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5 ?3 I* z0 D/ b4 a7 Z- ^1 g 伽利略曾在比萨斜塔上做过著名的落体实验,实验物品正是常见的铁球,该实验的结果有力地推翻了亚里士多德的观点。 8 H3 c$ `8 [+ {8 T
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比萨斜塔实验用到了两个重量不同的铁球 7 K% D8 H( Z7 p+ L
% O- I' X3 G* [) T8 _ 今天,我们就让铁球再次出马,也做“落体”实验,只不过实验的环境在大海当中。 : P9 M- {$ M6 W
那么,如果将1公斤重的铁球丢进大海,沉入马里亚纳海沟要多久呢?看完长知识了。 ! P4 T) ~( P6 [1 \
( \' ?; `0 c% ~" v9 }0 k “肩负重任”的铁球 7 N' x- L$ J+ U5 F/ O. W, n: [
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神秘的马里亚纳海沟
9 g1 F1 }) N' X l7 S 马里亚纳海沟是人类已知的海洋最深处,位于马里亚纳群岛附近的太平洋底部,形成的时间大约为6000年。根据目前的考察数据来看,马里亚纳海沟最深处的位置接近11000米,这个深度即使是将世界最高峰珠穆朗玛峰放进去,连其顶端也无法露出。 ! U7 Q$ w3 j# N
更不用说,不少科学家表示,由于处在板块俯冲地带,马里亚纳海沟每年还会疯狂地吞噬海水,这与中国《山海经》当中描述的归墟之地十分相似。
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. i& D6 A7 r D2 Y" l, [+ I2 } 马里亚纳海沟可以说是地球的“第四极”
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整个马里亚纳海沟呈弧形,就像是一个巨大的汤勺,被放置在北太平洋的海床当中。
$ v4 @# q+ c( G- n) t b 值得一提的是,千万别觉得海沟各处的深度都是平均的,其实是“参差不齐”的。如果沿着海沟行走,走着走着可能就会掉入深坑。当然,有时候还会偶遇“海山”阻挡,总之地貌还是非常丰富的。
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马里亚纳海沟的地形示意图
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人类探索马里亚纳海沟最大的困难就是海底的极端压力,因为这里能达到1000个标准大气压,在这种情况下科学家要制造出更安全的设备来对抗压强。不然,就很有可能重现潜水艇下潜深度过限,直接被压成铁皮碎片的灾难。
! M) q# D5 y* Z# d B6 X( A 不过从现在的探索来看还算顺利,并且人们还发现在这里有着一些生物存在,虽然很难想象这些小鱼是如何做到在巨大压强下不被压扁的,但这大概就是生命的坚强之处吧。 9 Z& b2 K9 q7 E
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2014年发现的马里亚纳海沟狮子鱼
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, f% Y* S7 e4 \ 由于海洋当中的压强和陆地的压强不一样,所以铁球下落的速度也会有所变化,那么如果我们真的将一个1公斤重的铁球在马里亚纳海沟上方的位置丢下去,它需要花费多长时间才能够沉底呢? 9 u5 i' e% U# k2 x1 D+ M7 S
( c; ~; F% K/ f/ @4 N1 D 马里亚纳海沟的地质剖面模式图 , s9 k4 ^6 s( C3 @/ i6 `
7 k4 b' {) p9 L" S( d$ J 把铁球丢下去多久能沉底?
5 h5 Y3 S: l. B8 X 大家可以先试着猜测一下,铁球进入水中要花费多长时间才能抵达马里亚纳海沟的深处。可能有人觉得需要十几分钟,有人认为没几个小时是做不到的。那么,就让我们一起来看看从理论上来说要多久。 ' T7 j L4 s1 ^# E$ r
首先由于铁球的密度明显大于海水,一个是7.86克/立方厘米左右,另一个是1.025克/立方厘米,在这种情况下铁球下沉是很容易的。不过需要注意的是海水的密度会受到温度等因素的影响,所以并非一直维持这个数值。但是毕竟咱们只是大开脑洞,所以就以这个值为基础。
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海水密度和温度(纬度)的关系密切 " g& ~& Q( ^# Z! `6 D! e
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其次当铁球下坠到不同深度时所受的压强也是不一样的,在这种情况下,水越深水压就越大。按照我们常规的想法,海水到了越深的位置应该会变得愈加“粘稠”,毕竟它会被水压疯狂挤压。 2 q$ r- ~( z) G- A) y
不过事实并非如此,因为科学家在实验中证明了海水并不会被无限制压缩,哪怕是到了马里亚纳海沟的最深处,水压高达1000多个标准大气压时,水的密度也只是增加了5%左右,大约是1.76克/立方厘米。
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马里亚纳海沟附近海洋深度情况示意图 ) q6 W/ g& u, i0 |
4 r/ ?. H$ U: U; c' }0 ~ 在这种情况下,铁球的下沉显然是不会受阻的,不会出现悬浮在空中的情况。 9 K. M2 m7 P) W/ [2 ?
想要计算出铁球沉底的速度和具体时间,我们首先要算出海水的浮力是多少。这时候就要用到初中物理的浮力公式了,在将一公斤铁球的重力和体积以及海水的密度代入之后,就能得出浮力大约为0.16N。 " j) S7 g9 I! S5 ]" I" u
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铁球的密度总是大于海水密度的 7 j+ R- U- a7 ? c( `8 }
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随后再将已知的各个数值带到铁球的速度公式当中,在合力为零的条件下,得出该铁球进入水中之后匀速下沉的速度大约为10.7米/秒,这样的话到达马里亚纳海沟的最深处大约需要花17分钟。
n9 b7 Y& }- I" C F1 D0 s9 c& Q9 ?5 |5 z 当然,实际上铁球在进入水中之后速度并不是一直稳定在10.7米/秒的,所以现实情况应该还会有变化。这样的话,最后沉底的所耗时间也会有变化,但是基本也是在18分钟左右的。
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( r- T" C0 q; x% k; b! D 位于马里亚纳海沟海拔最低处的一根原木
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需要注意的是,以上讨论皆是在理想的情况下,使用公式计算得出的,并非实地试验。毕竟这种试验对于科学家来说也没什么用,也没有人会费尽心思追踪一颗沉入大海的铁球。
2 C4 [* J, p" `% E' v c# I5 F7 k 并且,可能还会有人有这样的疑惑,按照压强的变化来说,铁球难道不会在下坠的过程中被“压扁”吗?
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9 [* n; P3 j9 B8 k3 Y 压扁的铁球的构想图
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* T5 D, X* H8 Y H8 m' A3 G% _ 铁球会不会被“压扁”呢?: D( a, k7 u; p8 H$ c( K( u0 @
相信不少人都看到了此前印尼潜艇遭遇断崖之后,突然下坠,最终整个潜艇都被压扁解体的新闻。从这一点似乎能看出,就连钢铁铸成的潜艇都会被水压无情压扁,那么咱们试验用的铁球难道不会遭遇这种情况吗?
/ l# O k' U0 H9 \1 E& N' v2 {8 { 实际上,铁球在不断下坠的过程当中,肯定是会出现轻微的变形的,但是这种变形是用肉眼都难以看出来的。铁球的这种情况和同样是铁做成的潜艇对比差异未免有些大,可其实这很正常。 ' X* C" v' T0 b% p
1 ~; H% }* S+ D1 _/ R, L5 c 铁球或许仅有一点变形 3 a. m0 s3 c/ ]) W- D
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因为铁球是实心的,而潜水艇是空心的,如果我们将一个同等重量但是被掏空的铁球放入其中,那么它在抵达海沟深处之前也是会被压扁的。 - I$ \2 S; `$ k) B
所以现在科学家在设计深海探测器的时候,不仅要找到能够对抗超高水压和海水腐蚀的材料,还要将潜水器的结构弄得更加牢固,让它做到即使有空心的部分,依旧不会被压扁。 , @% G! j) g; I6 s
6 m2 I# }6 m% c$ J1 ? 海中断崖是潜艇最大的威胁
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3 [$ D! j0 {; @# g( a 不过,大部分人对深海探索并不关注,因为在我们眼中海洋反正不管何时都在,这些地球上的东西我们可以慢慢去研究。 ) s- H$ [! Z ~$ ]6 J6 l) j
而宇宙深空的东西则更让人好奇,更加具有诱惑力,所以目前的深空探索进度和海洋探索进度差异还是比较大的。
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人类只探索了5%的海洋
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此前不少潜水器成功在马里亚纳海沟坐底之后,都拍摄到了海底生物来回游动的画面,让人感慨,哪怕是环境如此恶劣的地方,都会有生命存活。 1 b k' T8 I% \- f/ S. N
甚至有人说,在海洋污染越来越严重的情况下,马里亚纳海沟在未来可能会成为海洋当中的最后一片“净土”。
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# Z' S6 I4 ]8 Y7 |. i5 _1 h 长满藤壶的塑料瓶 . }9 r% D' [; t$ a3 B0 l; }
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可是,事实真是如此吗?那些海洋当中的污染物,真的无法穿越“重重海水”抵达这里吗?
7 f. W( }! {5 H* Z1 P# t 塑料垃圾已经抵达海洋深处
; v" P% S- S6 \) q6 g& E0 ~ 很遗憾,根据目前的观察来看,海洋当中已经不存在什么净土了,就连位于海洋最深处的马里亚纳海沟也无法幸免。 % i5 x0 V) i5 F, k C2 f
3 Z2 A7 M4 i- [1 Y* }2 y 我国科研团队在采样点处检出大量微塑料 * C8 \! L8 \$ v7 x3 U3 u) h
. ~/ r/ @1 x* @6 U6 y" z1 V- q 此前,美国的一个研究团队就乘坐潜水器抵达了马里亚纳海沟,其下潜深度达到了10927米。
( V- n. A8 U( a3 o1 _' A( B; y 在这里,他们看到了那些终年生活在黑暗当中的深渊生物,它们看起来长相和正常的鱼没什么区别,不过“眼睛”应该都已经退化了,毕竟深海当中鲜少有光,除非夜视能力极强,不然即使有眼睛也没用。 % T. M7 s9 Y4 a2 } @' S
% K+ L8 T6 i0 f6 E3 d6 N" X 探测器在马里纳亚海沟拍摄到的鱼类
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2 |6 a& X. Z1 q3 B% r+ d$ O6 H 更让人们惊讶的是,在长达四个多小时的探索当中,他们不仅看到了海中的各种生物,还发现了不少沉底的塑料袋以及包装纸。
9 b( U l8 _8 f& Y# k9 b 这就证明,人类丢进海里的那些塑料垃圾,其实早就悄无声息地“侵入”了海底,将这片所谓的净土也污染了。 8 n; n$ U7 p. W7 c# m
当然,最倒霉的估计还是海沟当中生存的生物。它们在这里能够吸收的营养物质本身就很少,主要依靠海底热液的助力,如今各种塑料袋的到来,将本就贫瘠的海底污染了,它们还要被迫“吸食”塑料颗粒。
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% }8 m" |; Q& G6 D1 N, _' P6 ` 海沟号深潜器拍摄到的塑料垃圾 ( k5 @* P7 P) M/ @' _* X0 U
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因此,人类确实要把海洋污染问题放在心上了,毕竟影响已经不局限于某个海域了,连海底都无法幸免。
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