海洋深处压力究竟有多强？核潜艇都被压碎成废铁,鲸鱼为何没事？

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简单的来说一下这个问题吧。地球又被称为“水球”。70%被水覆盖。所以还有很多未知的部分。人类一直向往太空。而另外一个未知之地。那就是“深海”。一般水深超过200米以后。就可以称为“较深的海域”了。地球上海洋全部计算起来。平均水深大概有3800m。也就是说。地球的平均水深和日本的富士山差不多。

不同领域的水深

水深以后会造成哪些问题。又是什么概念。我想很多人不太明白。我就简单的先对这个方面做一个简要的说明。

水深1~3米

一般人类在海里面裸体潜泳的水深在1~3m之间。稍微专业一点的水肺潜水最多也就是40m左右。太深了也是伴随着很大的风险。

水深100m

受过专业训练的技术性潜水。其界限也就是100m左右。

水深200~300m

不穿潜水服的潜水。目前世界记录为214m。是2007年澳大利亚的一位潜水爱好者达成的。可以说这个深度是人类的极限距离了。

水深300~500m

水肺潜水的记录是332米。和日本的东京塔是一个高度。一般的潜水艇的航行深度为300~500m。

水深500~1000m

南极帝企鹅的最高潜水记录为564m。帝企鹅的潜水能力在同类中是超群的。能够在500m以下的水深情况下。潜水超过20分钟。在这个水深领域。已经生活着一些不常见的深海鱼了。比如在600m左右的深水中。生长着一种叫做“大鳍后肛鱼”的生物。又叫管眼鱼。有着透明的脑袋和管状的眼睛。图片看起来有一些违和感。因为并非是常规的动物。

渐深层（水深1000m~3000m）

超过1000m以后。称为“渐深层”。这个深度几乎是没有阳光可以到达的。可以说是完全黑暗的世界。在水深1300m的地方。生长着一种叫做“哥布林鲨鱼”的生物。据说是1.25亿年前的史前生物。

在水深2000m左右的地方。生长着一种名为“蓬莱鱛”的“恶魔鱼”。体长只有35cm左右。特点就是其头部和牙齿。被科学家认为是为了在深海捕食而进化！

深海层（3000~6000m）

水深达到3000m以后。就可以叫做深海层了。深海层以后。其水温只有1~2℃。水压在300以上。此海层几乎没有鱼类生存。但是却有一个特例。那就是抹香鲸。体长在16~18m。头部巨大。据说一生中有三分之二的时间在深海度过。科学家认为。抹香鲸之所以能够在深海生存。是因为它能够将氧气存储在肌肉中。

超深海层（水深6000m~）

水深超过6000m以后。被称为“超深海层”。水压超过600个气压。那么是一个什么意思呢？当你在6500m的深海游泳时。1平方厘米所受的力大约有680kg。你的手掌之上。相当于站着7头大象。日本载人潜水调查船。曾经在深海6500m工作过。能够在水深6000m以下进行作业的调查船。全世界也只有几艘而已。

为何鲸鱼能够达到那么深的海底？

在对深海的情况有一定的了解以后。我们再讨论一下。为何鲸鱼没有问题。刚才也说了。大约200米的水深之处。就可以被称为“深海”了。水深1000m的地方。1平方厘米所受的压力大约为100kg。那么深海鱼为何没有问题呢？

比如将人类或者钢铁做成的东西放到深海。会有什么样的结果呢？那么会被水压“挤破”。当外部受到足够的压力以后。内部的空气会产生一个向外的力。就像上图一样。当一个钢铁做成的金库。被扔到深海之中时。会因为内部的空气。而从内部开裂。反之。如果你将一个装满水的塑料瓶放到深海中。反而不会被压破。气体要比固体以及液体。更加的不耐压力。

换句话说。内部的空气和外部的压力保持平衡的话。就不会被压破。上图是一个渔夫打到深海鱼之后的场景。上岸以后。深海鱼内脏都突出来了。那是因为内部的压力要高于外部。那么。抹香鲸又是一个什么样的情况呢？抹香鲸的肌肉中。含有大量的肌红蛋白。当潜水的时候。这些肌红蛋白能够吸收很多氧气。一般的哺乳动物潜水的时候。会将空气存储在肺中。而抹香鲸将氧气存储在身体的肌肉之中。抹香鲸的肉呈现红黑色。那就是因为肌红蛋白的原因！

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其他观点：

海洋是一个巨大宝库。各个深度上都有生命生存。著名的鲸中吃货抹香鲸。能一口气潜到2250米；水下8000米处有狮子鱼在玩耍；甚至在11,000多米的马里亚纳海沟。也有微生物存在。

跟这些肉身凡胎相比。钢筋铁骨的军用潜艇就差远喽！

科研用的深潜器像个铁疙瘩。不计成本的用最顶级材料对抗水压。才下潜到11,000米。而军用潜艇一般也就在200~600米水深活动。最厉害的苏联M级潜艇。用钛合金制造。曾下潜到1250米。至今也无人逾越。

其实。潜艇输掉比赛很正常：

海洋中每下降10.3米就增加1个大气压。1000米深处压强为100Mpa。相当于每平方米承受1000吨压力。

这个压力听起来很大啊。但那里的鱼儿表示没感觉。就像我们生活在大气海洋最底层。承受1个标准大气压。相当于10米高水柱压在身上。可我们也没感觉。要不是科学告诉我们有气压存在。我们都不知道那是啥玩意儿。

实际上。压强不是关键。压强差才是。我们把一个敞口玻璃瓶扔到海里。不论它下潜多深。瓶内外压强一样。它都不会形变破碎。

我们体内压强与体外大气压平衡。也不会感觉到压力。如果我们到外太空真空环境。就会面临内压大。身体膨胀的危险。必须穿宇航服保护。

抹香鲸能潜很深。因为它有特殊本领：

1、抹香鲸的胸腔富有伸缩性。肺泡间的隔膜都具有丰富的弹性纤。肺部可随水深变化压缩。缩小的肺停止气体交换。阻止氮气溶解到血液中。

2、抹香鲸的肌红蛋白比其他动物高。血红蛋白浓度也比人类高得多。贮氧能力很强。它在潜水前。就已经把氧气贮存到肌红蛋白和血红蛋白中。供身体运动之用。肌红蛋白表面有电荷。互相排斥。阻止堆积。使其浓度升高也能维持功能。

▲肌红蛋白

3、颅骨内也有相应的构造。咽鼓管与耳朵鼓腔连通。帮助压力平衡。它体内没什么独立的密封空腔。呈一个紧密的整体。保持内外压强平衡。虽然身体有轻微压缩。但不会压扁。

深海鱼类也一样。8000米深水鱼生理结构跟浅水鱼差别很大。它们的骨骼很薄。肌肉柔韧。纤维组织细密。表皮只有薄薄的一层。便于体内外水分交换。

▲8100米狮子鱼

动物的细胞膜并不是封闭的。它像一个有很多门的房间。水可以进来。也可以出去。内外交换压强一致。就化解了压强差带来的压力。

但仅靠压强一致。还不足以解决所有问题。一个泡沫纸杯。沉到1500米水下本身也会被压缩。因为纸里有空间。

生物细胞里也有空间。蛋白质和脂肪也会被压缩。又不象分子、原子间有强大作用力抵抗。为此。深海生物又进化出各种应对方式。

比如提前让蛋白质分子变小。更加紧密；细胞膜用不饱和脂肪酸增强流动性。加快内外交换速度；用三甲胺氧化物（TMAO）加固蛋白质。

其实深海的鱼儿也纳闷。为什么人在压强小的环境中能生存呢？只能说一方水土养一方人。不同的环境造就不同的生物形态。

大潜深肯定有利于潜艇隐蔽。但是艇内有人。要维持标准气压。如果潜艇内部气体增压。能不能增加潜水深度呢？

理论上可以。人体能自我调节。缓慢的适应高压环境。就像500米水深的潜水钟里。潜水员也能呼吸高压混合气体。工作数天才上浮。和风漫谈原创。禁止抄袭。

但问题是。这样的潜艇不能快速上浮。因为高压下氮气溶解在血液中。上浮过快。氮气从血液中析出产生气泡。形成血栓危及生命。导致“减压病”发生。而不能快速上浮的潜艇。有什么战斗力呢？

▲潜水钟

所以。潜艇只能依赖结构设计和金属材料对抗水压。庞大的尺寸、高昂成本。也决定了它不可能任意增厚艇壁。再说。还有很多探测、观察、武器设备要从艇内延伸出来。缝隙处都有巨大应力。

未来。无人潜航器快速发展。不再受人体生理极限约束。内外压强平衡潜得更深。战斗力不可想象。当然。通信、侦察、武器问题也要同步解决才行。

综上。钢筋铁骨的潜艇不如肉体凡胎的抹香鲸。这并不丢脸。我们要向大自然学习的东西还有很多很多。

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其他观点：

海洋深处的水压与深度有关。越深水压越大。与鲸鱼体内自带气压调节不同。核潜艇内部由于人类的存在需要维持一个固定的大气压。内外存在着非常大的压差。但是以现在的技术。想要压成废铁。仍然比较困难。

1、水压的计算

水压的计算非常简单。水压公式如下。其与水的密度、重力加速度、水深成正比。忽略高度变化引起的重力加速度的变化。忽略温度变化引起的水的密度的变化。那么水压与水深成线性关系。如下图。

地球上最深的马里亚纳海沟。水深11034米。取密度1000kg/m3。重力加速度10m/s2。那么最深处的水压为110MPa。约为1个标准大气压的1100倍。

2、核潜艇的受力

假设在最深处。核潜艇受到外压1100atm。内压1atm。如下图。如此巨大的压差。对核潜艇是个非常严峻的考验。对于均匀的球壳。由于水压是三向压缩。球壳会有一定的缩小。但是厚度合适的情况下。不会被压扁。

同理。核潜艇也是一个壳体结构。不管内部如何。只要厚度足够。核潜艇就不会发生压扁的情况。但是。实际情况却远非如此。核潜艇由于各种功能的需求。潜艇表明存在着大小不一的、无数多个开孔结构。这些孔洞的存在减弱了核潜艇的受力。在外载作用下。会在孔洞附近形成应力集中。很容易出现工作应力超出许用应力的情况。为此。需要在这些孔洞附近进行局部加强。潜的越深。加强的就越多。这样会让潜艇失去非常大的机动性。使得潜艇笨重。

通过结构设计。可以满足一定水深下的潜艇的结构强度。这一点在力学上没有任何问题。

3、鲸鱼的受力

鲸鱼的身体类似于潜艇的外壳。所以鲸鱼的受力形式与潜艇类似。外层的水压。和内层的内压。对于潜艇。由于功能需要。内压维持在1个大气压。但是对于鲸鱼。内压不需要维持。可以随着水深而自动调节。这样。内外压始终不会有太大的压差。从而保证鲸鱼不会被压死。

4、总结

潜艇由于功能的需求。内压保持在1个大气压左右。因此内外压差非常巨大。而鲸鱼则会自动调节体内气压。从而抵消掉外部的水压。

从力学的角度。设计一个可到达马里亚纳海沟的潜水艇并不是很困难。我们总可以设计出一个抗110MPa水压的结构。普通金属的强度极限都超过了这个水压。

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