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肉做的鲸能轻松下潜2000米,为何钢铁之躯的潜艇却不行?

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网友提问:



因为力学性质不同。

同样是2000米,潜艇承受的压强,超过鲸的50倍。



鲸和潜艇,都可以看做是空心的圆柱体。

潜入水中,体壁主要受到三种应力(单位面积受力,即压强):



◆ 水对头尾产生的压强,为轴向压强-Longitudinal Stress(纵向应力);

◆ 水对体壁切线方向的压强,为周向压强-Circumferential Stress(环向应力) ;

◆ 水对横截面圆心方向的压强,为径向压强

有网友给出了一个公式:



这其实是,薄壳圆管的环向压强公式。

是的,是压强公式。

他这个公式里的 f,其实是不对的。

管径D与管壁厚T约掉后是常数,乘以压强,结果只能是压强,而不是力,若用 f 还需要乘以面积。

对于薄壳圆管来说,压强公式为:


这里的σH,也即环向压强σθ,即这位知友误用的 f,σL为纵向压强,薄壳一般不考虑径向压强σr

除了公式本身的问题外,这个受力分析,也仅仅适用于薄壳圆管。

对于深海生物的体腔以及深潜器腔体来说,并不是薄壳,而是厚壁的,薄壳公式自然不太适用。

需要在厚壁条件下,进行受力分析:



可以看出,厚壁的受力情况比薄壳复杂得多。

可得:

纵向压强;

环向压强;

径向压强

  • 为内径, 为外径, 为平均半径。
  • 为内部压强, 为外部压强。

从公式可以看出,生物体或深潜器在深海受到的纵向压强是最小,受到的环向压强是最大的。

对于强度比较均匀的生物体或深潜器,能够抵抗环向应力,那么也当能抵抗纵向以及径向应力。

要在深潜时不受损,生物体或深潜器的抗压强度,至少需要达到:


  • 通水管道的内部压强大于外部压强,而深潜是外部压强大于内部压强,所以,受力方向是相反的。

这个公式看起来,还比较复杂。

引入外径与内径的比值(径比) ,对公式进行简化。

再引入内外与径的压强差

得:

当 ,函数是单调递减的。



那么我们可以得出这样的结论——

对于相同大小的鲸和深潜器(外径 相同),当潜水深度相同(外部压强 相同),内部压强也相同时:

鲸和深潜器承受的最大压强,随着内径 的减小而减小。

当鲸和深潜器变成实心时, ,受到的最大压强最小,正好等于外部压强。

在2000米深海,水的外部压强为:

钢材的强度通常在几百Mpa以上:



对于实心钢材来说,不说是2000米,哪怕是超过10000米的马里亚纳海沟,也不会出现明显的变形。

大多数的深海鱼,可以让身体内部的压强和外部压强相同。

所以,它们身体需要承受的最大压强,其实和外部的海水压强一样的。

最需要考虑的,其实是它们的皮肤能否承受这么大的压强。

对于人类来说,人体皮肤强度的典型值范围为2.5~16MPa之间[1],大多数骨头的强度在40~76MPa之间[2]。



结缔组织的强度最多在皮肤和骨骼之间。

因此,哪怕人类是实心的,自由潜水超过200米,皮肤也有撕裂的风险。而骨头要被压碎,则可能需要达到5000米以下了,这已经超过海洋的平均深度。

可以看出,对于内部压强和外部压强相近的深海鱼来说,其实只需要在骨骼方面,做稍微改进,例如骨骼有机质更高,矿物质更低,弹性更强,骨骼距离增大等等,都可能让它们的骨骼适应深海环境。

而对于身体其它组织来说,绝大多数的应力,其实都被水给均摊了。

深海鱼和其他生命体一样,含水量通常达到70%。

虽然在高压下,水体是弹性可压缩的,存在多种相变,一定压力范围内密度呈现梯度变化。



但深海最高就100Mpa,对于高达1Gpa才会出现明显变化的水来说,100Mpa内,液态水仅仅只存在很小幅度的密度变化。马里亚纳海沟最深处的密度,会略微大于海平面,但并不显著。

因此,除了骨骼和皮肤外,深海鱼的其它组织和器官,会更加脆薄松软、富有弹性,使得应力更有利于被水所均摊。当然,它们的皮肤往往也具有弹性,通透性高,甚至还可能具有保护性组织。

其实,对于深海鱼,它们最大的挑战,还是进入浅海时的身体变形。

因为它们身体内部维持和深海一样的压强,进入浅海后,外部压强的降低,自然会导致它们身体的膨胀变形。

例如水滴鱼被人打捞起来后,几乎面目全非。



最后我们再来,分析深潜器(潜艇后面分析)和鲸的情况。

人类的深潜器,虽然为了增加足够大的强度,是厚壁的,但相对于鱼类来说,壁其实是不够的,内部空腔是非常大的。

而且为了保证人类的活动,内部的压强也基本上保持在1大气压左右,压强远远低于深海环境。

对于动物来说,尤其是深潜动物,会压缩胸腔和肺部,使得它们的身体外经和内径的径比 K 预估可以达到5以上。

而人类的深潜器,从表中数据,可以大致计算出,K值平均1.03左右。



为了对比,我们假设抹香鲸并没有增加内部压强,而是保持肺部和大气压相同。

带入前面的数据,以及公式。

可得:

也即,当K为5时,抹香鲸承受的最大压强仅仅只有23Mpa,只比水压略高。

即便认为体腔未压缩状态,K会稍小一些,哪怕取值2,得出的压强也仅仅只有37.7Mpa。

也就是说,哪怕内部压强都很低的情况下,因为体壁厚度的差距,与深潜器相同体型的鲸,身体承受的最大压强,仅仅只有深潜器的1/20~1/30。

考虑到鲸深潜的时候,它们胸腔并不是保持大气压状态,而是压缩的,实际内外压强差 也会相应的减少。

其实,它们整个身体承受的最大压强,仅仅略大于海水压强。

最大压强,基本上可以稳定地保持在人类深潜器的1/30左右。

换一句话说,同样是2000米,人类深潜器承受的压强,超过鲸的30倍。

人类各种高强度合金材料的强度,最高也在1Gpa左右。可以看出,各种深潜器的设计深度,和换算的理论值是相当的(见上图)。

例如,深海挑战者号(Deepsea Challenger),虽然只有64mm的耐压壳厚度,在一众深潜器中表现不上不下,但凭借1.09m的内径,内径比K增加了近1倍。对于圆形深潜器来说,不存在纵向和环向压强的区别,仅仅只有圆筒环向应力的一半,从而做到了马里亚纳海沟11000米深的挑战。

而对于潜艇来说,比起鲸鱼遭受的最大压强的倍数,比起深潜器还高得多。

由于内部空腔更大, K 值比深潜器小了很,导致承受的最大压强翻倍。

可简略推算,同样是2000米,潜艇承受的压强,超过鲸的50倍。

因此,哪怕采用接近深潜器的材料和耐压壳厚度,潜艇潜水1000米也已经是极限了,大多只有600米左右。

虽然鲸深潜的时候,比起人类潜艇/深潜器容易得多。

但作为哺乳动物,比起深海鱼,挑战难度也会有所不同。

毕竟它们的身体结构,不能像一些深海鱼那样可以有着非常大的变化,可以适应好几千米的深海。2000米的深海,对于深潜的一类鲸来说,已经是它们身体适应的极限。

当然,它们的身体,其实还是存在一定深海鱼化的。

以抹香鲸举例,抹香鲸的皮肤厚度超过20cm,强度远远超过人类16Mpa的上限。但对于它们的庞大体型来说,超过2000米深海的20Mpa以上的压强,差不多是它们承受压强的上限。

它们身体的内部的常态压强,也往往比浅海生物更高。当发生搁浅时,它们会出现类似人类潜水后的减压病症状,例如,骨骼中出现小坑隙。

这些身体变化,也导致它们更容易因为搁浅骨折,以及挤压内脏而身亡。同时因为适应深海,它们的身体变得更加柔软,也导致它们很难在搁浅中脱困。

除此之外,鲸脑油对浮力的调节,肺部对空气的压缩,肌肉和血液对氧气的强大储存和利用能力,这些都是,它们对2000米深海的适应性变化。

本质上来说,这些生理变化是它们之所以能在深海生存的条件。

但这些条件,并不是充要条件。不能反过来说,具有了这样的条件,就能在2000米深海生存。因为人类潜艇,恰恰是具备浮力调节,空气储备,以及对氧的利用等等各种条件,但却并不能深潜2000米。

总之,对于「肉做的鲸能轻松下潜2000米,为何钢铁之躯的潜艇却不行?」这个问题,最为本质的原因是因为——

潜艇外部和腔体内部的径比K 值太小,且腔体内部需要维持人类呼吸,无法像生命体那样降低压强,导致比起鲸来说,人类各种潜水器所需要承受的最大压强,远远比鲸大得多,达到20~50倍。

其实,最后我们可以做一个这样的设想:

如果人类未来开发出了内部腔体可灌水、体积可压缩的人工智能无人潜水器,哪怕用的仅仅是常规的合金材料,都足以在马里亚纳海沟11000米深处任意驰骋了。

说穿了,还是我们人类自己的身体构造,拖了后腿。

参考

  1. ^卢天健, 徐峰. 皮肤的力学性能概述[J]. 力学进展, 2008, 38(4):393-393.
  2. ^徐晋彬, 张宏民. 人颅骨力学性质的实验研究[J]. 医用生物力学, 1996, 011(001):5-9.

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