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把一块砖头投入马里亚纳海沟,多久会沉底,它会被海水压碎吗?

2024-02-04科学

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综述

在太平洋的西北部,有一处世界上最恐怖,最危险的海域, 它就是马里亚纳海沟。 它的深度 超过了10994米 ,一直以来,这里都是地球上最为神秘的地方,鲜有人能够探索,能下潜到海沟底部的潜水器屈指可数。

这个深不见底的海底峡谷,以其绝无仅有的深度和奇异的地质生态吸引了科学家强烈探索欲望。 如果将一块砖头扔进海沟,它需要多久才能沉到底部呢? 下沉中会不会被强大的水压挤碎呢?

多久沉到海底

一般而言,砖头的密度比海水要大,如果将一块砖头投进海水中,它必然会在重力的作用下下沉。砖块在下沉的过程中,还会受到水的浮力。 砖块下沉的速度越快,受到的浮力也就越大。

如果不考虑海水流动,海中岩石,生物碰撞等其他因素。那么砖块在下沉的过程中,会在重力和浮力的共同作用下,最终保持一个平稳恒定的速度下沉, 这就是「沉降速度」。

要想得知具体的沉降速度,需要知道砖块密度,体积,和海水密度等数据,并通过不同的公式计算出最终数据。

流体动力学中,计算沉降速度的公式为 ,而砖块在海水中下沉,还需要考虑浮力的影响, 浮力F=pgV ,所以公式就变成了 。

其中Vt表示沉降的速度,m表示砖块的质量,ρ表示海水的密度,V表示砖块的体积,g表示重力加速度,S表示砖块的投影面积, 表示海水的阻力系数。

一块标准砖的规格一般是0.24m×0.115m×0.053m,将其相乘计算出其体积为0.0014628m³。砖块的密度一般为1800kg/m³, 可以根据此计算其质量2.663kg。

重力加速度g取10,海水的密度可以取1030kg/m³,长方体在海水中的阻力系数可以取0.82.砖块如果竖直沉下,其投影面积取最小值0.006095m³,如果是平躺沉下,其投影面积取最大值0.0276m³。

将所有数据代入公式可得 ,砖块在海水中下落速度最快≈2.21m/s, 下落速度最慢≈0.995m/s。

经过计算可以看出,砖块在海水中下落速度其实是比较慢的。海沟深度如果取值11000米,那么砖块最快大约需要4977 s, 即82分钟会沉入海底,最慢大约要11055s,即184分钟。

海水的压力

不管是空气还是海水,都存在一定的压强。处在地表的海平面的压强是101.325kPa ,定义为一个标准大气压。

在海水中,每下潜10米,物体就要多承受一个大气压的压强。 一般而言,普通的潜水器只能下潜300米左右。 物体在这个深度要比地面多出整整30个大气压,每平方厘米就要承受30公斤的压力, 这种压力人体根本无法承受。

目前世界上不借助装备,人体下潜深度的世界记录是113米,在2006年由法国潜水专家吉翁·奈瑞所创造。

马里亚纳海沟深度可达11000米,其底部可以达到1100个大气压,这种压强相当于一个指甲盖大小的面积, 承受了一辆小轿车的重量,也相当于有2000头大象一齐踩在人的背上。

一般而言,普通的砖块分为5个强度等级, 分别是MU10、MU15、MU20、MU25、MU30。这里的10 ,15和20等数字代表砖块所能承受的压强等级,最强的MU30砖块可以承受30Mpa压强的压力。

30Mpa的压强相当于300个大气压,而海沟底部可以达到1100个大气压,这么看来, 砖块在下落到一定位置时,就会被水压挤碎。

砖块是否会被压碎

虽然砖块的强度不足以承受海水的压强,但这并不代表砖块在下落过程中就一定会被海水压碎。

砖块在下沉中如果只承受海水一个方向的压力,那么它肯定会被压碎 。但下沉的砖块并不会只承受一个方向的压力,砖块进入海水,它的四周都会被海水包裹,会承受到多个方向的压力。

这种情况就属于三向受压,在其一向的抗压强度,会随着另一向受到压力的增大而增大。三向受压情况下,砖块受到的侧向压力会约束其因横向压力而产生的变形, 抑制其内部裂隙的产生,整体抗压强度会大大提高。

而且砖块内部具有很多空隙,可以吸水,当海水进入其中后, 又提升了其抗压能力。 砖块在下沉过程中,内部分子可能会在水压的作用下发生偏移,但还不至于导致其被挤碎。

然而,砖块是否能安然落到海底,还要考虑很多其他因素。 比如,海底低温的环境中,会导致砖块变得脆弱,增加碎裂的可能性。海洋流动,海水的冲击,还有水中的悬浮物都可能会对砖块造成影响。

加上砖块下落过程中,长时间处于高压的环境,与诸多其他因素作用到一起, 最终可能会导致砖块结构受损,化为碎片。

结语

把砖块扔进海沟,如果忽略掉其他因素, 理论上它大概需要1—3个多小时就会沉入海底。 但实际需要考虑到多种因素,压强,海水密度,海水的流动,水温等因素都会对砖块造成影响。

这就导致虽然砖块能够承受海水压力,但在复杂的水环境下,依然还可能因为其他因素而破碎。 如果真的将砖块扔向海沟,那么它很可能在下沉到一定深度就会被挤碎。 碎块会继续下沉,继续被挤压,水越深,碎块就会越小,最后化为粉末随着海水不断流动。

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