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        把一块砖头丢进马里亚纳海沟,多久能沉到海底? 发布时间: 2021-12-4

        马里亚纳海沟位于太平洋马里亚纳群岛附近,是地球上已知的海洋最深处,假如我们把一块砖头丢进马里亚纳海沟,那么这块砖头需要多久能沉到海底呢?在讨论这个问题之前,我们需要先来确定一下砖头会不会被压碎。



        在马里亚纳海沟的高压环境中,砖头会被压碎吗?

        通常来讲,普通的砖头按照抗压强度可以划分MU10、MU15、MU20、MU25以及MU30五个等级,其中抗压强度最高的是MU30,其抗压强度平均值为30Mpa,也就是说,当砖头受到的压强超过了30Mpa的时候,就可能会被压碎。


        另一方面来讲,海洋的水深每增加10米,海水中的压强就会增加约1个大气压,而马里亚纳海沟最深处可达11千米,在这里的压强可达到1100个大气压,也就是110MPa,这相当于每平方厘米的面积,会承受1.1吨的重量。



        可以看到,马里亚纳海沟底部的压强远远超过了普遍砖头的抗压强度,那这是否说明砖头会被压碎呢?


        其实不然,这是因为上述的30Mpa是指砖头在单向受压和双向受压的情况下,而当砖头在海水中的时候,砖头在各个方向所受到的压力都是均匀的,这是属于三向受压,相对于单向受压和双向受压,物体在三向受压的情况下,其抗压强度要高出好几个数量级。



        除此之外,砖头的构造较为疏松,在它被丢进海洋中之后,海水会迅速地渗入其中,而由于海洋中的压力是由海水来传递的,并且海水向各个方向传递的压力都是一样的,因此砖头在被海水渗入之后,砖头就更不会被压碎了。


        这块砖头多久能沉到海底?

        普通砖头的密度大约每立方厘米1.8克,这远远大于海水的密度,因此砖头肯定是会一直沉到海底的,在不考虑其他干扰因素(如海水流动、海洋生物碰撞等等)的情况下,砖头在沉向海底的过程中主要会受到重力(G)、海水的浮力(F浮)以及海水的阻力(F阻)这三种力的作用。



        在砖头被丢入海水之后,其受到的重力比浮力更大,因此重力和浮力的合力方向为向下,在这个合力的作用下,砖头就会加速向海底下沉。


        然而海水却会对砖头产生阻力,其方向是向上的,砖头下沉的速度越快,海水对它产生的阻力就越强,所以在经过一段时间之后,砖头所受到的这三种力就会达成平衡,在这种情况下,它就会以一个固定的速度向海底下沉,这个速度也被称为“终端速度”,这是可以计算出来的。


        重力可通过“G = mg”来计算,海水的浮力可通过“F浮 = ρgV”来计算(其中m为砖头质量,g为地球重力加速度,ρ为海水的密度,V为砖头的体积)。


        海水阻力的计算公式为“F阻 = CρSv^2/2”(其中C为海水的阻力系数,S为砖头的特征面积(我们可以将其理解为“迎水面”),ρ为海水的密度,v为砖头的下沉速度)。


        当砖头达到终端速度(v)的时候,它所受到的重力就刚好等于海水的浮力加上海水的阻力,也就是“G = F浮 + F阻”,所以我们就可以得出终端速度(v)的计算公式,即“v = √[2(mg - ρgV)/CρS]”。



        一块普通砖头的标准尺寸为:长240毫米、宽115毫米、高53毫米,其体积为0.0014628立方米,按密度为1.8克/立方厘米来计算,其质量(m)约为2.633千克,我们将g取值为9.8,海水的密度(ρ)取值为1030千克/立方米(这里忽略海水密度随水深的细微变化),海水的阻力系数(C)取值为0.47。


        需要注意的是,在砖头沉入海底的过程中,上述公式中的S(即特征面积)并不固定,它的最大值为“砖头的长度 x 砖头的宽度 = 0.0276平方米”,最小值则为“砖头的宽度 x 砖头的高度 = 0.006095平方米”。


        将以上数据代入“v = √[2(mg - ρgV)/CρS]”就可以得出,砖头的终端速度最大值约为2.73米/秒,最小值约为1.28米/秒。


        可以看到,即使是最大值也是一个很小的速度,这就意味着,砖头被丢进海水之后只需要很短的时间里就能达到终端速度,所以我们可以粗略地认为,砖头在沉入海底的过程中一直在以终端速度进行匀速下沉。



        至此我们就可以给出结论了,假如把一块砖头丢进马里亚纳海沟,并且这块砖头能够一直沉到最深处(即11千米),那么它需要的最短时间大约为4029秒,最长时间则大约为8594秒,当然了,这块砖头是不会被压碎的。

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