科技改變生活 · 科技引領未來
地球在誕生的46億年里不斷變化,板塊和板塊之間總是在互相碰撞和擠壓。太平洋板塊和亞歐板塊擠壓碰撞的時候,因為亞歐板塊比太平洋板塊更厚,位置也更高。所以太平洋板塊在擠壓中越來越低,而歐亞板塊則越來越高,世界上最深的海溝——馬里亞納海溝就出現了
地球在誕生的46億年里不斷變化,板塊和板塊之間總是在互相碰撞和擠壓。
太平洋板塊和亞歐板塊擠壓碰撞的時候,因為亞歐板塊比太平洋板塊更厚,位置也更高。所以太平洋板塊在擠壓中越來越低,而歐亞板塊則越來越高,世界上最深的海溝——馬里亞納海溝就出現了。
馬里亞納海溝的平均深度在8000米以上,最深的位置深度甚至達到了11034米。在這里,哪怕是8848米高的世界第一高峰珠穆朗瑪峰,也需要在頭頂再摞一個3000多米高的山峰才能堪堪露出水面。
在海底,深度越深,水壓越大,所以深海處鮮有生命存活。不過在馬里亞納海溝8000米深的海域里,生活著一種深海獅子魚。它們骨骼和肌肉被高壓錘煉地極有韌性,它們之所以能夠在深海生活,是因為它們身體表面有一層可以調節壓強的薄膜。
神奇的造物主不僅在這片深不見底的海溝撒下了魚苗,還在海溝底部播種了珊瑚。還有一些微生物在這里繁衍,馬里亞納海溝也就成了一片安靜的世外桃源。
向海溝扔磚頭會發生什么?
馬里亞納海溝深不見底,如果我們扔一塊磚頭下去會發生什么呢?
一般來說,物體在水中會下沉還是上浮取決于它的密度。冰塊比水的密度小,所以就會浮在水面。但是石頭比水的密度大,所以會在水中下沉。如果把一個物體打造成中空的結構,即便它密度大于水,也能具備上浮的能力。比如輪船就是利用了這一特性才能夠在大海順利航行。
因此,想要知道磚頭會不會下沉,我們首先需要對比海水和磚頭的密度。如果磚頭的密度遠遠大于海水,就會下沉。但如果磚頭的密度不能達到下沉標準,就會懸浮在海水中的某一高度。
海水的密度并非一成不變,水中的壓強會導致海水密度增大。
比如你在游泳的時候,如果只在水面上露出了脖子,就能清楚地感受到水壓帶給你的壓迫感。有時甚至會有點喘不上來氣的感覺,這就是水下壓強與陸地壓強不同帶來的不同感覺。所以很多潛水員為了能夠下潛到一定深度,下水的時候都是帶著負重潛水的。
一名潛水員想要下潛到300米的深度,全身都要承受30個大氣壓的擠壓。在這樣的環境里,很多人都會患上潛水病。即便是肌肉強健的男性,也因為巨大的壓力而無法隨意活動身體。
水下的大氣壓究竟有多大呢?一般來說,水深每增加10米,就會上升1個大氣壓。壓力每升高一個大氣壓(1.013x10^5pa),水的密度就會上升0.0046%。
雖然這個數字非常小,但是馬里亞納海溝的深度太深了。按照這個數據來換算的話,馬里亞納海溝最深處的大氣壓大概為1100個大氣壓,這樣的龐大的數據下,水的密度直接達到了1000千克/立方米。
11000米的位置海水密度大約為1050千克/立方米。再加上海水中含有各種無機物和礦物雜質,所以密度會更大一點。大致推算下來,馬里亞納海溝最深處的海水密度不超過1080千克/立方米。
一塊普通的磚頭密度大概是1800千克/立方米,這個密度遠超磚頭下沉到馬里亞納海溝底部的標準,所以僅從密度上來看,磚頭是可以沉到馬里亞納海溝最深處的。
磚頭沉入馬里亞納海溝需要多久?
馬里亞納海溝中是含鹽量很高的海水,因為海水中包含了鹽,密度比淡水密度更大。所以海水的浮力也要比淡水的浮力更大。所以一塊磚頭在海水中受到的阻力要更大一些。
不過,由于磚頭有極強的滲水能力,所以進入海水不久后就會吸收大量的海水,把自己的密度提高到一個峰值。密度增加以后,磚頭的下降速度也會大大提高。
就像是你在水桶中放入一塊海綿,一開始海綿只會漂浮在水面慢慢吸水。隨著時間的推移,海綿吸水的速度會越來越快同時向水中下沉,等到海綿完全吸收滿了水分,就會以自身最快的速度沉到水桶底部。
根據有關數據顯示,磚頭在淡水中下沉時,一開始速度較慢,但是等它下沉的速度達到3米/秒的時候,就是它的最快速度。此時,磚頭的速度就已經達到了吸收水分的峰值,所以也到了下沉速度的峰值。
但是在海水中,磚頭的下降速度會更大。因為海水的密度更大,被吸收到磚頭內部后,磚頭的質量增加也更多,所以當磚頭在海水中吸收海水至飽和狀態時,會以2.87米/秒的速度下沉。
如果單純按路程除以速度等于時間這樣的計算方法來看。一塊磚頭以2.78米/秒的速度,沉到11034米深的馬里亞納海溝底部,需要3907秒。換算成小時的話大概是1.1個小時。但問題比我們想的要復雜一些。因為一塊磚頭想要沉入水底不僅僅需要考慮壓強和密度,更要考慮它承受的外力。
磚頭在海水中下降時會有三個力同時向它同時施壓。一個是它本身的重力會“壓”著它下沉,一個是海水的浮力會“托”著它,不讓它下沉。還有一個是海水本身的密度阻力,也會阻擋它下沉的步伐。
由于海水密度在深度變化下并不會發生太大變化,所以我們把它看作一個固定的數值。那么唯一會阻礙磚頭下降速度的就是磚頭下降時的阻力。
在磚頭下降的過程中,它的下降的速度取決于它所受力量之和。也就是說,一塊磚頭的速度要綜合考慮所有外力才能得出最終速度。當磚頭下降的阻力與磚頭的重力減去浮力數值相等,磚頭就達到了下降時最快的速度,這個速度也被稱之為終端速度。
如果無法理解終端速度,可以看看運動員跳傘的例子。一名運動員乘坐飛機準備跳傘,當他剛剛脫離飛機時,會因為重力而迅速下墜,但此時,空氣的阻力減緩了他下墜的速度,這個時候他就在以終端速度墜落。
如果這名運動員以“趴著”的姿勢俯沖跳傘,他的終端速度是55米/秒。跳傘3秒后就已經達到了終端速度的一半。跳傘8秒后就達到了終端速度的九成,跳傘15秒后就達到了終端速度的九成九。
假如這名運動員是以頭朝下“倒栽蔥”的姿勢自由落體,那么它的終端速度就是俯沖跳傘的5倍左右,可以達到270米/秒。如果這名運動員的質量夠大,終端速度甚至可以達到325米/秒。
由此可見,從物體下墜到抵達終端速度只需要很短的時間。因此我們計算磚頭下沉到馬里亞納海溝的時間時,就直接以終端速度進行計算。
磚頭下沉于海水時向下的面積越小,阻力也就越小。如果我們用磚頭最小的那一面向下一直落,那么它的終端速度就有可能達到2.73米/秒。這樣的話,一塊磚頭沉入馬里亞納海溝的最深處只需要一個小時多一點的時間。
如果磚頭一直以最大的一面向馬里亞納海溝的最深處墜落,那么它的終端速度只有3.28米/秒。這樣它下沉的時間則會延長至2.4小時。當然這些數據都是理想數據,如果真的要做嚴謹的科學實驗,還需要考慮磚頭自由落體或者海水暗流涌動等因素。
磚頭下沉過程會碎嗎?
有人說,磚頭在水中要承受著來自四面八方的壓力,說不定還沒沉到底,就被壓力給擊碎了。那么磚頭在馬里亞納海溝中會不會被壓力擠碎呢?同樣,我們通過數據計算揭曉答案。
一塊磚頭的耐壓能力一般為30牛/平方毫米,30牛約等于3千克。也就是說,磚頭上每平方毫米可以承受3061克力量的擠壓。
一個大氣壓是0.1牛/平方毫米,1100個大氣壓就是110牛/平方毫米。也就是說一塊磚頭在馬里亞納海溝底部時,表面任何一個位置都需要承受大約11千克左右的力量。這遠超于磚頭3千克的耐壓上限。
僅從磚頭的耐壓程度來說,磚頭在還沒有沉到底的時候,就因為承受的壓力太大而破碎了。但是結合實際來說,我們考慮的要素不全,所以這個結論不能作為最終結果。
因為磚頭有一個非常神奇的減壓能力,那就是——滲水。磚頭在燒制的過程中會出現大量的空隙,這些空隙能夠保證磚頭在修建房屋時能夠有非常好的透氣性。見過往磚頭上潑水的人都知道,磚頭的吸水性非常強。所以被扔進馬里亞納海溝的磚頭從接觸海水開始就會不斷地吸水。
磚頭滲水以后,內部富含大量的海水,因此內外壓差變小。所以即便是掉入11000米的海溝,也不會因為壓力過大而破碎。
磚頭的結構稀疏,如果拿它和硬度一般的石頭相撞,磚頭一定比不過質地堅硬的石頭。但是如果把磚頭和石頭同時丟入馬里亞納海溝當中,磚頭就會化劣勢為優勢,通過自身的空隙吸收海水,弱化海水的對它的作用力。
反而硬度一半的石頭因為無法吸收海水,只能通過自身硬度承受海底的巨大壓力。一旦海水壓力大于石頭耐壓極限,石頭就會在海水中直接破碎。
科學問題不是一拍腦袋就能出結果的,我們只有用規范的物理實驗或者嚴謹的數學分析,才能得出真正有效的結果。
劉熙遠