03.06 为什么抹香鲸可以潜水一千米到两千米,而潜水艇就三百米左右就不行了,有什么区别?

MC街客


抹香鲸可以在水下停留约45分钟,通常潜水深度可达到1,600-3,200英尺(500米~1000米),最高深度记录深达1.2英里(接近2千米)。

而潜艇有各种类型,也不能笼统地给出其潜水深度。目前世界上人类制造的潜艇最深的下潜深度是10,900 米,远超抹香鲸。但这不是一般军事用途的潜艇,而是专业深潜用的潜艇。军用潜艇的最深记录是俄罗斯的685级潜艇于1986年创下的,1300米,普通潜艇只能下潜300-500米左右,抹香鲸倒是远超普通潜艇的。

上图:潜艇下潜原理。虽然潜艇允许海水进入到潜艇内,但是整个潜艇是一个刚性的结构,其内仓永远都充满了低压的气体——因为要供人员在内工作,所以其内外压差永远都是巨大的(在800米深就是100倍压差),对焊接技术和钢板的强度都充满了挑战,甚至可以达到钢铁强度无法承受的程度。像是创下下潜记录的俄罗斯685级潜艇大量采用了钛合金来加强结构强度才能够下潜到那个深度。


抹香鲸下潜时要承受多大的水压?

波义耳定律指出气体压力与体积成反比。因此,随着压力增加,气体的体积减小,这是我们前往高海拔地区时会注意到的情况,诸如耳朵里鼓膜的变化,拧紧的矿泉水瓶的变化等等。

然而,在水下压力却要高出几个数量级。在海平面上,我们身体承受地球大气15千米厚的空气以10千克/平方厘米的压力压在我们身上,我们毫无察觉,这是因为我们体内的所有气体和液体都以相同的压力向外抵抗着外部的压力(内外等压)。

上图:抹香鲸可以在水下呆近两个小时,潜水深度可达六个埃菲尔铁塔的高度。


当我们进入水下时,压力会发生巨大变化 仅在10米的深度处,压力就会上升到两倍大气压,这意味着我们和抹香鲸肺中的空气的体积必需缩小一半,才能抵消外部压力。随着深度的增加,这个体积将继续成比例缩小。在距离海面800米深处,鲸鱼的肺部将压缩到到不到它们在海面时肺部面体积的1%,其中空气的压力会变得非常大,大约是海平面的100倍。为了防止巨大的空气压力将额外的氮气和氧气推入血液中,鲸鱼已经进化得能关闭肺泡,从而防止氧气和二氧化碳进入到血液中。因此,当鲸鱼潜入水面以下时,肺部的任何空气都不会进入血液。肺部如上所述塌陷,而且直到它们再次上浮到海面之前都不会利用这部分空气来呼吸。

上图:抹香鲸在潜水时会使肺泡塌陷,并防止气体交换。


但这看来有点浪费,毕竟肺里面还有那么多的氧气可以用。抹香鲸又如何维持体内的氧气水平的呢?


抹香鲸如何维持体内的氧气水平?

抹香鲸将氧气存储在血液和肌肉当中,而不是在肺部。它们血液中的血红蛋白含量是人类的2倍,肌红蛋白中的氧含量更是血红蛋白的10倍。在海面时,抹香鲸正常呼吸将氧气泵入血液和肌肉中作为储备,以便供潜水时使用。这与我们人类在进入水下时发生的情况不同,当我们潜入水中时,我们的肺泡仍然在继续运作,并不断将氧气从肺部转移到血液中,这带来了潜水病的风险。

上图:潜水病的基本症状

头部:头晕、平衡变差、眩晕、呕吐、乏力、意识丧失

胸部和躯干:红疹

手指和脚趾:麻木、针刺感

脊柱:腹痛、小便失禁、瘫痪

膝盖、肘关节、肩关节:关节疼痛


此外,抹香鲸的身体更加柔韧。它们的肋骨受到松散、可弯曲的软骨的束缚,这使得它们的肋骨可以很容易地在高压下向内塌陷但又不至于折断。这有助于帮助抹香鲸在深海调节胸肺部气压。而除开肺部之外,抹香鲸全身其它器官基本上就没有空腔了,基本上都是充满液体的身体柔韧组织,基本上可以平衡上百倍的大气压的变化。

至于地球海洋的深度,基本上不能使水这种液体压缩多少,因此鲸体内的水在下潜的过程中几乎不会发生太大体积变化,所以细胞的形态也不会有太大的改变。鲸鱼对气压的平衡主要发生在充满了空气的肺部——想必鲸鱼的肺部组织,如肺泡上皮应该是非常坚韧的,否则在压力变化的过程中就很容易受机械形变的拉力而损坏。相信几千万年的进化,鲸鱼已经有解决之道了。


总结

刚性和柔韧恐怕是潜艇与鲸鱼的最大区别。当然,如果潜艇的材质强度足够大,也可以潜入更深的海底的。我国的蛟龙号深海潜水器在2012就已经成功下潜到7020米的深海(不过钛合金球壳是俄罗斯制造,每平方米可承受7000吨水压,我国自行研制的球壳目前只能下潜到4500米)。

上图:蛟龙号结构


小宇堂


抹香鲸(Physeter macrocephalus)是动物世界中最著名的深潜运动员,它们能够一口气潜入1000米以下的深海,而抹香鲸深潜记录是2250米。

图注:海生生物潜水深度比较,图片来自网络


看看抹香鲸再看看我们用钢铁制造的潜艇,这些集人类科技于一身的潜水器下潜深度往往只有300米,为什么呢?

图注:美国弗吉尼亚级核潜艇,图片来自网络



先看抹香鲸有什么潜水绝招:

抹香鲸每次潜水需要两个多小时,所以要储备足够量的氧气。抹香鲸每次呼吸能够换掉体内90%的氧气,除了肺部,抹香鲸的呼吸道甚至是肌肉都能够储存氧气用于潜水后的呼吸。

图注:生活在海洋之中的抹香鲸,图片来自网络


在解决了呼吸之后,就是面对海底巨大的压力,要知道2000米之下的深海,每平方厘米就要承受200公斤以上的压力。随着下潜,海水的压力不断变大,抹香鲸的身体也会在压力之下变形,变得更小。在抹香鲸的身体之内有一种类似鲸脂的流体物质,它能够将体内的器官包裹起来,避免在压力下不断变相的身体损伤内脏。

抹香鲸深潜时,它的新陈代谢速率也会不断降低,如此减少对氧气的消耗,并且能够对抗深海的低温。

说完了抹香鲸,再来看看潜水艇:

常见的军用潜艇,比如核动力潜艇,其尽管安装了耐压艇壳,但是外壳无法在压力之下自由变形,因为潜艇内部有各种仪器,各种设备,每一寸空间都是经过科学的设置设计的,所以其内部体积是固定的。在这样的前提之下,潜艇能够达到的最深深度就是其艇壳在安全范围之内能够承受的最大压强,通常是在300、400米左右。

图注:印度“歼击者”号潜艇的内部结构,图片来自网络

图注:英国核潜艇的内部,图片来自网络

当然啦,我们这里所讨论的潜艇是常见的军用潜艇,人类制造的深海潜艇和探测器下潜的深度可是大大超过抹香鲸的,比如我国研制的蛟龙号载人潜水器的下潜深度就可以达到7000米,一些深海探测器更是能够达到10000米的下潜深度。

图注:中国的“蛟龙”号载人潜水器,图片来自网络

抹香鲸与潜艇最大的区别就是:抹香鲸是动物,身体能够根据下潜的深度发生变化;潜艇是制造物,在设计阶段就已经根据用途确定了下潜深度范围。




古生物探索


#海洋# #抹香鲸# #潜水艇#

首先 来说说抹香鲸

大家普遍认为抹香鲸的潜水深度一般为2000米左右,但是某些个体甚至于可以到达深海3000以下,在这个深度,水压会在每平方厘米上施加上超过300公斤的压力(大概就相当于5个成年男性穿一只高跟鞋只用鞋跟站在你的脚面上,而且是浑身每一寸皮肤都是这样大的压力.

那抹香鲸用什么样的生身体构造完成了这样的奇迹的呢? 

  1.水下活动时间

  要想深潜,水下的活动时间就必须够长才可以,抹香鲸一般在水下活动的时间都超过1小时,在某些个体的深潜活动中甚至能达到2小时的憋气时间,这对于属于哺乳动物的抹香鲸来说实在是不可想象的,而这样的憋气时间是抹香鲸用奇特的身体构造换来的。  

  2.换气效率

  这样大型的海洋哺乳动物一次深呼吸可以换掉体内90%以上的气体,这在陆生动物看来是一个遥不可及的数字,这也造就了惊人的憋气时间。

  3.呼吸道构造

  按比例来说抹香鲸的肺的大小并不能支持长达1小时以上的潜水活动,在普通人看来,抹香鲸这张由陆生动物演化而来的脸实在有些奇怪,头似乎太大了,但是在这样的脑袋中除了鲸脂还有巨大的呼吸道,这样的结构也储存了一部分的空气,而在鲸鱼那鲜红色的肌肉里,其中所能储存的氧气的量也是相当巨大的。

  4.代谢

  抹香鲸在潜水后会逐渐降低自己的新陈代谢,在最极端的条件下,心跳甚至于会达到每分钟一次的频率,随之而来的是深海中低至冰点附近的水温,可以想象,抹香鲸面对着多么大的困难。

  5.内脏保护

  抹香鲸在水下潜到一定深度后内脏会受到巨大的挤压,包括心脏肝脏肺等重要器官会被鲸鱼体内分泌的流动的类似鲸脂的物质包裹保护起来避免强大的水压将内脏压坏。


再来 说说潜艇

众所周知,俄罗斯是苏联解体之后其军事工业的最主要继承者,这也直接奠定了俄罗斯军事大国的地位,而在核潜艇方面,早在苏联时期就拥有世界上最先进的技术,比如服役于上世纪八十年代的“台风”级战略核潜艇至今仍是世界上打击能力最强悍的核潜艇之一。俄罗斯经过多年的发展,在核潜艇方面同样有很大的成就,比如其自主研发的“北风之神”级战略核潜艇虽然在体积上面比“台风”级战略核潜艇要小一些,但是综合性能则要更强。而要说到最大下潜深度的话,俄罗斯在这方面拥有无以匹敌的优势,据悉俄罗斯和潜艇的最大下潜深度为1080米。


琨瑞苑


鲸鱼是软的,并且体内充气器官可以排气变成“实心”;潜艇“硬”且是“空心”的,内部有人,不可能排完所有气体,气体压力也不能太大,不能抵抗深海海水压力。

鲸鱼是少有的以肺呼吸的海洋生物之一,由于体型庞大,肺部也是很大的,它们通常一次呼吸可以在水下撑15分钟,有极少数可以撑50分钟。生物组织的好处是本身就是含有大量水的,且生物膜能够透水,在深海中就算压力再强也无法压裂,就像水母那东西,那就是一泡子水,水压水能压出个什么结果。鲸鱼体内也有一些骨骼、器官内有空腔,如果没有特殊的能力,也一样会被挤爆,不过鲸鱼可以通过排掉一些气体或者通过收缩肺部的方式提高体内气体的压力与海水压力对抗,使得有些鲸鱼可以潜到2000米左右的深海。

潜艇是水下载人的工具,这个特点就使得潜艇必须是空心的,依靠配重等使潜艇上浮或者下沉。空心的潜艇内部气体压力如果能够和深海一样,那潜艇内外的压力也是均衡的,就像灌满水的沉船一样,并不会被压扁,但问题是要载人,人最适宜的大气压力就是地球表面,稍微大一些也可以,无器具潜水曾有人到达100多米深的地方,气压再大的话人也会呼吸困难造成危险,于是就变成了接近海面的气压和铁壳子支撑海水压力,大型潜艇很少能潜超过500米的 。

举个简单的例子,空易拉罐瓶子就算里边有气、封起来也会较容易压扁,因为气体容易被压缩,而装满水的密封易拉罐就比较难挤扁了。这也是为什么无人探测深海海底容易办到,而能做到载人潜入深海的国家就三两个,且深海潜艇都是壳子比较厚、体积又很小的。


来看世界呀


真正的原因我不清楚,但我想这就是人类为什么,一直在探索深海的原因,海底世界又称内太空,不只有比人类还巨大的生物,也有小到要用数十倍放大才看得到的生物,人类的科技要突破的,除了动力能源的问题,还有压力空间的控制,毕竟里面要搭载人与装备!


oris阿修


因为鲸鱼要潜下去吃乌贼,不吃就死了。

潜艇下潜为了隐藏踪迹,99%情况下潜10米跟潜10000米没啥区别。

潜300米是比较合理深度,'综合费用能力技术材料等。

就像四座轿车能满足大部分需要了,不用每家买辆公交车