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把一塊磚頭投入馬里亞納海溝,多久會沉底,它會被海水壓碎嗎?
2024/02/07

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綜述

在太平洋的西北部,有一處世界上最恐怖,最危險的海域, 它就是馬里亞納海溝。它的深度 超過了10994米,一直以來,這里都是地球上最為神秘的地方,鮮有人能夠探索,能下潛到海溝底部的潛水器屈指可數。

這個深不見底的海底峽谷,以其絕無僅有的深度和奇異的地質生態吸引了科學家強烈探索欲望。 如果將一塊磚頭扔進海溝,它需要多久才能沉到底部呢?下沉中會不會被強大的水壓擠碎呢?

多久沉到海底

一般而言,磚頭的密度比海水要大,如果將一塊磚頭投進海水中,它必然會在重力的作用下下沉。磚塊在下沉的過程中,還會受到水的浮力。 磚塊下沉的速度越快,受到的浮力也就越大。

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如果不考慮海水流動,海中巖石,生物碰撞等其他因素。那麼磚塊在下沉的過程中,會在重力和浮力的共同作用下,最終保持一個平穩恒定的速度下沉, 這就是「沉降速度」。

要想得知具體的沉降速度,需要知道磚塊密度,體積,和海水密度等數據,并通過不同的公式計算出最終數據。

流體動力學中,計算沉降速度的公式為,而磚塊在海水中下沉,還需要考慮浮力的影響, 浮力F=pgV,所以公式就變成了。

其中Vt表示沉降的速度,m表示磚塊的品質,ρ表示海水的密度,V表示磚塊的體積,g表示重力加速度,S表示磚塊的投影面積,表示海水的阻力系數。

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一塊標準磚的規格一般是0.24m×0.115m×0.053m,將其相乘計算出其體積為0.0014628m³。磚塊的密度一般為1800kg/m³, 可以根據此計算其品質2.663kg。

重力加速度g取10,海水的密度可以取1030kg/m³,長方體在海水中的阻力系數可以取0.82.磚塊如果豎直沉下,其投影面積取最小值0.006095m³,如果是平躺沉下,其投影面積取最大值0.0276m³。

將所有數據代入公式可得,磚塊在海水中下落速度最快≈2.21m/s, 下落速度最慢≈0.995m/s。

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經過計算可以看出,磚塊在海水中下落速度其實是比較慢的。海溝深度如果取值11000米,那麼磚塊最快大約需要4977s, 即82分鐘會沉入海底,最慢大約要11055s,即184分鐘。

海水的壓力

不管是空氣還是海水,都存在一定的壓強。處在地表的海平面的壓強是101.325kPa,定義為一個標準大氣壓。

在海水中,每下潛10米,物體就要多承受一個大氣壓的壓強。 一般而言,普通的潛水器只能下潛300米左右。物體在這個深度要比地面多出整整30個大氣壓,每平方厘米就要承受30公斤的壓力, 這種壓力人體根本無法承受。

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目前世界上不借助裝備,人體下潛深度的世界記錄是113米,在2006年由法國潛水專家吉翁·奈瑞所創造。

馬里亞納海溝深度可達11000米,其底部可以達到1100個大氣壓,這種壓強相當于一個指甲蓋大小的面積, 承受了一輛小轎車的重量,也相當于有2000頭大象一齊踩在人的背上。

一般而言,普通的磚塊分為5個強度等級, 分別是MU10、MU15、MU20、MU25、MU30。這里的10,15和20等數字代表磚塊所能承受的壓強等級,最強的MU30磚塊可以承受30Mpa壓強的壓力。

30Mpa的壓強相當于300個大氣壓,而海溝底部可以達到1100個大氣壓,這麼看來, 磚塊在下落到一定位置時,就會被水壓擠碎。

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磚塊是否會被壓碎

雖然磚塊的強度不足以承受海水的壓強,但這并不代表磚塊在下落過程中就一定會被海水壓碎。

磚塊在下沉中如果只承受海水一個方向的壓力,那麼它肯定會被壓碎。但下沉的磚塊并不會只承受一個方向的壓力,磚塊進入海水,它的四周都會被海水包裹,會承受到多個方向的壓力。

這種情況就屬于三向受壓,在其一向的抗壓強度,會隨著另一向受到壓力的增大而增大。三向受壓情況下,磚塊受到的側向壓力會約束其因橫向壓力而產生的變形, 抑制其內部裂隙的產生,整體抗壓強度會大大提高。

而且磚塊內部具有很多空隙,可以吸水,當海水進入其中后, 又提升了其抗壓能力。磚塊在下沉過程中,內部分子可能會在水壓的作用下發生偏移,但還不至于導致其被擠碎。

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然而,磚塊是否能安然落到海底,還要考慮很多其他因素。比如,海底低溫的環境中,會導致磚塊變得脆弱,增加碎裂的可能性。海洋流動,海水的沖擊,還有水中的懸浮物都可能會對磚塊造成影響。

加上磚塊下落過程中,長時間處于高壓的環境,與諸多其他因素作用到一起, 最終可能會導致磚塊結構受損,化為碎片。

結語

把磚塊扔進海溝,如果忽略掉其他因素, 理論上它大概需要1—3個多小時就會沉入海底。

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但實際需要考慮到多種因素,壓強,海水密度,海水的流動,水溫等因素都會對磚塊造成影響。

這就導致雖然磚塊能夠承受海水壓力,但在復雜的水環境下,依然還可能因為其他因素而破碎。 如果真的將磚塊扔向海溝,那麼它很可能在下沉到一定深度就會被擠碎。碎塊會繼續下沉,繼續被擠壓,水越深,碎塊就會越小,最后化為粉末隨著海水不斷流動。

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