如果把瓦片扔進馬裡亞納海溝,它會沉到最深處嗎?

如果把瓦片扔進馬裡亞納海溝,它會沉到最深處嗎?

​全球海洋的平均深度將近3700米,其中最深之處位於西太平洋的馬裡亞納海溝,它的最深處是深達11000米的挑戰者深淵。

如果把一塊瓦片扔進馬裡亞納海溝中,那麼,瓦片能否沉到底部?瓦片在海洋深處會被壓碎嗎?如果瓦片能沉到海底,需要多久?

如果把瓦片扔進馬裡亞納海溝,它會沉到最深處嗎?

根據液體壓強公式:

p=ρgh

隨著深度的增加,海水的密度、重力加速度都會隨之增加,所以壓強也會迅速增加。不過,海水的密度和重力加速度隨深度變化並不大,可以認為這兩個參數是常數。海水的密度一般為1030千克/立方米,挑戰者深淵中的海水密度為1080千克/立方米,液體是很難被壓縮的。

由上述公式可知,海水的深度增加大約10米,水壓就會隨之增加1個地表大氣壓。在1000米深的地方,水壓會達到100個地表大氣壓。而在挑戰者深淵中,水壓將會高達1100個地表大氣壓。

既然水壓這麼高,如果把瓦片放在馬裡亞納海溝的底部,這是否意味著瓦片會被壓碎?

如果把瓦片扔進馬裡亞納海溝,它會沉到最深處嗎?

瓦片是實心的固體,經過海水的充分浸潤之後,瓦片內外並不會產生壓力差,即便挑戰者深淵中的水壓非常高,瓦片也是不會被海水壓碎的。倘若是一個空心的物體,例如,一個空的密閉瓶子,瓶子內的氣壓為1個大氣壓,如果把它放到足夠深的海水中,瓶子就會因為巨大的壓力差而被壓扁。

如果把瓦片扔進馬裡亞納海溝,它會沉到最深處嗎?

在馬裡亞納海溝中,科學家發現了一些棲居於此的生物,它們身體內外的壓力處於平衡狀態,所以它們可以適用深海的巨大水壓。如果把這些深海生物撈上來,它們會無法適應低壓環境而死亡,這就如同人類在毫無防護的狀態下去太空一樣。

除了深海生物,人類還在海洋底部發現了塑料袋。既然塑料袋都能沉到海洋底部,密度更大的瓦片肯定也是能夠沉到海底。那麼,瓦片沉到挑戰者深淵中需要多少時間呢?

如果把瓦片扔進馬裡亞納海溝,它會沉到最深處嗎?

在瓦片下沉過程中,瓦片會同時受到三個力的作用,分別是向下的重力:

G=mg

其中m為瓦片的質量,g為重力加速度(假設保持不變)。

向上的浮力:

Fb=ρgV

其中ρ為海水密度(假設保持不變),V為瓦片的體積。

瓦片在下沉過程中,其表面會覆蓋上一層水,形成速度梯度,這會阻礙瓦片下落,這個力為粘滯阻力:

Fv=1/2Cρv^2A

其中C為阻力系數,A為瓦片的面積,v為瓦片的下沉速度。

因此,瓦片所受到的合力為:

F=G-Fb-Fv

隨著瓦片的下落,速度變得越來越快,粘滯阻力變得越來越大,合力變得越來越小。當瓦片的速度達到臨界值時,粘滯阻力大到剛好使合力變為零,瓦片將會開始勻速下降,此時的速度即為終末速度。此後,瓦片的粘滯阻力不再會增加,合力保持為零,瓦片會一直勻速下沉。

根據上式可以推導出瓦片的終末速度公式為:

如果把瓦片扔進馬裡亞納海溝,它會沉到最深處嗎?

如果考慮一片小青瓦的長度為250毫米,寬度為200毫米,厚度為20毫米,密度為1600千克/立方米,阻力系數取0.9,瓦片以面積最大的那一面下沉,由此可以計算出瓦片的終末速度約為0.49米/秒。

至於瓦片達到終末速度所需的時間以及對應的下落高度,需要建立微分方程才能進行精確求解,這裡就不再展開。假設瓦片以0.49米/秒的速度下沉到馬裡亞納海溝的最深處,所需的時間約為6.2小時。

如果把瓦片扔進馬裡亞納海溝,它會沉到最深處嗎?

當然,上述只是理想情況下的計算結果。在現實中,瓦片不可能始終以面積最大的那一面下沉。而且海洋中的水並非靜止的,瓦片也不可能豎直落到馬裡亞納海溝的底部。


分享到:


相關文章: