1、引言
地球是我们生存的家园,在地球表面约有71%的面积被海水覆盖。人类在地球上生活了数百万年,科技发展至今,仍然无法全部揭开地球神秘的面纱。早在阿基米德时期,就已经发现了浮力的本质,其与水压密切相关。水压的表达式:P=ρgh,随着水深度的增加,其压强也呈直线上升。万米之下,水压达到了“恐怖”的100MPa,是一个大气压的1000倍,为何海底的岩石安然无恙,海底鱼类自在生活,甚至人类还能派遣深海潜水器进行海底探险?
2、水压
为了弄清楚这个问题,首先得知道水压是怎么回事。所谓水压,其实是某一位置其上部所有水的重力(非严格说法)。P=ρgh这个表达式,就是由此推导而来。水越深,其上部的水也就越重,压下来其压力也就越大。此外,液体因为具有流动性,它无缝不钻,对于水中的任意一点来说,它可以向四面八方钻。所以,水压不仅仅是向下的,它可以是任意方向的。只要有空隙,就能在这压力的作用下钻进去。
前面我说这个100MP的水压恐怖,其实是有点标题党。搞过结构分析的同学可能都知道,100MPa这个压力值,一点都不大。就拿日常生活中常见的钢铁,不管什么型号,其破坏、或者说屈服的应力,都能轻轻松松超过100MPa。比如Q235,其屈服应力就是235MPa。只有当外力足够大,能让其内部产生235MPa的内应力,这种Q235的材料才会发生变形。外力继续增大,内应力继续上升,超过235MPa,这种材料才会发生断裂。不过,100MPa对于凡胎肉体来讲,说其恐怖也不为过。
3、压不裂的秘密
众所周知,一个物体拉断它很容易,但是压碎它却比较难。这方面如果仅仅是定性的分析,应该比较好理解,我就不展开了。深海中,在水的压力之下,物体受到的载荷就是四面八方的均匀分布的压力。因此,物体受到海水的压力,本身其受压的承受能力就比较大。比如海底的岩石,大部分应该是玄武岩,其压缩的强度可达300MPa,3万米的深海,才有可能压碎现在这个洋壳。从这个角度考虑,理想条件下,地球上深海不可能超过3万米。目前最深的就是马里亚纳海沟,约11000m。
不过,外部压力100MPa,并不意味着这个物体内部都是100MPa。内部应力的大小,跟具体的结构密切相关。如果是一块铁疙瘩,不管是什么形状,由于外压是处处均匀的,那么其内部应力也就等于这个外压。这个时候,因为铁疙瘩的受压承受能力远超100MPa,这个铁疙瘩并不会被压碎,只不过会产生肉眼不可见的缩小。对,它会被压小那么一点点。我用有限元简单算了一下,直径一米的铁球,会被压小10e-4m。
那如果是空心的结构会怎么样呢?为了更好地承受这个水压,会将之设计出球形,比如2年前,下潜10909m的奋斗者号,它的核心舱是一个球形的空腔。这种球形的壳结构,在承受均匀水压时能够很好地分担压力,整个球壳结构处处受压。但是此时,其内部的应力不再是100MPa了,由于这个空腔的存在,引起了所谓的应力集中,空腔附近的应力会变大,会超过100MPa,大概是296MPa。尽管如此,只要没有超过材料的屈服强度,那就没有问题。它结实着呢!
另外,通过分析,我们会发现,这个球壳越厚,空腔附近的应力越小。这就给结构设计带来了可能。比如,某些材料弱,承受能力不行,但是我们可以设计的厚一点啊。同样外径1m的球壳,厚度10mm,和20mm的最大应力相差了114MPa。但是,厚度的增加,会给制造带来风险,内部缺陷产生的概率将更大。一旦有内部的缺陷,在外力作用下,就会产生应力集中。这种看不见的缺陷才是最可怕的。奋斗者号的核心舱最终设计成这种尺寸,就是材料研发能力、制作能力,以及结构设计能力的综合考量。
再说这个深海生物。深海中还有很多奇形怪状的生物,有些生物虽然没在万米海底,但是6-7千还是有的。6-7百倍的大气压力,人类肯定是无法生存的。但是这些生物内部血液、腔压都进化成跟外压相差无几。正是这些较大的内部压力,平衡掉了外部的水压。这样,鱼肉虽然受到压力较大,但还未超过其承受极限。或许,这种在高压下的鱼肉,肉质更加紧致,口感更好。
4、总结
最后,万米水压对于人类生存来说可谓恐怖,但是对于金属、岩石、肉等材料来说并不大,还没有超过其承受极限。所以说,恐怖水压确实拿铁球没办法。
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