全球海洋的平均深度将近3700米,其中最深之处位于西太平洋的马里亚纳海沟,它的最深处是深达11000米的挑战者深渊。
如果把一块瓦片扔进马里亚纳海沟中,那么,瓦片能否沉到底部?瓦片在海洋深处会被压碎吗?如果瓦片能沉到海底,需要多久?
根据液体压强公式:p=ρgh
随着深度的增加,海水的密度、重力加速度都会随之增加,所以压强也会迅速增加。不过,海水的密度和重力加速度随深度变化并不大,可以认为这两个参数是常数。海水的密度一般为1030千克/立方米,挑战者深渊中的海水密度为1080千克/立方米,液体是很难被压缩的。
由上述公式可知,海水的深度增加大约10米,水压就会随之增加1个地表大气压。在1000米深的地方,水压会达到100个地表大气压。而在挑战者深渊中,水压将会高达1100个地表大气压。
既然水压这么高,如果把瓦片放在马里亚纳海沟的底部,这是否意味着瓦片会被压碎?
瓦片是实心的固体,经过海水的充分浸润之后,瓦片内外并不会产生压力差,即便挑战者深渊中的水压非常高,瓦片也是不会被海水压碎的。倘若是一个空心的物体,例如,一个空的密闭瓶子,瓶子内的气压为1个大气压,如果把它放到足够深的海水中,瓶子就会因为巨大的压力差而被压扁。
在马里亚纳海沟中,科学家发现了一些栖居于此的生物,它们身体内外的压力处于平衡状态,所以它们可以适用深海的巨大水压。如果把这些深海生物捞上来,它们会无法适应低压环境而死亡,这就如同人类在毫无防护的状态下去太空一样。
除了深海生物,人类还在海洋底部发现了塑料袋。既然塑料袋都能沉到海洋底部,密度更大的瓦片肯定也是能够沉到海底。那么,瓦片沉到挑战者深渊中需要多少时间呢?
在瓦片下沉过程中,瓦片会同时受到三个力的作用,分别是向下的重力:
G=mg
其中m为瓦片的质量,g为重力加速度(假设保持不变)。
向上的浮力:
Fb=ρgV
其中ρ为海水密度(假设保持不变),V为瓦片的体积。
瓦片在下沉过程中,其表面会覆盖上一层水,形成速度梯度,这会阻碍瓦片下落,这个力为粘滞阻力:
Fv=1/2Cρv^2A
其中C为阻力系数,A为瓦片的面积,v为瓦片的下沉速度。
因此,瓦片所受到的合力为:
F=G-Fb-Fv
随着瓦片的下落,速度变得越来越快,粘滞阻力变得越来越大,合力变得越来越小。当瓦片的速度达到临界值时,粘滞阻力大到刚好使合力变为零,瓦片将会开始匀速下降,此时的速度即为终末速度。此后,瓦片的粘滞阻力不再会增加,合力保持为零,瓦片会一直匀速下沉。根据上式可以得到终末速度公式为:
如果考虑一片小青瓦的长度为250毫米,宽度为200毫米,厚度为20毫米,密度为1600千克/立方米,阻力系数取0.9,瓦片以面积最大的那一面下沉,由此可以计算出瓦片的终末速度约为0.49米/秒。
至于瓦片达到终末速度所需的时间以及对应的下落高度,需要建立微分方程才能进行精确求解,这里就不再展开。假设瓦片以0.49米/秒的速度下沉到马里亚纳海沟的最深处,所需的时间约为6.2小时。
当然,上述只是理想情况下的计算结果。在现实中,瓦片不可能始终以面积最大的那一面下沉。而且海洋中的水并非静止的,瓦片也不可能竖直落到马里亚纳海沟的底部。