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鯨魚潛入萬米深都沒事,為什麼鋼鐵打造的潛艇在水下容易被壓扁?

答:鯨魚在下潛過程中,肺部逐漸縮小,使體內壓強增加,用來平衡體內外的壓強。


水壓

水中壓強和水深有關p=ρgh,深度每增加10.3米,壓強就會增加一個大氣壓,在1000米的深度下,水壓高達97個大氣壓,相當於每平方米承受970噸的重量。

鯨魚潛入萬米深都沒事,為什麼鋼鐵打造的潛艇在水下容易被壓扁?

鯨魚的身體經過長時間演化,已經進化出適應深海潛水的能力,但也是存在極限的,一般鯨魚隻在500米以上的淺水區活動,而抹香鯨最高可以下潛到2000米,再深的話鯨魚身體也承受不瞭。

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而軍用核潛艇,一般最大下潛深度在300米左右,就算是特制的核潛艇,最大下潛深度也就700米,無法和鯨魚的下潛深度相比較。


原因

當鯨魚潛入深水區後,鯨魚的肺部大大縮小,體內壓強增加,用來抵抗體外的水壓,使得體內外壓強平衡,這就是鯨魚不被壓扁的原因;但是鯨魚體內的壓力增加也是有極限的,超過極限之後,鯨魚身體也無法承受。

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由於核潛艇需要載人,人體所處的大氣壓強,需要保持在1個大氣壓左右,內部壓強沒有多大調節的餘量,於是隨著下潛深度的增加,潛水艇內外壓強差越來越大。

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核潛艇不具備鯨魚那樣,用增加內部壓強的方法來抵抗深水壓強的能力,隻能靠著金屬結構硬抗,所以核潛艇的下潛深度非常有限。

但是對於科學研究用的深海潛水器,本身結構簡單,還采用瞭多層逐級增壓的結構設計,所以能下潛到海底1萬米的深度。


其他例子

生物經常用到類似的原理,來適應高壓環境,比如在馬裡納亞海溝1萬米處的生物,體內充滿高壓體液,來平衡體內外壓強。

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甚至我們人類都是這樣做的,一個大氣壓強為101.325kPa,相當於每平方米皮膚承受10噸的重量,但是我們人類體內的壓強也在一個大氣壓左右,於是體內外壓強基本平衡,人體就不會被大氣壓強壓扁。


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更多觀點:

潛艇是舉世公認的戰略性武器,為各個軍事大國所重點研發的武器之一。

衡量一艘潛艇的好壞,無非是操作系統、動力裝置、軍事武裝、導航、探測等幾個方面,當然其中一個重要因素——下潛深度。

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大多數國傢的潛艇下潛深度都在300-400米之間,美國的“海浪號”的下潛深度是650米,而俄羅斯的S I 和S II級別潛艇,下潛深度能夠達到700-800米之間。

影響潛艇下潛深度最為關鍵的是制作材料,這也是研發重點。另外則是外觀、焊接工藝。

影響潛艇潛水深度的最關鍵因素是氣壓。潛艇下潛越深,承受的壓力越大。通常來說,潛艇每下潛十米,就會承受一個大氣壓的壓強。因此,當潛艇下潛到500米時,它所承受的壓強就會達到50個左右。也就是說,在這樣的環境下,潛艇每平方米承受的重量為50噸,一旦超過瞭潛艇表面材料的承受極限,會逐漸把潛艇壓扁。
鯨魚潛入萬米深都沒事,為什麼鋼鐵打造的潛艇在水下容易被壓扁?

從仿生學的角度講,潛艇是科學傢仿照鯨的許多特性而發明研制的。可是鯨的潛水深度卻比潛艇厲害的多。 小齒型鯨潛水深度是在100-300米左右,長須鯨能在300到500米水下停留一小時左右。最大齒的抹香鯨的潛水能力更驚人,可以在一千米左右的水下停留2小時之久。

60多年前,人們厄瓜多爾附近海域1100多米的深海中,發現瞭被海底電纜纏死的抹香鯨。這是人類迄今為止發現鯨潛水的最深記錄。

我們都知道,潛艇是由高強度的金屬制成的,潛水深度還隻在500米左右,而鯨這種渾身是肉的動物卻可以在幾百米到千米左右的深度自由遊動。究竟是什麼原因,能讓鯨可以勝過鋼鐵呢?
鯨魚潛入萬米深都沒事,為什麼鋼鐵打造的潛艇在水下容易被壓扁?

雖然鯨的祖先是生活在陸地的,但鯨在海裡已經生活瞭上萬年,經過長期的進化,鯨的器官組織和某些功能也發生瞭很大變化,已經完全適應瞭海洋生活環境。

鯨的身體變化首先表現在肌肉和骨骼上。由於深海環境的巨大水壓作用,鯨的骨骼變得非常薄,而且容易彎曲;肌肉組織變得特別柔韌,纖維組織變得出奇的細密。

鯨長期的深海生活,它的肋骨,胸骨,頸椎骨的鏈接處是松弛可以收縮的。 隨著潛入深度的增加,鯨魚的肺會越來越小,最後收縮到一定程度以後,體外的骨頭起到保護的作用,可以增強它抗壓能力。而且長期的水下生活讓鯨的表皮組織變成一層非常薄的層膜,它能使鯨體內的生理組織充滿水分,保持體內外壓力的平衡。

還有一點,鯨在進入深之前,就在自己身體內蓄滿瞭水,用來呼吸,經過一段時間再到水面上噴出巨大的水柱來換氣。這樣鯨在海底就不用張口呼吸壓強大的海水,也使自己保持較好的抗壓能力。鯨體內的水可以讓自己體內的壓強和海水對鯨體表的壓強基本持平,鯨魚就可以承受巨大的壓強。

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而潛艇就不同瞭,潛艇在設計的時候不但要考慮潛艇表面的抗壓承受能力,還要考慮到潛水員在潛艇裡的生活環境和長時間水下生活的適應能力。

用最簡單的話說——鯨魚是實心的,而潛艇因為要有人操作,必須是空心的。

如果是無人駕駛的話,潛艇完全可以抗的住更大的壓強,在更深的海底航行。早在上世紀六十年代,人類發明的無人探測船就可以在萬米深的水下進行科學考察。人類深海考察的最深記錄是1957年蘇聯的考察船在馬裡亞納海溝創造,考察船當時到達瞭馬裡亞納海溝11929米的深處。

而現代科技下,哪怕人類用瞭比黃金貴上好幾倍的鈦合金,所制造的潛艇也不過能潛水千米左右。大自然的產物勝過人類最高端的科技,這也是自然值得我們尊敬的原因啊!


更多觀點:

海水壓力,是指一定高度的海水柱作用給其底部1平方厘米面積上的力。深度每增加10米,壓力就要增加一個大氣壓,海底1000米,壓力大概為100個大氣壓。一個大氣壓是0.1Mpa,也就是1公斤壓力每平方厘米。100個大氣壓就是10MPa。10Mpa壓力是極為恐怖的,每平方米承受1000噸的重量。

鯨魚潛入萬米深都沒事,為什麼鋼鐵打造的潛艇在水下容易被壓扁?

鯨魚, 作為大海的霸主,其潛水能力很強。但是,要糾正一點,即使是鯨魚也無法潛入10000米深。長須鯨可在水下300-500米處待上1小時。齒鯨道抹香鯨能潛至兩千米,並在水中持續2小時。萄牙首都裡斯本權附近海域的2200米水深處,發現被電纜纏繞而窒死的抹香鯨,這是迄今為止哺乳動物潛水最深的記錄。

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2200米深度,就相當於2000多噸的壓力作用在鯨魚的身體上。血肉之軀是如何扛得住恐怖壓強的呢?

不得不感嘆造物的神奇,鯨魚雖然是哺乳動物,但也具備魚類的一切外形特征。為適應環境,鯨魚的肌肉組織變得特別柔韌,纖維組織極為的細密,骨骼容易彎曲,尤其魚皮能使魚體內的生理組織充滿水分,保持體內外壓力的平衡。

鯨魚潛入萬米深都沒事,為什麼鋼鐵打造的潛艇在水下容易被壓扁?

不僅如此,鯨魚還有特殊的生理結構來抵抗水中壓強。就拿抹香鯨來說,其大腦中有一種腦油物質,腦油在低於29度溫下慢慢凝固,這樣就使得密度增大,重心前移,便能潛入更深,在深水區中,鯨的肋骨與胸骨、脊椎骨的連接很松弛,潛水中隨外界壓力的增大而收縮,肺也隨之收縮,水深約到100米以下肺泡就完全收縮起來,不再進行氣體交換,鯨魚的血液會富含氧氣,而肺部卻能大大縮小,這樣的狀態下,鯨魚身體內部壓強足以抵抗外部水壓,而肺部不會受到傷害。

潛艇的艇殼由耐壓板,網狀支撐系統和主受力結構構成,這種剛性結構在下潛中,不能像鯨魚一樣軟性調節,隻能靠應力支撐。

鯨魚潛入萬米深都沒事,為什麼鋼鐵打造的潛艇在水下容易被壓扁?

潛艇下潛時,潛艇的耐壓結構要承受強大的深水壓力。潛艇的耐壓結構的部位有耐壓船體、耐壓指揮室、耐壓液艙和橫艙壁等。潛艇的耐壓船體一般由高強度鋼質殼板、肋骨和橫隔壁等構成。殼板是保證潛艇強度的主要構件,肋骨呈環形,橫向地佈置在殼體內部或外部。現代潛艇的耐壓結構強度可以保證潛艇下潛到300~900米的深海。一旦潛艇外部高強度鋼板無法支撐海水壓力時,充滿空氣的潛艇內部與外部海水之間的壓差會擠癟整個潛艇,就如同氣球被壓爆。

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