深潜器如何自由地上下潜行?

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我们都知道,当物体处于液体中时,会受到竖直向上的液体浮力作用。为了在深海里高效地上下潜行,深潜器们通过不同的方式来克服海水浮力的影响。

水下滑翔机通过改变排开海水的体积来改变自身所受到的浮力。在需要改变浮力时,水下滑翔机机身上搭载的油囊便在油泵的控制下进行收缩膨胀。当油囊收缩时,排开海水的体积下降,浮力降低;当油囊膨胀时,排开海水的体积提高,浮力提高。

另一方面,载人潜水器则主要采取了调节自身重力的方式。在下潜之前,潜水器上提前安装了重量非常大的配重块,同时开始在其压水舱内注水。在配重块和压水舱巨大重力的加持下,潜水器可以顺利地下潜至万米之下;而当完成了科研任务,要返回水面时,潜水器便会直接卸掉这些配重块,并在压水舱内注入空气。之后,由于潜水器本体所用的材料非常轻盈,远远小于自身所受浮力,因此便可以快速地上浮。

简单总结一下,为了改变受到的浮力,水下滑翔机主要采用了调节自身所排开海水体积的方法,而潜水器则主要采用了调节自身重量的方法。

现在同学们来思考一下,从本质上来看,这两种办法有没有区别呢?

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海燕如何在海底长时间翱翔?

W形前进方式(图源:千龙网)

首先,假设此时水下滑翔机在海面之下保持水平悬浮状态,并进行相关的探测工作。这种情况下,机身整体在竖直方向上受力平衡。

接收到前进的指令后,水下滑翔机开始收缩油囊,减小其所受到的浮力,使机身开始下沉。与此同时,机体内部的滑块向机头方向移动,使机身整体呈俯冲的姿态。这样一来,在竖直下沉的过程中,倾斜的机身便会受到来自海水的斜向上方的作用力。于是,滑翔机便可以受到水平向前的合力,从而一边下沉,一边向前移动。

下沉到预定深度后,油囊开始膨胀,使机身上浮。同时,机身内部的滑块向机尾方向移动,使机身呈上扬的姿态。如此一来,水下滑翔机就仍然可以受到水平方向的合力,从而在上浮的过程中向前移动。

以上两个过程多次重复,水下滑翔机便以W形的方式向前慢慢移动。在这个过程中,水下滑翔机仅仅消耗了一小部分能量来实现油囊的收缩膨胀和滑块的来回运动,因此可以在低能耗的情况下实现长距离的续航。同时,由于这种运动方式所产生的声音信号非常低,再加上机身非常小巧,所以水下滑翔机在军事探测领域可以发挥非常重要的作用。

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如何抵抗深海高压?

帕斯卡桶裂实验(图源:腾讯)

我们在物理课本上都学到过,液体内部的各个方向都存在着压强。同时,深度越深,压强越大。央视节目《加油!向未来》就曾经重现过经典的帕斯卡桶裂实验。之所以靠仅仅一杯水便能够使坚硬的玻璃受压破坏,原因就在于这杯水在软管中大大提高了液体的深度,从而使玻璃承受了相当高的压强。 

由此可见,液体压强的威力是很巨大的。假如以我们身处大气环境中的一个标准大气压作为计量单位,那么在海中每下潜十米,深潜器所承受的液体压强就相当于10个标准大气压。而在万米深度的海底,深潜器将会承受大约1000个标准大气压的压强。而作为对比,我们的航天器即使在宇宙中飞行万米,也只需要克服大约1个标准大气压而已!这说明,深海高压是深潜器必须要克服的一个巨大挑战。

潜水器结构的优化设计

奋斗者号载人舱的国产钛合金球壳

(图源:解放日报)

1. “圆润”的外形。

所有的深潜器都有着可爱的圆润外形,外表面的曲率过渡平滑,绝对没有尖锐的棱角。这是因为平滑的拱状外形可以将外部压力均匀分布于结构的整个表面,从而杜绝由于在尖锐处出现“应力集中”现象而产生的结构破坏风险。这一外形设计依据来自于自然界中的鸡蛋、贝壳等生物材料。

2. 耐高压的材料

深潜器的所有部件均由耐高压的材料制造。以奋斗者号为例,它的外壳采用了轻质高强的纯国产钛合金壳体,还采用了强度极高的固体浮力材料来减轻结构的整体质量,从而实现了“又轻又硬”的特点。 

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通过以上内容,我们学到了一些与深潜器相关的力学知识,这些知识大部分来自于人教版八年级物理下册哦!下面我们来简单总结一下:

1. 无论是通过调节自身体积还是调节自身重量来实现上下潜行,本质上都是在调节深潜器自身的密度。

2. 水下滑翔机通过改变自身姿态,从而在上浮和下沉过程中实现水平方向上的运动。

3. 为了抵抗深海中恐怖的高压,深潜器需要具有圆润的外形和高强材料制成的钢筋铁骨。

作者:流火

审核专家:北京师范大学物理系副教授 张宏宝

参考资料:

[1] 名列“潜”茅!“奋斗者”号如何承受万米深潜重压? https://m.news.cctv.com/2020/11/08/ARTIjk07kmD1XZyWdT4DpziY201108.shtml
[2] 万米深海,有只“飞翔”的“海燕” http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab434/info78353.htm
[3] 八年级物理下册,义务教育教科书,人民教育出版社