将一块砖扔进马里亚纳海沟,多久能到海底?砖头会被压碎吗?
地球在诞生的46亿年里不断变化,板块和板块之间总是在互相 碰撞和挤压 。
太平洋板块和亚欧板块挤压碰撞的时候,因为亚欧板块比太平洋板块更厚,位置也更高。所以太平洋板块在挤压中越来越低,而欧亚板块则越来越高,世界上最深的海沟—— 马里亚纳海沟 就出现了 。
马里亚纳海沟的平均深度在8000米以上,最深的位置深度甚至达到了11034米 。在这里,哪怕是8848米高的世界第一高峰珠穆朗玛峰,也需要在头顶再摞一个3000多米高的山峰才能堪堪露出水面。
在海底,深度越深,水压越大,所以深海处鲜有生命存活。不过在马里亚纳海沟8000米深的海域里,生活着一种深海狮子鱼。它们骨骼和肌肉被高压锤炼地极有韧性,它们之所以能够在深海生活,是因为它们身体表面有一层可以调节压强的薄膜。
神奇的造物主不仅在这片深不见底的海沟撒下了鱼苗,还在海沟底部播种了珊瑚。还有一些微生物在这里繁衍,马里亚纳海沟也就成了一片安静的世外桃源。
马里亚纳海沟珊瑚
向海沟扔砖头会发生什么?
马里亚纳海沟深不见底,如果我们扔一块砖头下去会发生什么呢?
一般来说,物体在水中会下沉还是上浮取决于它的密度。冰块比水的密度小,所以就会浮在水面。但是石头比水的密度大,所以会在水中下沉。如果把一个物体打造成 中空 的结构,即便它密度大于水,也能具备 上浮 的能力 。比如轮船就是利用了这一特性才能够在大海顺利航行。
船舶内部结构图
因此,想要知道砖头会不会下沉,我们首先需要对比海水和砖头的密度。如果砖头的密度远远大于海水,就会下沉。但如果砖头的密度不能达到下沉标准,就会悬浮在海水中的某一高度。
海水的密度并非一成不变,水中的压强会导致海水密度增大。
比如你在游泳的时候,如果只在水面上露出了脖子,就能清楚地感受到水压带给你的压迫感 。有时甚至会有点喘不上来气的感觉,这就是水下压强与陆地压强不同带来的不同感觉。所以很多潜水员为了能够下潜到一定深度,下水的时候都是带着负重潜水的。
下潜至不同区域的潜水服也不一样
一名潜水员想要下潜到300米的深度,全身都要承受30个大气压的挤压。在这样的环境里,很多人都会患上潜水病。即便是肌肉强健的男性,也因为巨大的压力而无法随意活动身体。
水下的大气压究竟有多大呢?一般来说,水深每增加10米,就会上升1个大气压。压力每升高一个大气压(1.013x10^5pa),水的密度就会上升0.0046%。
虽然这个数字非常小,但是马里亚纳海沟的深度太深了。按照这个数据来换算的话,马里亚纳海沟最深处的大气压大概为 1100个大气压 ,这样的庞大的数据下,水的密度直接达到了 1000千克/立方米 。
11000米的位置海水密度大约为1050千克/立方米。再加上海水中含有各种无机物和矿物杂质,所以密度会更大一点。大致推算下来,马里亚纳海沟最深处的海水密度不超过1080千克/立方米 。
一块普通的砖头密度大概是1800千克/立方米 ,这个密度远超砖头下沉到马里亚纳海沟底部的标准,所以仅从密度上来看,砖头是可以沉到马里亚纳海沟最深处的。
砖头沉入马里亚纳海沟需要多久?
马里亚纳海沟中是含盐量很高的海水,因为海水中包含了盐,密度比淡水密度更大。所以海水的浮力也要比淡水的浮力更大。所以一块砖头在海水中受到的阻力要更大一些。
不过,由于砖头有极强的渗水能力,所以进入海水不久后就会吸收大量的海水,把自己的密度提高到一个峰值。密度增加以后,砖头的下降速度也会大大提高。
就像是你在水桶中放入一块海绵,一开始海绵只会漂浮在水面慢慢吸水。随着时间的推移,海绵吸水的速度会越来越快同时向水中下沉,等到海绵完全吸收满了水分,就会以自身最快的速度沉到水桶底部。
根据有关数据显示,砖头在淡水中下沉时,一开始速度较慢,但是等它下沉的速度达到3米/秒 的时候,就是它的最快速度 。此时,砖头的速度就已经达到了吸收水分的峰值,所以也到了下沉速度的峰值。
但是在海水中,砖头的下降速度会更大。因为海水的密度更大,被吸收到砖头内部后,砖头的质量增加也更多,所以当砖头在海水中吸收海水至饱和状态时,会以2.87米/秒的速度下沉。
如果单纯按路程除以速度等于时间这样的计算方法来看。一块砖头以2.78米/秒的速度,沉到11034米深的马里亚纳海沟底部,需要3907秒。换算成小时的话大概是1.1个小时。但问题比我们想的要复杂一些。因为一块砖头想要沉入水底不仅仅需要考虑压强和密度,更要考虑它 承受的外力 。
砖头在海水中下降时会有三个力同时向它同时施压。一个是它本身的重力会"压"着它下沉,一个是海水的浮力会"托"着它,不让它下沉。还有一个是海水本身的密度阻力,也会阻挡它下沉的步伐。
由于海水密度在深度变化下并不会发生太大变化,所以我们把它看作一个固定的数值。那么唯一会阻碍砖头下降速度的就是砖头下降时的阻力。
在砖头下降的过程中,它的下降的速度取决于它所受力量之和。也就是说,一块砖头的速度要综合考虑所有外力才能得出最终速度。当砖头下降的阻力与砖头的重力减去浮力数值相等,砖头就达到了下降时最快的速度,这个速度也被称之为终端速度。
如果无法理解终端速度,可以看看运动员跳伞的例子。一名运动员乘坐飞机准备跳伞,当他刚刚脱离飞机时,会因为重力而迅速下坠,但此时,空气的阻力减缓了他下坠的速度,这个时候他就在以终端速度坠落。
如果这名运动员以"趴着" 的姿势俯冲跳伞,他的终端速度是55米/秒 。跳伞3秒后就已经达到了终端速度的一半。跳伞8秒后就达到了终端速度的九成,跳伞15秒后就达到了终端速度的九成九。
假如这名运动员是以头朝下"倒栽葱"的姿势自由落体,那么它的终端速度就是俯冲跳伞的5倍左右,可以达到270米/秒。如果这名运动员的质量够大,终端速度甚至可以达到325米/秒 。
由此可见,从物体下坠到抵达终端速度只需要很短的时间。因此我们计算砖头下沉到马里亚纳海沟的时间时,就直接以终端速度进行计算。
砖头下沉于海水时向下的面积越小,阻力也就越小。如果我们用砖头最小的那一面向下一直落,那么它的终端速度就有可能达到2.73米/秒。这样的话,一块砖头沉入马里亚纳海沟的最深处只需要一个小时多一点的时间。
如果砖头一直以最大的一面向马里亚纳海沟的最深处坠落,那么它的终端速度只有3.28米/秒 。这样它下沉的时间则会延长至2.4小时 。当然这些数据都是理想数据,如果真的要做严谨的科学实验,还需要考虑砖头自由落体或者海水暗流涌动等因素。
海水暗涌
砖头下沉过程会碎吗?
有人说,砖头在水中要承受着来自四面八方的压力,说不定还没沉到底,就被压力给击碎了。那么砖头在马里亚纳海沟中会不会被压力挤碎呢?同样,我们通过数据计算揭晓答案。
一块砖头的耐压能力一般为30牛/平方毫米,30牛约等于3千克。也就是说,砖头上每平方毫米可以承受3061克力量的挤压。
一个大气压是0.1牛/平方毫米,1100个大气压就是110牛/平方毫米。也就是说一块砖头在马里亚纳海沟底部时,表面任何一个位置都需要承受大约11千克左右的力量。这远超于砖头3千克的耐压上限。
海沟深处的无人潜水器
仅从砖头的耐压程度来说,砖头在还没有沉到底的时候,就因为承受的压力太大而破碎了。但是结合实际来说,我们考虑的要素不全,所以这个结论 不能作为最终结果 。
因为砖头有一个非常神奇的减压能力,那就是——渗水。砖头在烧制的过程中会出现大量的空隙,这些空隙能够保证砖头在修建房屋时能够有非常好的透气性。见过往砖头上泼水的人都知道,砖头的吸水性非常强。所以被扔进马里亚纳海沟的砖头从接触海水开始就会不断地吸水 。
砖头渗水以后,内部富含大量的海水,因此内外压差变小。所以即便是掉入11000米的海沟,也不会因为压力过大而破碎。
砖头的结构稀疏,如果拿它和硬度一般的石头相撞,砖头一定比不过质地坚硬的石头。但是如果把砖头和石头同时丢入马里亚纳海沟当中,砖头就会化劣势为优势 ,通过自身的空隙吸收海水,弱化海水的对它的作用力。
反而硬度一半的石头因为无法吸收海水,只能通过自身硬度承受海底的巨大压力。一旦海水压力大于石头耐压极限,石头就会在海水中直接破碎。
科学问题不是一拍脑袋就能出结果的,我们只有用规范的物理实验或者严谨的数学分析,才能得出 真正有效的结果 。
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