; m# ]; ?& C8 e" W
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。 + B6 a% K8 C/ T
: \7 V4 ]+ X9 x3 k: |$ I7 y 比萨斜塔实验用到了两个重量不同的铁球
+ a- c4 i" w- X" R! F
" m6 k; A/ N% @% a) ] 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。
" I$ u: D" F% `: i 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。
. A6 l. T/ \" I, x
4 p, @8 @& k0 ], L" \+ r “肩负重任”的铁球
% D5 ?5 I% \7 B. {9 b" D! | ' `5 c% [, d# v9 Y* p, M
神秘的马里亚纳海沟/ z, B& S. X) |6 Q4 e4 C
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。 ) w! k0 L7 r4 v
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。 % `7 q' z- o% F" {6 n; a
* R$ |; x/ p5 G4 }& P
马里亚纳海沟可以说是地球的“第四极”
# x4 A( T# d0 G0 q+ [4 [
, Y3 v( F3 t3 v9 n2 x, H 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。 9 q6 Y3 S8 Y8 ?& _. v2 t& Q8 t5 X
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。 - i6 G8 e: l% B0 }6 |
: G, c, z5 h3 S/ _
马里亚纳海沟的地形示意图
% S/ _; v& b! \ * I: I. b( C3 n5 n0 T1 D/ H
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. H# C3 a. R9 Q: e8 P/ G
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。 ( A9 _) E* r& V9 i" t0 r
; e7 n+ l% I- E$ @% d' a
2014年发现的马里亚纳海沟狮子鱼
0 x* G9 f9 b/ w , w+ S- v/ |7 V: s; S3 B
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?
8 r* @! h% X1 G" \% O% ]2 p1 d3 ^
f8 |( _" l7 ` Q 马里亚纳海沟的地质剖面模式图
: w# q( p8 p; o + Y% g1 e+ u* N. f5 d" B) H
把铁球丢下去多久能沉底?
) `0 G/ u3 i; |0 ]$ {! j* r" l 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。
" ]. G" z) y7 X6 n* _2 `8 Z* m/ B 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。
# H& t% q' E9 x* r : p# d/ b1 R, w/ ?9 b
海水密度和温度(纬度)的关系密切
7 Z( D$ \4 u8 F( H
3 y, o. z4 X6 a2 S8 \# ]# } p 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。
1 I( Z$ V- {) `; B+ j: [0 w 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。 " z# u! K6 j! b% W* f- E, y% X: d7 D
% x6 s3 Q: m$ K" G9 L3 L% X
马里亚纳海沟附近海洋深度情况示意图
8 @( q. H% Y: W8 L. |! l7 _ : ~3 J" l- Y1 a
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。 ( T2 F6 W4 y7 q* U I, |0 J
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。
3 K) ?8 {/ J* L4 c9 i O
5 w- k; e( E) |1 b# N( @ y1 }" S 铁球的密度总是大于海水密度的
, F$ w( ?$ S$ ^
( W6 F6 y3 |& Z" C% i/ Z4 d 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。 0 w1 }8 n6 N7 n1 }& z# g
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。 # s9 x% Q4 c/ v2 D E8 R$ U
* y3 L# b K% D5 l; P 位于马里亚纳海沟海拔最低处的一根原木
+ X/ N+ d1 M8 z. v/ _ " ~& F$ {6 f5 a8 f6 C
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。 / \3 F) Y% L5 F9 L
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?
9 \, p, y* V W8 u' F5 X) h! v
6 W; l9 r, S/ { 压扁的铁球的构想图
! ]* ~3 z6 I& B/ B/ J
0 Y) C7 D8 r% `; }8 G 铁球会不会被“压扁”呢?
3 w& i# y' }! i3 W, n7 ^ 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?
/ b, ~8 j0 X9 Y5 ]# b q- b* c) n, z 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。 9 Y8 |' Q- R2 B8 M5 N
/ F( O. y8 S% U, c" y& [ 铁球或许仅有一点变形 / d8 y% h8 t' z9 g" M
7 K, R* S% I, ?/ e0 T3 R: |2 T 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。 ' B( Q9 Z: G+ g+ s8 \
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。
7 |: `3 E2 n l" s+ R$ X8 \$ Q 9 M9 ^- m, S& _$ h1 K |" n
海中断崖是潜艇最大的威胁
% [9 D6 v) V) ~2 K* U
+ A! Z& \0 z) [9 S 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。 # ~# v( {" d& ^" ~) e
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。 9 R+ z; m# P1 `" D% P# U' c2 }5 q
3 J8 `6 Q8 t. M$ w, U3 m: y 人类只探索了5%的海洋
$ O$ o: p0 P! Y: L# }) W& @" H X
( p) ?7 J$ U/ n4 l! t) R. P 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。
# u C$ ?6 X% ]7 r" i3 I 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”。
5 _! }7 k5 X9 C1 v7 k# n2 f1 E
+ w$ R5 ?+ @7 P9 u 长满藤壶的塑料瓶 / u) {/ J: [# v7 r/ `5 F
6 l; V2 `. M0 J0 ^
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?
+ a- P( j0 V3 U# `% u) F 塑料垃圾已经抵达海洋深处" V! p* m3 c8 I1 l" G
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。
* f3 |9 r2 E! x- _
1 s, M% ~( T) g; ]7 Z0 w 我国科研团队在采样点处检出大量微塑料 5 G V1 K, I. k
8 R! f. c/ ^' {% Z, Y
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。 ! z/ x( m& \5 O( h/ e& j
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。 7 `1 h! R: T: c- l) v# k) E" e. d& [
/ A+ i( R% J" Q' t) [
探测器在马里纳亚海沟拍摄到的鱼类 - F5 c2 h4 w# h! d" f8 Q
3 G1 G; @' ^ e9 H" {0 c2 ]1 n
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 E# V; L2 |* h H- R( E 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。
# ~: }* O& H' ~$ O' I* G 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。
, S, e: k+ }& x4 M, t w0 h3 T 6 z5 u" S! y- {& M1 n4 D( i4 l* }
海沟号深潜器拍摄到的塑料垃圾 5 e. v @& @* l
9 _ d+ Y! ^" W 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。 # a' F0 P( Q, v8 b( Z0 a; L
7 m* W2 j: v. ?4 {0 A" Y9 ~. f
# b* I3 [2 Y. O& F9 i
! C7 K0 D/ ]8 u! }% x! Z: w: r% s7 ~
|