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              物理老師帶你解讀“奮斗者”號萬米深潛

              時間:2022-06-25 17:55 | 欄目:頭條 | 點擊:

              2020年注定是我國科技發展不平凡的一年,11月,又有鼓舞人心的事件精彩亮相——我國自主研制的“奮斗者”號全海深載人潛水器順利完成萬米深潛試驗。這意味著,我國在材料科學、精密加工、自動巡航、水下通信等多個領域的研究邁上了一個新的臺階。再復雜的科學與技術,也有其基本原理。今天,我們運用物理知識,對“奮斗者”號的深潛本領進行一個簡單梳理。

              如何承受海水巨大的壓強

              戴上塑料薄膜手套或乳膠手套,然后把手伸到水下,我們會感到手套緊緊地貼在手上,這是因為液體內部存在壓強。

              在開口的飲料瓶側壁不同高度的地方戳幾個小孔,然后往瓶里注滿水,水會從側壁的小孔噴出來。從下面小孔流出的水,噴得更急。這是因為液體內部越深處,液體的壓強越大。

              物理老師帶你解讀“奮斗者”號萬米深潛

              你也可以試著做一下這個實驗 供圖/銳景創意

              我們不妨用液體內部壓強公式來測算一下。為簡化計算,海水密度取ρ水=1.0×103kg/m3,g取10N/kg,根據p=ρ水gh,我們可以知道,在ρ水與g不變的情況下,p與h成正比。也就是說,深度越深,液體內部的壓強越大。

              需要說明的是,由于含鹽量、溫度、雜質含量、壓強等不同,海面下不同深度、不同地點的海水密度其實是不同的。不同深度、不同地點的g值也是不同的。

              另外,水面還有大氣壓。溫度為0℃、緯度為45°海平面上的氣壓稱為標準大氣壓,約為1.0×105Pa。人體的表面積按2米2計算,則受到的大氣壓力為2×105N。這是一個多大的力呢?相當于一個質量為20噸的物體所受的重力!那么,人為什么沒有被壓壞呢?因為我們體內的液體、氣體同樣有壓強,能夠抵御外界的氣壓。經過漫長的進化,我們早已適應地球的大氣環境,以至于通常情況下我們感受不到氣體在壓我們,這也是人類在很長時間內不知道空氣存在的原因之一。

              海面下,水深每增加10米,海水水壓增加1個標準大氣壓。海面下的物體承受的壓強,是水壓和水面氣壓的總和。

              當我們潛水的時候,2米深的水產生的壓強已經讓我們覺得胸悶。普通人如果不使用任何潛水設備,一般來說只能下潛10米,這個深度已經可以壓垮一輛空油罐車了。如果是專業人員,可以下潛到30~50米(電視劇《狄仁杰》中提到的在邗溝盜鹽的“水鬼”,就是吃潛水飯的漁民),但是渾身都會劇烈疼痛。法國潛水員曾創造113米的裸潛紀錄,當然,這個挑戰是玩命的。

              水下40米處,水壓高達4個標準大氣壓,乒乓球會被壓爆。

              水下300米處,水壓高達30個標準大氣壓。所以潛艇通常在水下300~600米深度活動,如果下潛太深,普通的潛艇材料會被壓成一塊金屬板。冷戰時期,蘇聯研制的M級685型攻擊核潛艇,最大潛深達到了1 250米。但是這艘潛艇屬于科研實驗性質,它的外殼是鈦合金打造的,能承受高壓,不過價格太高了,要花血本。

              玻璃碎片是個硬茬兒吧?700米的深度,普通玻璃會被壓成粉末。

              1 000米的深度,如果溫度低于10℃,連甲烷氣體都會形成水合物——這就是可燃冰。

              物理老師帶你解讀“奮斗者”號萬米深潛

              手握雞蛋時的受力分析示意圖

              這么大的壓強環境,海底還會有生物存在嗎?

              有的,而且非常多。

              和人一樣,海底的魚類也適應了水面下的高壓。我們常吃的帶魚一般生活在20~200米的水層,現在已經可以人工養殖了。200米水深以下的魚,我們稱之為深海魚。有資料顯示,深海龍魚可生活在水下1 500米,吞噬鰻可生活在水下1 800米。水下7 000米處,依然有魚類在活動。超萬米深的馬里亞納海溝,還有生物的蹤跡。這些都是能硬抗的主!

              當深海魚被快速撈出水面時,身體外面承受的壓強大幅度減小,但是體內壓強依然很大,這個致命的壓強差會導致器官和組織內的氧氣、氮氣等從血液析出,魚類會因血液循環受阻或器官破裂而亡,這就是俗稱的“減壓病”。同樣的道理,深水作業的潛水員在下潛過程中,體內壓強也在發生變化,以適應水下的高壓,這個一般容易實現。但是在上浮時,再由高壓恢復到低壓狀態就沒那么容易了,每上升10米都得休息適應一段時間,否則潛水員也會因“減壓病”損傷細胞或器官。

              7 000米水下,鋼板會像紙一張柔弱。此處壓強相當于用手掌托起7輛10噸重的卡車。

              到水下萬米深度處,壓強又會變得多大呢?有人做過計算,這相當于2 000頭非洲象踩在一個人的背上,或者3輛SUV壓在人的大腳趾上!

              如此巨大的壓強,帶來的挑戰可想而知。中國載人深潛研究起步比較晚,從1986年第一艘載人潛水器研制成功,至今也不過35年,但是研發人員劈波斬浪,先后突破了多項核心技術。到“蛟龍”號、“深海勇士”號建造成功,我們已在水下定位、聲吶探測、機械控制、消除母船噪聲、抗洋流干擾、懸停和自動駕駛、動力系統等多個領域積累了豐富的經驗,抗壓材料的技術也走向成熟?!皧^斗者”號更是融合了前兩代裝備的優勢,更進一步。

              載人艙是深潛器的核心,位置偏下方,承受的壓強更大一些。為了讓載人艙在各方向受力均勻,避免應力集中,設計成了球形。我們在小學就學習過,球形外殼的設計可以承受更大的壓強。比如,我們徒手握雞蛋就很難握破。球形設計受力本領強,在理論上和實際應用中都已得到證明。此外,為了更抗壓,深潛器還使用了新型鈦合金材料。

              如何實現下潛和上浮

              我們先來分析一下,潛艇在海洋中是如何實現下潛和上浮的。我們可以從浮力與重力的大小關系、潛艇平均密度與水密度的大小關系這兩個角度來看。

              為簡化分析,我們依然假定海水的密度不變,并假定潛艇在海面之下,外觀體積不變,這樣浸沒在水下時排開海水的體積V排也不變。根據浮力公式F浮=ρ海水gV排,可知浮力不變。當打開潛艇中的空氣艙室,往內灌入海水時,潛艇自重G增大。在液面下,若G=F浮,則潛艇懸??;若G>F浮,則潛艇下潛。如果往空氣艙室壓入空氣,將海水排出,則潛艇自重G減小,當G<F浮時,潛艇上浮。

              從密度角度看,也很好理解。調節灌入艙室內的海水,就可以調節潛艇的平均密度。當潛艇平均密度大于海水密度時,潛艇就能下潛;當潛艇平均密度等于海水密度時,潛艇在海面下懸??;當潛艇平均密度小于海水密度時,潛艇就能上浮,最終漂浮。

              物理老師帶你解讀“奮斗者”號萬米深潛

              潛艇下潛、上浮原理圖 供圖/視覺中國

              那么,深潛器也是使用這種方法嗎?不行,實現不了。前面分析過,海水越深,海水的壓強就越大。潛艇活動的海水深度一般為300~600米,這個深度的水壓為30~60個標準大氣壓。想要將空氣艙室里的海水排出,加在空氣艙室的空氣壓強也就需要30~60個標準大氣壓,設備和技術手段是可以做到的。但是在萬米深度,海水壓強約為1 000個標準大氣壓,深潛器的實際條件無法產生這么大的高壓。此招行不通。

              物理老師帶你解讀“奮斗者”號萬米深潛

              深潛器上浮示意圖

              那么,深潛器是如何下潛和上浮的呢?重點靠兩招。

              第一,改變自重或自身平均密度。

              人抱著一塊石頭,可以順利地潛到水下。如果我們想浮起來,只要把石頭丟掉就行了。丟掉石頭后,浮力減小得不多,但重力減小了很多。深潛器也采用了類似的方法,只不過帶的不是石頭,而是壓載鐵?!皧^斗者”號身上裝配了4塊壓載鐵,總質量將近2噸。當“奮斗者”號準備上浮時,它會拋掉2塊壓載鐵,上浮就容易得多了。由G=mg=2×103kg×10N/kg=2×104N可知,2噸的壓載鐵都拋掉的話,深潛器可多獲得約1.75×104N的額外浮力(壓載鐵本身所受浮力約為2 500N)。

              第二,穿件“救生衣”,幫助上浮。

              因救生衣的密度小于我們人體密度,所以可以給我們提供額外的浮力;或者把人體和救生衣看成一個整體,平均密度小于水,易于上浮。

              深潛器的這件“救生衣”,我們稱為浮力材料。它可以降低深潛器的整體密度,或者說為深潛器提供額外的浮力。

              假定浮力材料密度為ρ=0.5×103kg/m3,體積V=1m3,g取10N/kg,海水密度取ρ水=1.0×103kg/m3,則浮力材料自身所受重力大小G=ρgV=0.5×103kg/m3×10N/kg×1m3=5 000N,而所受浮力大小F浮=ρ水V排g=1.0×103kg/m3×1m3×10N/kg =10 000N,這樣浮力與重力就有了△F=F?。璆=5 000N的差值,這個5 000N的差值就稱為凈浮力。也就是說,穿“救生衣”的深潛器與不穿“救生衣” 的深潛器相比,多出了5 000N的浮力。大家也可以看出,海水密度與浮力材料的密度之比越大,這種材料的有效載荷能力越高。

              一般來說,浮力材料在潛水器上部比較多,這樣可以幫助深潛器保持直立姿態。

              說起來容易,要想真正制造出這樣的浮力材料,就不是一件容易的事情了。

              深海水壓很大,材料必須耐壓;在海水高鹽環境中,材料必須耐腐蝕;海面下復雜的水流會沖刷,因此材料還必須耐磨……不僅如此,當材料附著在主體結構外面時,還必須考慮到不能從主體結構上脫落,考慮到整體的比重分布,考慮到外觀的流線型設計,等等。

              “奮斗者”號采用的固體浮力材料為微米級大小的空心玻璃微珠,具有密度小、耐磨耐高溫、隔音隔熱、電絕緣等多方面優點,抗壓能力超過110MPa。這是我國科研工作者連續多年研發的成果。

              重力分布也很關鍵

              我們都折過紙飛機,折紙對左右對稱要求很高,前后的重力分布也很有講究。如果紙飛機重力分布不科學,飛行時就會出現栽頭、轉彎、運動軌跡不規則等多種狀況。真正的民航客機是非常重視配載的,乘客位置、行李擺放、貨艙的貨物堆放、燃油質量的變化,都會對飛機的重力分布產生影響。印尼獅航曾有一段時間經常發生事故,以至于被歐盟禁止飛往歐洲,發生事故的原因之一就是計算飛機重力分布的手段落后。

              物理老師帶你解讀“奮斗者”號萬米深潛

              “奮斗者”號的重力分布對維持自身平衡也很關鍵

              深潛器與飛機類似,如果重力分布不合理,在下潛或上浮過程中的平衡就會受影響。對于深潛器而言,里面的空間非常寶貴,可謂寸土寸金。2012年,卡梅隆駕駛自己設計的“深海挑戰者”號下潛時,整個人只能彎腰駝背地窩在直徑只有109厘米的鋼球駕駛艙里,他還專門為此練習了瑜伽。

              因此,在深潛器的設計中,對于質量是能去則去,而對于空間是能摳就摳。

              海面下還有潛在的威脅嗎

              對深潛器造成影響的,還遠不止因海水受重力作用而產生的壓強。

              看似平靜的海面下兇險異常。海水因鹽度、溫度、密度存在差異,會形成水下界面,稱為躍層。界面大家并不陌生,海面是海水和大氣的界面,玻璃表面是空氣和玻璃的界面。說句笑話,我們的臉面其實就是空氣和我們臉的界面。當光由透明介質照射到不透明介質的界面時,比如光由空氣照射到平面鏡的表面,一部分會反射到原來的介質(空氣)中,遵守光的反射規律;一部分被平面鏡表面吸收,導致溫度升高。如果是光斜射到水面,除了反射的那部分和吸收的那部分,還有部分折射到水下。聲音也會發生反射和折射。但是在海面下,情況就復雜了。海洋內部的密度界面受到外部擾動時,會發生內部波動,即內波,與海面波相對。海水密度的層間變化很小,躍層上下的密度差約為0.1%,只要有很小的擾動,就會產生內波。海洋中內波分布廣,隨機性強,波速較小,波長范圍會從幾十米到幾十千米,振幅會從幾米到百米。內波界面的兩側,有很大的海水流速差,從而對水下物體產生很大的剪切力,甚至可以讓鋼纜斷裂。1963年4月10日,美國海軍“長尾鯊”號核潛艇沉沒,艇上129人無一生還,這是人類歷史上第一次核潛艇沉沒事故,很多專家懷疑就是內波在作祟。

              海面下洋流環境復雜,波浪共振、浮體結構共振響應還會導致深潛器的升降、晃蕩、扭轉,渦流振動、湍流振動等還會誘發深潛器外殼材料疲勞破壞,等等。

              我們可以體驗一下,雙手握住一截鐵絲的兩端,將其反復彎折。彎折處溫度會越來越高(通過做功,機械能轉化為內能),最終鐵絲會斷裂,這就是疲勞破壞。海面下,那些變幻莫測的海水就如同我們的雙手,時刻對深潛器產生作用。

              物理老師帶你解讀“奮斗者”號萬米深潛

              海面下還潛藏著無數的威脅

              此外,在材料的制造過程中,由于分子和原子排列得不均勻,會讓材料產生肉眼難以看到的微小裂紋。當深潛器下潛時,受壓不斷增大,會導致材料內部裂紋迅速擴展,最終導致宏觀斷裂。這種斷裂事先很難發現征兆,稱為脆性斷裂。不過可以告訴大家,“奮斗者”號使用的新鈦合金在斷裂韌性等綜合指標上完全滿足深潛要求。

              人類是怎么“看到”海底的

              可見光照射到海水后,隨著深度加深而逐漸削弱。紅光和橙光的穿透距離不到10米,綠光和藍光最多可達到100米,但光強減弱99%。另外,海水透明度的差異也會導致光線穿透距離的不同,能夠抵達1 000米水深的光只有極少量。由于可見光很難穿透海水,所以無法用可見光直接觀察水下。相比而言,藍光在水下的穿透能力是最強的,但是即使海水的透明度很高,光前進100米,光強也會衰減到只剩1%。

              深海里沒有陽光,所以生命也無法進行光合作用。目前研究表明,生物依靠海底熱泉中化學物質的能量,形成了獨特的生態鏈。

              電磁波也很難穿透海水,所以難以用來探測海底。海水平均深度為3 800米,遙感技術也難以穿透。

              初中物理提到,利用超聲波的反射可以發現潛艇、魚群等水下目標,還能測繪海底地形。需要告訴大家的是,使用聲吶裝置探測海底,隨著水體變深,測量的精度會變差。如果到4 000米深度,可分辨的最高精度只有10米左右。目前通過聲吶探測過的海底,僅占地球海底面積的10%。

              還有一種方法是利用重力加速度的微小變化,高中會學習到相關知識。海水較淺的地方,海面到海底距離短,因海底巖石密度比海水大,根據萬有引力定律,此處重力加速度會較大,這樣就會聚集更多的海水,導致海平面略高?,F在人造衛星對海面高度的測量精度可以達到毫米級,根據數據可測算出水平方向的水深分布,但是對海底地形的了解精度只能達到數千米。

              物理老師帶你解讀“奮斗者”號萬米深潛

              “滄?!碧栐谌f米海底拍攝的“奮斗者”號

              2020年11月13日,深海著陸器“滄?!碧柡汀皧^斗者”號分別坐底馬里亞納海溝后,確定彼此位置用的是聲學定位。大家在電視直播中看到,“滄?!碧栂颉皧^斗者”號發出藍綠色的光,引導“奮斗者”號向它移動。之所以使用藍綠色的燈光,就是因為不易被海水吸收。至于電視實時直播,則是“奮斗者”號艙內的攝像頭將拍攝的畫面編碼,通過激光發射器傳給“滄?!碧?,由“滄?!碧栟D換為數字畫面,通過光纜傳送到海面的母船,母船將信號傳給通信衛星就OK了。

              人類終于看到萬米海底的實時高清畫面!

              距離人類1960年首次探底馬里亞納海溝,已經過去了一甲子!

              “奮斗者”號深潛,所涉及的科學知識遠遠不止這些,還有設備、電纜、儀器在海水中的防腐問題,液壓系統的可靠性問題,鋰電池的溫度升高問題,等等。我們掌握的知識越多,理解也會越深刻。深海蘊含豐富的資源,深海隱藏著太多的秘密,我們對深海了解還很少。在海洋強國目標的激勵下,我們“深潛、深網、深鉆、深漁”的技術必將不斷進步,我國的科研工作者一定能為全球海洋開發事業作出原創性、奠基性貢獻。

              作者:張軍

              作者單位:南京市玄武高級中學

              原文刊載《科學大眾》雜志2021年1-2期

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