
文章图片

文章图片

文章图片

文章图片
我国研发的“奋斗者”号载人潜水器成功进入太平洋最神秘的马里亚纳海沟 , 触底深度10909米 , 意味着我国又创造了一个载人深潜新记录 。 说起鼎鼎大名的马里亚纳海沟 , 瞬间勾起了我们对海底的好奇心 。
马里亚纳海沟是海洋中最深的海沟 , 最深处达到1.1万米 , 它就像地球最高的山峰珠穆朗玛峰一样让人好奇 , 有人曾提出一个奇葩的问题:如果往马里亚纳海沟扔一块重1公斤球状石头 , 石球需要多长时间才能沉入海底呢 , 1个小时够吗?看完受益匪浅 。
在回答这个问题前 , 我们先要知道海水密度和石头密度 , 水是地球表面最多的物质 , 随处可见 , 无孔不入 , 但是淡水密度却只有1克/每立方厘米 , 不过由于海水中掺入了大量矿物质 , 密度可达到1.025克每立方厘米 。
当然 , 水温也会对水密度有一定影响 , 开水密度明显比冷水密度要小 , 但由于海水上下层温度变化不大 , 温差一般不超过20℃ , 海水密度变化也不是很大 , 所以一直用1.025克每立方厘米来计算 , 要不然没法算清楚了 。
还有一点 , 水越深水压就越大 , 每增加10米水压就相应增加一个标准大气压 , 所以在马里亚纳海沟 , 水压相当于1100个标准大气压 , 即便如此 , 水的密度变化也不会太大 , 最多增加5% , 1.077克/立方厘米 , 还是没有什么变化 , 我们忽略不计 。
一个物体能否沉入海底主要看它的密度是否比水大 , 众所周知 , 石头的密度比水大 , 但是不同的石头密度有所不同 , 有的石头密度可能超过3.5克每立方厘米 , 有的石头密度可能只有2克每立方厘米 , 这里 , 我们就以2.5克每立方厘米来计算 。
石头密度比海水的密度大得多 , 两倍还不止 , 所以扔到海洋的石球能快速下沉 , 只要你扔得够准 , 肯定可以抵达1.1万米深的马里亚纳海沟 , 那么石球需要多久才能抵达海底呢?我们只需要算出石球的下沉速度 , 就可以得出时间了 。
根据牛顿定律 , 不论物体是在运动还是静止 , 都会受力 , 比如一颗滑落地球的流星至少受到三种力 , 重力 , 空气摩擦力和浮力 , 那么在海洋中下沉的石球也受到三种力 , 重力 , 海水浮力和海水摩擦力(阻力) 。
无论是在空气中还是在水中 , 重力一直垂直向下 , 作为重力的反作用力的浮力和摩擦力则方向相反 , 垂直向上 。 石球在海水中下沉时 , 速度开始由慢变快 , 很快就达到匀速运动状态 , 也就是说合力为零 , 即重力(G)=浮力(F)+阻力(Ff) 。
石球重量为1公斤 , 石球密度2.5克每立方厘米是已知的 , 我们算出石球体积V为400立方厘米 , 根据球体积计算公式V=(4/3)πr^3 , 得出石球半径为4.57厘米 。
重力计算公式为G=mg , G为重力符号 , m是石球的重量 , g是一个固定常数9.8牛/千克 , 石球重量为一公斤 , 所以G为9.8牛 。
物体在海水中浮力公式为F=ρgV , F为海水浮力 , ρ为海水密度 , V为石球体积 , g为9.8牛/千克 , ρ=1.025克/立方厘米=0.001025千克/立方厘米 , V=400立方厘米 , 得出F为4.018牛 。
物体在海水中的阻力公式Ff=1/2ρv^2ACd , ρ为海水密度1.025克/立方厘米 , v为石球速度 , 单位为厘米/秒 , A为石球的横切面积 , 根据石球半径4.57厘米 , 得出A=65.612平方厘米 , Cd一般取值为0.47 , 但只有v不知道 。
根据合力公式重力(G)=浮力(F)+阻力(Ff) , 可以得出石头在海水中下沉速度v的公式:
把相关数据代进来 , 比如重力(G)=9.8牛 , 浮力(F)=4.018牛 , A=65.612平方厘米 , Cd=0.47 , ρ=1.025克/立方厘米 , 可以算出v=365.85厘米/秒=3.6585米/秒 。
知道石球在海水中的下沉速度 , 这下就好办了 , 很快就可以算出抵达1.1万米深海底所需时间 , 大约需要3006秒 , 约等于50分钟 。
推荐阅读
- 如果海洋中的水全是淡水,地球会发生什么
- 为什么深海中有这么多巨型生物?
- 尼斯湖水怪再现?英国夫妇在尼斯湖拍到大型神秘动物,视频极清晰
- 鲸落还是鲸爆?死亡鲸鱼现身浙江海域,究竟会不会发生鲸爆?
- 探索海洋,其实比探索太空更困难,深海10000米有多恐怖?
- 海豚是怎么交配的?科学家:它们很变态,已经演化出了人类的特征
- 四川地震后出现远古生物,三只眼睛布满稻田,专家揭秘背后的原因
- 海洋扳机鱼
- 你知道海洋有多深吗?海洋有多大吗?