文章图片
文章图片
马里亚纳海沟（Mariana Trench）是地球上目前已知最深的海沟 ， 已知最大深度为 10984 米 。 那么如果我们丢下一个钢球让它落到底部会发生什么呢？钢球会发生什么？它需要多长时间才能沉到海底呢？
众所周知 ， 海洋深度越深 ， 压力越大 。 马里亚纳海沟最深处为“挑战者深渊” ， 这里的压力比海平面的正常压力高出1000多倍 ， 大约为108.6兆帕 。 海底深处表面上一切正常 ， 但水的密度发生了变化 ， 水的密度增加了5% ， 温度在1摄氏度到4摄氏度左右 。 当然 ， 这里的低温对钢球而言根本不起作用 ， 钢球需要承受的只是压力 。
当钢球下沉并到达底部时 ， 它周围会受到巨大的水压 。 而水在该深度施加的压力可通过以下公式计算：
P=ρgh=1.08×10^8 Pa （地球表面大气压的 1000 倍以上）
等式变量：
P = 压力 (Pa)
ρ = 水的密度 (1000kg/立方米)
g = 重力加速度(9.81 m/s2)
h = 深度 (11000 米)
假设它是一个实心钢球 ， 这个压力不足以引起钢的屈服并使钢球永久变形 。 低碳钢（mild steel）的屈服应力为2.50×10^8 Pa， 这是马里亚纳海沟底部施加的压力的两倍多 。 而钢的 Hugoniot 弹性极限 (HEL)（对于理想化的一维应变条件下的压缩载荷）大约为 10^9 Pa ， 因此在任何一种情况下 ， 钢球都会保持其形状和形状 。
然而 ， 压力会挤压钢球并减少其体积 。 我们可以使用钢的体积模量 (B)来计算：体积模量 = 施加的压力 / 体积变化的分数 。
我们知道压力的变化（Δ P) 在马里亚纳海沟的底部 ， 以及钢的体积模量 。 如果我们假设球的半径为 0.62035米， 其体积为V=1.0立方米 ， 使用这些值 ， 我们可以计算钢球下落由于压差引起的体积变化 (ΔVp) ：
ΔVp=VΔP/B=0.000675 立方米
温差的影响：
由于水温在马里亚纳海沟上方的海面大约是 35°C ， 而在底部大约是 4°C ， 这个 30°C 的温差也会导致球的收缩 ， 但是这不会对球产生任何影响球内的应力 ， 因为球不受约束 。
由于温差导致体积减小 (ΔVT) 可以使用以下公式计算：
ΔVT/V=αvΔT
等式变量：
V=1 立方米（球的初始体积）
αv=36×10^-6 C^-1（钢的体积热膨胀系数）
ΔT=30°C （温差）
因此 ， ΔVT=0.00108 立方米 。
由于压力增加而增加的体积减少(ΔVP+ΔVT) 将导致总体积减少0.001755立方米 ， 即将球的体积减少了 0.1755% 。 球的半径变成0.62米（与原始半径相比 0.62035米) ， 减少只是0.35 毫米 ， 即相当于你指甲的厚度！
而在马里亚纳海沟底部 ， 球上的总压缩载荷将为 53216 吨 ， 这相当于868 辆美国陆军的主战坦克（M1A1）的重量 。 由于压力小于屈服应力 ， 这种体积的减少不是永久性的 ， 即如果球被带回表面 ， 它将恢复其原始体积 。
总而言之 ， 工程师们可能会觉得这很有趣 ， 但对于那里的普通人或潜伏在马里亚纳海沟深处的海洋生物来说 ， 钢球不会发生任何有趣的事情 。
那么钢球多久会到底海沟底部？
钢球在水中移动将很快达到其终端速度 ， 即重力由水的阻力和浮力平衡的速度 ， 这导致钢球的下降速度恒定 。 而终端速度可以计算如下：
Vt = √[2mg/pACd
公式变量的取值如下：
m=6750kg（从 7750 公斤的球总质量中减去 1000 公斤的水的浮力效应）
g=9.81m/s2
Cd=0.47 (球体抗力系数)
ρ=1000kg/m3
A=1.209m2
最后计出钢球下落的速度为15.267m/s 。 因此 ， 球将在大约12 分钟内到达马里亚纳海沟的底部 ， 可能会反弹几次 ， 然后在寒冷的黑暗深渊（淤泥）中安定下来 。
钢球到达海底后会发生什么？
这是一个有趣的问题 ， 即马里亚纳海沟底部的钢球需要多长时间才能完全腐蚀？
钢的腐蚀取决于水中溶解氧的量 。 有趣的是 ， 溶解氧的量在深度超过 5000 m 时保持不变 ， 甚至一直到马里亚纳海沟的底部 。
另外研究发现 ， 低碳钢在 5100 米深度处的腐蚀速率确定为每年 0.06 mm 。 考虑到溶解氧的量在更深的地方是恒定的 ， 并且在海水中无法形成持久的保护层来保护钢免受腐蚀 ， 我们可以对位于马里亚纳海沟底部的钢球采用相同的腐蚀速率 。
推荐阅读
- 大西洋和太平洋的神奇分界线，两侧海水泾渭分明，难道是刻意安排
- 科学家表示，数万亿吨的水流入到地球内部，发生了什么？
- 研究表明：比海平面上升更可怕的是，未来海平面可能下降100米！
- 英国女子遭遇网络骗子，对方假冒其孩子要求打钱，智斗骗子终取胜
- 上层是淡水，下层却是咸水，努乌克湖为什么会形成独特的湖下湖？
- 世界上最大的几种鱼是什么呢？
- 一座巨大的冰山向海洋倾倒了近 1 万亿吨淡水。影响可能是巨大的
- 报纸急寻10岁女孩，发布人竟是周恩来，刘少奇见到女孩后眼眶红了
- 霍金预言果然没说错？地球出现2大异象，人类应该何去何从
- 霍金：2032年小行星撞地球，人类将灭绝，我们能阻止吗？