容量有限,不可能做到長時間在深海區活動,它至少在深海活動十幾分鍾後再浮到海面呼吸。

潛艇就不一樣了,潛艇裡面必須有人,有人就必須有呼吸,關鍵是,潛艇裡面的空間無法像鯨魚的肺那樣能自由收縮擴張,受人類科技侷限,潛艇的抗壓能力有限,最多到五六百米深就是極限了。

特例

大家也許聽說過蛟龍號載人潛水器,為啥蛟龍號載人潛水器能潛10000米深,世界最先進核潛艇就不行了呢?首先,蛟龍號結構不像核潛艇那麼複雜,它是多層逐級增壓的設計,就像層層包圍的捲心菜那樣,再次它有一條軟管連著母船,這個軟管既是聯絡又是呼吸管道,裡面的人無需擔心呼吸問題,放心在萬米深勘探。

我們相信未來,人類的科技越發達,潛艇的技術越先進,會慢慢實現千米深航行的夢想。


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毛主席曾用“上可九天攬月,下可五洋捉鱉”這句話來形容我們人類在科技上的發展,雖說我們現在可以做到將航天器送上月球背面,送往火星甚至飛出太陽系,但是在海洋深潛領域我們人類在大自然面前還是很渺小的。舉個最簡單的例子,雖然我們人類製造的深潛器可以下潛到上萬米深的海底世界,但是最常見的潛艇的最大潛深卻不過五六百米,蘇聯時期建造的某些全鈦合金潛艇也不過千米出頭,但是在海洋裡,有一種生物卻能輕輕鬆鬆下潛到2000米深的深海,這就是抹香鯨(大多數鯨魚生活水深一般在500米左右,只有抹香鯨能夠下潛到2000米的深海),難道說鋼鐵建造的潛艇還不如肉軀之身的鯨魚厲害嗎?





的確比硬度的話,別說建造潛艇的特殊鋼材了,就是普通的斧頭也能輕輕鬆鬆殺死那些能夠長年生活在上千米深的魚類,但是更硬的金屬建造的潛艇最大下潛深度卻不如肉身的鯨魚呢?其實這個是有原因的。首先隨著海水深度的增加,水中壓強也在逐漸增加,按照p=pgh計算,下潛深度每增加10米左右,海水壓強就會增加一個大氣壓,等於抹香鯨能夠下潛最深的2000米海深中,抹香鯨身體表面的壓強相當於每平方米要承受1940噸的壓力,這個壓力就算是將世界上下潛深度最深的,蘇聯用鈦合金建造的麥克級鈦合金核潛艇放在這個深度只會被海水捏扁。但是抹香鯨卻可以是為何呢?




如同藍鯨能夠下潛到500米的深海和抹香鯨能夠下潛到2000米的深海是因為鯨魚在潛入深海的過程中,鯨魚的肺部會逐漸縮小,肺裡面的壓強也會逐漸上升,從而使得內部和外部的壓強處於平衡狀態,這就是鯨魚為什麼能夠潛入幾百米上千米的深海沒有被壓碎的原因。特別是抹香鯨在下潛時會主動喝下一部分海水來增加自身重量,而且抹香鯨頭部的特殊結構能夠增加抹香鯨全身的密度(頭部大部分是鯨蠟組織,這種特殊結構能夠利用海水降溫來增加密度,類似於魚鰾的作用)。所以只有抹香鯨能夠下潛到2000米的深海也是因為這個“大腦袋”的特殊構造決定的,之所以抹香鯨萬下潛到2000米得深海是因為再這個深度生活著抹香鯨喜歡的大烏樣賊等浮游生物。




而潛艇內部需要攜帶人類,但是人類並不能適應超高的壓強(一般只有一個標準大氣壓),所以前廳面對深海的壓強時就只能用抗壓性能更好的材料(比如鈦合金,但是太貴,而且鈦合金加工難度極大)和加強潛艇自身的結構強度來增加下潛深度了,但是以我們人類現有的技術水平而言,就算是鈦合金這種超硬材料的抗壓能力也有一定限制,所以這也是為什麼普通的潛艇最大下潛深度只有四五百米的原因所在。而且因為人體承壓能力的限制,我們也不能參考抹香鯨來建造載人的潛艇,只能建造無人潛艇,但是因為通信指揮的問題和深潛器在深潛上的特殊結構設計限制,就算是模仿抹香鯨建造一艘無人話的潛艇,其實戰意義也不大,畢竟對於潛艇來說深潛只不過是為了躲避魚雷和反潛深彈的攻擊,只要潛艇的下潛深度比魚雷深就行了,這點現在我們已經做到了,而且躲避攻擊並不單單隻有下潛,如果在潛艇設計時只注重深潛能力,那麼潛艇的其他性能勢必會下降和造價也會急劇上漲。



但是我們人類建造過很多深潛器,像我國的蛟龍號載人深潛器最大下潛深度達到7062米。蛟龍號也是載人深潛器,但是能夠下潛到7000米的深海是因為本身結構就是為深潛兒設計,而且在抗壓能力上採用的是多層逐級增壓得結構設計,所以能夠下潛到此抹香鯨還深的深海。其次像世界上下潛深度最深的深潛器,曾經下潛到人類已知的世界上最深的馬裡亞納海溝最深處1萬米的深度也是有原因的,因為下潛器本身是無人下潛器,所以下潛器內部的壓強可以隨著海水深度的增加逐級增加來平衡內外部的壓強,但是這種增壓方式並不能載人。


而且任何深潛器在上浮的過程中都需要慢慢上升來逐漸減壓,比如蛟龍號從7000米的深海上浮到海面需要將近10個小時左右,因為上浮速度過快人類會得減壓病(嚴重者可能在上浮過程中會因為血液中的氮氣得不到吸收而血管爆裂當場死亡),而抹香鯨從2000米深海上浮到海面只需要半個多小時,所以在深潛領域不光是下潛深度我們人類不如大自然,就是在上浮過程中的差距也是很大的。


魑魅涅磐


我是薩沙,我來回答。

這個問題看起來容易,其實非常複雜。

簡而言之,固體和液體的抗壓能力是不同的,實心和空心抗壓也不同。

通俗點說說,比如一個空心的易拉罐落入深海,巨大的壓力將它壓扁,從均勻受力變成局部應力集中,最終一個最容易破裂的點發生破裂。

所以,易拉罐其他地方再抗壓也是無用,必須做到全部位置抗壓。

自然,如果易拉罐是實心,又會有很大不同。

潛艇是空心的,是固體。

鯨魚則是實心的,體內沒有空間(潛水時肺部收縮憋氣)。

其實,想要設計可以深潛的潛艇問題不大。

早在2016年,蛟龍號深潛潛艇就達到6500米的深度。

但是,軍用潛艇是要作戰的,不能設計的太小,核潛艇就更為巨大。

這麼大的潛艇,想要設計到潛入超過400米,都是非常困難的。

不是說軍用潛艇不想深潛,誰知道潛水深度越深,潛艇就越安全。

潛艇一旦遭遇襲擊,立即會向深處潛水做緊急機動,就是這個意思。

但大型潛艇沒辦法潛的更深,因為船體無法抗壓,至少現在技術辦不到。

相比起來,抹香鯨才多大?最長不過15米,45噸

中國093核潛艇長度有120米,6500 噸。

實際上,鯨魚只有抹香鯨可以深潛,其他包括藍鯨在內眾多鯨魚潛水深度不超過300米,和潛艇差不多。

簡而言之,如果製造抹香鯨那麼大的的深潛潛艇,以現在技術一樣可以潛水到2000米。

但如果軍用大型潛艇,技術上是達不到的。


薩沙


首先,並不是所有的潛艇到了2000米都會被壓扁,也不是所有的鯨魚都能下潛2000米!下面先給大家介紹一下它們,然後再正式回答這個問題!

潛艇

世界上有記錄的潛得最深的潛艇應該是前蘇聯的685攻擊核潛艇,也叫M級共青團員號核潛艇。這艘鈦合金製造的核潛艇極限潛水深度是1250米,平常可以下潛1091米。

圖注:中國093戰略核潛艇

而我國的目前公開的潛水最深的核潛艇應該是093核潛艇,下潛深度可達到400米,不過有消息稱,我國已經研究出了094,094晉級彈道導彈核潛艇最大下潛深度已超過400米。

另外,我國自主研發的科考型潛艇“蛟龍號”目前已完成7062米的下潛任務!這也是能下潛超過2000米以上的潛艇之一!

鯨魚

不是所有的鯨魚都能下潛到2000米以下的深海!


圖注:抹香鯨

目前所知的能夠下潛到2000米深海的鯨魚也只有抹香鯨!但是它也不是每天都在2000米下活動,它只有捕捉它的獵物大王酸漿魷時才會到潛到這麼深的海域。

我們知道的藍鯨只在500米左右的海域活動;長鬚鯨可在水下300-500米處呆上1小時,然後就不得不上潛;而灰鯨的潛水深度只在100米左右!

那為什麼抹香鯨能潛到2000多米的深海,而大部分潛艇只能潛幾百米呢?

我們都知道,水越深則壓力越大,那麼2000米的水下壓強有多大呢?


圖注:海下2500米

當水深達到1000米時,周圍的大氣壓就已經達到了驚人的99個標準大氣壓,換成壓力的話,就相當於每平方米有990噸的壓力,這樣大的壓強足以壓碎大部分的東西!

我們人類各個國家的核潛艇都是根據鯨魚的構造所發明的。而抹香鯨能下潛2000米奧秘就是它的肺能夠隨著下潛深度的增加而逐漸縮小,從而起到了增加壓強的作用,以此來平衡自身壓強和體外壓強!雖然它有著這個Bug,但是它的極限也就是2200左右,再深的話也會被壓爆!

那有人會說了,我們模仿抹香鯨肺部變小的原理對潛艇進行改造,不就能實現潛艇深潛了嗎?

其實不然,核潛艇的內部是以橫艙壁將其分隔成3個~8個密封艙室,內設各種設備、武器裝備、生活設施和操縱指揮部位。


圖注:核潛艇內部生活區

另外我們的核潛艇內部是需要住人的,裡面會有一個滿足人類生存的空間,而這個空間會有一個內部壓強,這個內部壓強是不能隨意變更的,不然就會對裡面工作人員的生存造成威脅!

既然不能改變內部,那麼可不可以改變潛艇的外殼呢?是不是用一些更好的抗壓材料就能改變這個情況呢?

核潛艇的外殼一般是由高強度鋼質殼板、端部艙壁、肋骨和橫艙壁等構成。而這些結構的材料都是高強度鋼,也就是我們所說的特種鋼!


圖注:核潛艇外部圖

目前,各國受科學技術的限制,各國的核潛艇應用的都已經是頂尖的鋼材。所以,目前想通過改變殼體材料來達到抗壓的效果,也是不現實的!

綜上所述,這也是抹香鯨能下潛2000米,而我大部分潛艇達不到的原因!


奇樂動物園


核潛艇下潛深度要綜合考慮多方面的影響,比如武器搭載量,耐壓殼強度等。

其實說白了就是技術原因

耐壓殼

蛟龍號解剖圖

核潛艇解剖圖


耐壓殼就是潛艇的外殼,

首先我們要明白,無論是深潛器還是潛艇,其潛水深度的根本是取決於耐壓殼的強度,只有高強度的耐壓殼才能在深海強大的壓力下保證艇員和設備的安全。

深海這種特殊環境對深海裝備的耐壓殼材料提出了特殊要求。深海裝備耐壓殼材料既要有一定的抗蝕性,在一定溫度範圍內還要有相當穩定的物理性能和適當的延展性,此外還應具有較高的屈服強度和較高的彈性模量。從而使深海裝備能夠承受住由其工作深度產生的靜壓強和深海裝備在整個服役期內多次下潛和上浮產生的週期性載荷對耐壓殼的影響。

為了保證耐壓殼的強度,各國核潛艇多使用鋼和鈦合金材料做耐壓殼,像我國蛟龍號的4500米深潛器耐壓殼,就是採用我國自主研製的Ti80鈦合金材料。但是蛟龍”號的鈦合金耐壓殼也是委託俄羅斯焊接製造。由於鈦合金焊接工藝難度極高,俄羅斯在這方面居世界領先地位,此前只有俄羅斯曾製造鈦合金耐壓殼的核潛艇。

“蛟龍”號這個直徑僅有2.1米的耐壓殼研製時間卻長達5年,僅焊接時間就用了近3年。

而潛艇尤其是核潛艇的大直徑耐壓殼普遍都在9米以上,目前全世界能製備9米以上潛艇耐壓殼技術的只有中、美、俄、法四國,擁有大直徑耐壓殼核潛艇國家只有美、俄、法三國。

應用在“蛟龍”號上的耐壓殼直徑僅2.1米就耗時近8年,那如果將Ti80鈦合金應用在耐壓殼直徑為9米以上的核潛艇上,怕是要耗時幾十年才能生產一艇吧!

再說了,就算耗時多年生產出可下潛7000多米的核潛艇,核潛艇發射的魚雷怕是也受不了深海的壓力吧!

至於深海潛水手抹香鯨,那可是經過大自然錘鍊了上萬年的生物,人類歷史才有五千年,怎麼能和上萬年乃至億年的生物想抗衡呢?


書雄


前幾天,剛看了一個科普節目。我國深海勘探工作者,把一枚生雞蛋和一枚熟雞蛋一起掛到深潛器上,然後將深潛器放到海底,看看雞蛋會有什麼反應。

結果,在幾千多米深的海底,兩枚雞蛋都完好無損!等撈上來以後,工作者把生雞蛋也煮熟了,發現兩枚雞蛋都有“鹽味”!海水通過蛋殼滲進了雞蛋裡。


也就是說,這麼脆的雞蛋能承受如此大的壓力,是因為可以“透氣”!雞蛋的外殼不能完全將外界和蛋液隔絕。所以,雞蛋可以通過外殼和外面平衡壓力保持內外壓力一致。

鯨魚不怕被海水擠破,也是因為身體可以與周圍環境調節壓力。而潛水艇是完全密封的必須靠外殼和壓力“硬碰硬”的對抗!

跨專業了,太專業的我就不知道了。


勇戰王聊歷史


恰恰是人們為了探索深海,而研究出來的一種可以深入水底探索的武器裝備。主要成分是由高強度的複合金屬製成。而鯨魚是海洋中的一種水生生物。大自然的力量總是要比人的強很多。人類引以為傲的最先進的潛艇下潛深度還達不到鯨魚下潛深度的一半兒。其實要說清楚這個問題就要從將魚和潛艇的構造說起了。

潛艇再怎麼先進也是人造出來的東西,肯定也會有缺陷。而且他的最終目的是為了人來服務。所以潛艇的內部就需要是空腔,它的作用是為了維持人的正常生理需求環境。所以他的氣壓不能太高。而且還需要包括能夠維持人能正常生存的其他空間。所以簡單的來說,潛艇就是一個大空殼子。

為了實現下潛和上浮,潛艇的邊上都會有一些水密倉,需要下潛的時候就在裡邊充入海水,需要上浮的時候,就利用其中的水泵將水排出去。通過這樣對水密艙的控制,而來控制潛艇的上浮和下潛。所以潛艇對抗大海水壓的唯一支撐就是潛艇的表面。為了抵抗更高的水壓,只能將潛艇的材料來加強。這也就造成了潛艇會有一定的下潛深度。超過這個深度潛艇就會被壓扁。

再來說說鯨魚。鯨魚的構造要比潛艇的構造精密很多,畢竟鯨魚是一種生物。鯨魚的表面肯定沒有潛艇表面的鋼鐵一樣。但是他對抗海水的壓力是用了另一種辦法。所以會產生壓強差,是因為內部和外部的壓強不一樣。鯨魚就是利用調節體內的氣體來達到體內和體外壓強一樣的情況用此種辦法來調節。這樣鯨魚也就能夠潛到更深的海底。但是即便是這樣,鯨魚的潛水深度也是有一定的限制的。但是這個限制要比潛艇的深很多。


沐風談兵論道


在水中受壓主要表現在內外壓力差,鯨魚🐳身體密度和海水差不多,體內空腔十分狹小,又有一定的彈性變形,當體外受到水深壓力時體內也會隨之增大,因而內外壓差很小,所以也就比普通鋼鐵潛艇耐壓了!


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