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鲸鱼潜入万米深都没事,为什么钢铁打造的潜艇在水下容易被压扁?

十万个为什么 空空 2024-5-23 23:19:10 7次浏览

关于问题鲸鱼潜入万米深都没事,为什么钢铁打造的潜艇在水下容易被压扁?一共有 2 位热心网友为你解答:

【1】、来自网友【网络守夜人】的最佳回答:

我们知道,自然界中的压力无处不在。在陆地表面有大气压力,如果是进入到水中,还有水的压力。不论在什么样的环境之中,人的机体都要能克服外在压力才不会导致身体受到伤害。对动物来说也是如此,对人类制造的工具同样如此。

经过测算,人类平均承受的大气压力为 10 个大气压,也就是每平方米的面积承受的压力为 10 吨。为什么这么重的压力没有把我们给压死呢?那是因为人体内同样有大气压力存在,比如我们的胸腔、肺部以及血液中实际上都是存在大气压力的。人体内部的大气压力外部压力相互抵消,保持了平衡,所以人类才没被大气压力给压死。

由此可知,压力无处不在。任何物体如果不想被压力损坏,就要能够抗得住压力。抵抗压力的方式,要么就像人体这样内外抵消,要么就是物体是“实心”的,内部没有空间,从而不会产生内外压力,另外就是通过坚硬的构造抵抗外部施加的压力。

海水的压力到底有多大?

要回答提问者的问题,首先必须知道海水的压力究竟有多大,这样才能更好地对此加以分析,从而找出答案。

海水的压力与海水的深度密切相关。海水深度每增加 10 米,则海水的压力就会增加一个大气压。当然这并不是精确值,这里取的只是一个近似值。所以在 1000 米深位置的海水中,海水的压力为 100 个大气压,也就是在这个位置,物体每平方米要承受的海水压力为 1000 吨。

随着海水的深度不断加深,那么海水所产生的压力也就随之加大。可以想象,如果是在深达万米的海水中,那里的压力高达近 1000 个大气压,如此强大的压力,对地球上的绝大部分生物来说都是难以承受的。

为什么鲸鱼能深潜到 2000 多米都没事,而潜艇在水下容易被压扁呢?

回答这个问题之前,先纠正一下提问者的所犯的错误。不是所有的鲸鱼都能深潜,能深潜的鲸鱼只有少数几种,并且也没有哪种鲸鱼能下潜到 10000 米深的深海中。目前世界上已知的下潜最深的鲸鱼是柯氏喙鲸,它们最深能下潜至 2992 米的海底。此外抹香鲸能下潜到 2200 米深的深海中。抹香鲸之所以要深潜,那是因为它们非常喜欢的食物大王乌贼就生活在深海中,为了寻觅食物,鲸鱼就进化出了能潜入深海中进行捕食的本领。由于抹香鲸比较常见,因此我们就以抹香鲸为例,来解释为什么有的鲸鱼能深潜。

从前面的叙述中我们已经知道,只要能有效化解海水的压力,那么深潜到深海中也没事。而抹香鲸就是靠着一系列操作,成功地化解了这个问题,从而使它们能轻松到达到 2000 多米的深海之中。当然,目前它们还不能潜入到更深的海水之中,不过我猜想如果以后有需要,可能它们还会进一步提升自己下潜的本领。

为了抵御深海的压力,抹香鲸打出了一套组合拳。

抹香鲸在每次深潜之前,它们都会进行一次上浮,这次上浮对它来说非常的重要。因为在上浮的时候,抹香鲸会做很多次的深呼吸,尽可能多地吸入空气,直到它的肌肉和血液内都贮满了氧气,它才会进行下潜。这样,它在下潜之后就不需要通过肺部进行呼吸,它通过血液和肌肉中事先贮存的氧气来维持生命所需。

由于不需要呼吸,抹香鲸的肺部就不需要扩张,它反而会将肺部进行最大限度地收缩,从而使自己身体内存在的空间大大压缩,基本上可以把它自己收缩成一个“实心体”。由于内部基本上没有空间了,所以对抹香鲸的身体来说,也就不存在内外压力差,或者说内外压力差较小,它可以通过其他方式进行克服。

此外,抹香鲸的皮肤透水性较好,它的肌肉组织也能够很好地吸纳这些透进来的海水,同时如果需要也可以将这些海水排出。因此,抹香鲸在下潜的过程中,它的身体组织中充满液体,这些液体也能抵消一部分海水的压力。

抹香鲸体内的骨骼韧性比较好,这些骨骼可以随着海洋压力的变化而自由改变形状,而且具有很大的可弯曲度,这种构造,既能有效地支撑起抹香鲸庞大的身躯,而且也不会轻易就发生骨折。

抹香鲸就是通过上述方式,有效化解了一定深度的海水压力,从而使自己能够深潜到 2000 多米深的海水之中作短暂的停留。当然如果它们再潜得深一些,同样会因为无法抵御海水强大的压力而送命。

那么,潜艇为什么在水下容易被压扁呢?

与抹香鲸比起来,潜艇的下潜深度就差远了。目前为止人类制造的军用潜艇中,下潜深度最大的记录为 1250 米,由前苏联 685 攻击核潜艇“共青团员”号创造。一般来说,普通潜艇的下潜深度在 300-400 米之间,核潜艇的下潜深度在 500 米左右,俄罗斯的 S I 和 S II 级潜艇,下潜深度能够达到 700-800 米之间。

很明显,潜艇从构造上来说,是一个“空心”的物体。它就是由一个外壳包裹起来的空心体。所以,潜艇下潜的时候,它的外壳会随着下潜的深度不断增加,承受越来越大的压力。同时,由于潜艇内部需要住人,而人类居住的环境一般要保持一个大气压力,不可能再随意增加或减少,因此潜艇内的气压相对来说是稳定的,它不会出现明显变化。所以潜艇下潜得越深,它的外壳所承受的压力与它的内部空间所产生的压力差就会越来越大,就是说它的外部结构上需要承受的压力就越来越大。而这些压力全部需要由制造潜艇外壳的金属构件来承担。目前人类的技术水平所能制造出来的金属,它的抗压能力就决定了潜艇的下潜深度。

虽然目前制造潜艇的金属材料已经是人类目前所能找到或者是制造出来的强度最强的金属了,但是它们的抗海水压力的能力仍然只能达到几百米的深度。如果再深,它们就会因无法承受过大的压力而被压扁。这就是潜艇只能下潜到几百米深的海水中的原因。

也许有人会问,那些沉没在几千米的海底中的船只为什么反而没有被海水压扁呢?答案很简单,这些船只沉没后,它所有的内部空间全部都进了水,这样它就能保持内外压力的平衡,因此就不会被海水压力压扁了。同样的道理,如果潜艇内部充满了水,它就可以下潜到更深的深度,但这样的潜艇有什么用呢?

延伸阅读:为了适应深海中的生活,鱼类们都做出了哪些改变?

上面所说的抹香鲸,还算不上是真正的深海鱼类,它们只是在捕食的时候会下潜,而且时间比较短暂,通常不会超过两个小时就必须上浮。

而那些真正长年生活在深海中的鱼类,为了适应特殊环境中的生活,它们不得不做出一些改变。

为了适应深海中非常黑暗的环境,生活在海洋深处的鱼类,出于识别同类、寻找配偶、以及觅食的需要,有的鱼类具有发光的本领,不同的鱼类发出不同的亮光。依靠这些亮光,它们可以相互传递信息,并且可以利用亮光来诱捕食物。

而另外一些不会发光的深海鱼类,它们的眼睛也会变得非常奇特。鱼的眼睛通常生长在头的两侧,而深海鱼则不同,它们的眼睛长在头顶。从正面看上去就像是竖起来的两只电灯泡。并且它们的眼睛还能上下左右活动,其眼球的组织结构和望远镜差不多,而且还能自如地调整焦距。这样一对神奇的大眼睛,可以让它们在漆黑一片的深海中来去自如。

不过有的深海鱼却是另辟蹊径。它们的眼睛非常小,有的甚至退化成为没有眼睛的盲鱼。这些鱼类往往长出比自己身体长数倍的触须,用触须来感受周围的环境,感知各种动物的呼吸和游泳时所发出的声波,从而帮助它们在漆黑的深海中寻找食物或躲避敌害。

对于一些实在是没有进化出特殊生存本领的深海鱼来说,由于深海中的食物匮乏,加之它们在行动能力上并不占优,所以要想生存不是件容易的事。不过它们同样也找到了一个适合自己生存的办法。那就是尽量让自己的体形变得很小,只需要很少的食物就能存活很长一段时间。同时它们都很能扛饿,有的甚至可以长时间不进食也不会有生命危险。

(图源网络 侵权删除)

【2】、来自网友【艾伯史密斯】的最佳回答:

答:鲸鱼在下潜过程中,肺部逐渐缩小,使体内压强增加,用来平衡体内外的压强。


水压

水中压强和水深有关 p=ρgh,深度每增加 10.3 米,压强就会增加一个大气压,在 1000 米的深度下,水压高达 97 个大气压,相当于每平方米承受 970 吨的重量。

鲸鱼的身体经过长时间演化,已经进化出适应深海潜水的能力,但也是存在极限的,一般鲸鱼只在 500 米以上的浅水区活动,而抹香鲸最高可以下潜到 2000 米,再深的话鲸鱼身体也承受不了。

而军用核潜艇,一般最大下潜深度在 300 米左右,就算是特制的核潜艇,最大下潜深度也就 700 米,无法和鲸鱼的下潜深度相比较。


原因

当鲸鱼潜入深水区后,鲸鱼的肺部大大缩小,体内压强增加,用来抵抗体外的水压,使得体内外压强平衡,这就是鲸鱼不被压扁的原因;但是鲸鱼体内的压力增加也是有极限的,超过极限之后,鲸鱼身体也无法承受。

由于核潜艇需要载人,人体所处的大气压强,需要保持在 1 个大气压左右,内部压强没有多大调节的余量,于是随着下潜深度的增加,潜水艇内外压强差越来越大。

核潜艇不具备鲸鱼那样,用增加内部压强的方法来抵抗深水压强的能力,只能靠着金属结构硬抗,所以核潜艇的下潜深度非常有限。

但是对于科学研究用的深海潜水器,本身结构简单,还采用了多层逐级增压的结构设计,所以能下潜到海底 1 万米的深度。


其他例子

生物经常用到类似的原理,来适应高压环境,比如在马里纳亚海沟 1 万米处的生物,体内充满高压体液,来平衡体内外压强。

甚至我们人类都是这样做的,一个大气压强为 101.325kPa,相当于每平方米皮肤承受 10 吨的重量,但是我们人类体内的压强也在一个大气压左右,于是体内外压强基本平衡,人体就不会被大气压强压扁。


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