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物理老师带你解读“奋斗者”号万米深潜

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张军

2020年注定是我国科技发展不平凡的一年，11月，又有鼓舞人心的事件精彩亮相——我国自主研制的“奋斗者”号全海深载人潜水器顺利完成万米深潜试验。这意味着，我国在材料科学、精密加工、自动巡航、水下通信等多个领域的研究迈上了一个新的台阶。

再复杂的科学与技术，也有其基本原理。今天，我们运用物理知识，对“奋斗者”号的深潜本领进行一个简单梳理。

戴上塑料薄膜手套或乳胶手套，然后把手伸到水下，我们会感到手套紧紧地贴在手上，这是因为液体内部存在压强。

在开口的饮料瓶侧壁不同高度的地方戳几个小孔，然后往瓶里注满水，水会从侧壁的小孔喷出来。从下面小孔流出的水，喷得更急。这是因为液体内部越深处，液体的压强越大。

我们不妨用液体内部压强公式来测算一下。为简化计算，海水密度取P水=1.0×103kg/m3，g取10N/kg，根据p=p水gh，我们可以知道，在p水与g不变的情况下，p与h成正比。也就是说，深度越深，液体内部的压强越大。

需要说明的是，由于含盐量、温度、杂质含量、压强等不同，海面下不同深度、不同地点的海水密度其实是不同的。不同深度、不同地点的g值也是不同的。

另外，水面还有大气压。温度为0℃、纬度为45°海平面上的气压称为标准大气压，约为1.0×105Pa。人体的表面积按2米2计算，则受到的大气压力为2×105N。这是一个多大的力呢？相当于一个质量为20吨的物体所受的重力！那么，人为什么没有被压坏呢？因为我们体内的液体、气体同样有压强，能够抵御外界的气压。经过漫长的进化，我们早已适应地球的大气环境，以至于通常情况下我们感受不到气体在压我们，这也是人类在很长时间内不知道空气存在的原因之一。

海面下，水深每增加10米，海水水压增加1个标准大气压。海面下的物体承受的压强，是水压和水面气压的总和。

当我们潜水的时候，2米深的水产生的压强已经让我们觉得胸闷。普通人如果不使用任何潜水设备，一般来说只能下潜10米，这个深度已经可以压垮一辆空油罐车了。如果是专业人员，可以下潜到30-50米（电视剧《狄仁杰》中提到的在邗沟盗盐的“水鬼”，就是吃潜水饭的渔民），但是浑身都会剧烈疼痛。法国潜水员曾创造113米的裸潜纪录，当然，这个挑战是玩命的。

水下40米处，水压高达4个标准大气压，乒乓球会被压爆。

水下300米处，水压高达30个标准大气压。所以潜艇通常在水下300-600米深度活动，如果下潜太深，普通的潜艇材料会被压成一块金属板。冷战时期，苏联研制的M级685型攻擊核潜艇，最大潜深达到了1250米。但是这艘潜艇属于科研实验性质，它的外壳是钛合金打造的，能承受高压，不过价格太高了，要花血本。

玻璃碎片是个硬茬儿吧？700米的深度，普通玻璃会被压成粉末。

1000米的深度，如果温度低于10℃，连甲烷气体都会形成水合物——这就是可燃冰。

这么大的压强环境，海底还会有生物存在吗？

有的，而且非常多。

和人一样，海底的鱼类也适应了水面下的高压。我们常吃的带鱼一般生活在20-200米的水层，现在已经可以人工养殖了。200米水深以下的鱼，我们称之为深海鱼。有资料显示，深海龙鱼可生活在水下1500米，吞噬鳗可生活在水下1800米。水下7000米处，依然有鱼类在活动。超万米深的马里亚纳海沟，还有生物的踪迹。这些都是能硬抗的主！

当深海鱼被快速捞出水面时，身体外面承受的压强大幅度减小，但是体内压强依然很大，这个致命的压强差会导致器官和组织内的氧气、氮气等从血液析出，鱼类会因血液循环受阻或器官破裂而亡，这就是俗称的“减压病”。同样的道理，深水作业的潜水员在下潜过程中，体内压强也在发生变化，以适应水下的高压，这个一般容易实现。但是在上浮时，再由高压恢复到低压状态就没那么容易了，每上升10米都得休息适应一段时间，否则潜水员也会因“减压病”损伤细胞或器官。

7000米水下，钢板会像纸一张柔弱。此处压强相当于用手掌托起7辆10吨重的卡车。

到水下万米深度处，压强又会变得多大呢？有人做过计算，这相当于2000头非洲象踩在一个人的背上.或者3辆SUV压在人的大脚趾上！

如此巨大的压强，带来的挑战可想而知。中国载人深潜研究起步比较晚，从1986年第一艘载人潜水器研制成功，至今也不过35年，但是研发人员劈波斩浪，先后突破了多项核心技术。到“蛟龙”号、“深海勇士”号建造成功，我们已在水下定位、声呐探测、机械控制、消除母船噪声、抗洋流干扰、悬停和自动驾驶、动力系统等多个领域积累了丰富的经验，抗压材料的技术也走向成熟。“奋斗者”号更是融合了前两代装备的优势，更进一步。

载人舱是深潜器的核心，位置偏下方，承受的压强更大一些。为了让载人舱在各方向受力均匀，避免应力集中，设计成了球形。我们在小学就学习过，球形外壳的设计可以承受更大的压强。