鯨魚潛入海底上千米都沒事,鋼鐵打造的潛艇,卻容易被海水壓扁?

aiya 2022/11/18 檢舉 我要評論

生命的起源是海洋。海底深藏著無數寶藏和秘密,人類為探究深海的秘密,從未停止過腳步。但是目前,我們對海洋的認識還停留在海洋中上層的5%左右,對95%的深海區域卻知之甚少。造成這一困境的主要原因,是目前人造潛艇無法承受深海的高壓。于是科學家們把目光轉移到了可以在深海生存的鯨魚身上,試圖從鯨魚的身上找到潛入深海的秘密。

鯨魚為何能潛入深海?

由于水中的壓強與水深成正比,水深每增加10.3米,壓強就會增加一個大氣壓單位,所以潛水是對人體極大的挑戰。喜歡游泳的朋友們肯定深有感觸,在深水區游泳時,很容易出現胸悶頭暈的癥狀,這就是壓強的作用。

鯨魚之所以可以抵擋水中的高壓,潛入上千米的深海,與它的身體結構有著密不可分的關系。鯨魚雖然跟魚類一樣都有流線型的身體結構,但它屬于哺乳動物,用肺呼吸,常年生活在深海區,需要定時游到海面換氣,所以鯨魚的肺經常需要儲存大量氧氣。鯨魚的上浮和下潛靠的是改變肺中空氣的浮力,肺中空氣越多,浮力越大,鯨魚便會上浮;反之,空氣少,浮力小,鯨魚就會下潛。

除此之外,鯨魚可以安然無恙地待在深海區不被高壓壓扁,靠的也是肺。鯨魚的肺可以通過改變其中的氣體體積來改變身體內的壓強,從而達到內外壓強平衡。鯨魚在潛入深海的過程中,肺會隨著下潛深度而逐漸縮小,致使體內壓強增大,與外界保持一致,從深海上浮則相反。但是鯨魚也不能無限下潛,它的肺不能無限縮小,當到達某一限度時,就不再縮小了,鯨魚體內的壓強也就不再增大了。這時如果繼續下潛,鯨魚也逃不了被高壓壓扁的命運。

除了結構特殊的肺以外,鯨魚還有很厚的身體表皮,肌肉很有彈力,可以幫助鯨魚抵擋住深水的壓力。外界壓強變大時,鯨魚的內部器官還可以分泌出半透明的包覆層,幫助保護其內部器官。

鯨魚深潛的能力是漫長的進化的結果,不同種類的鯨魚可下潛的深度也不同。小型齒鯨的下潛深度在100-300米之間,長須鯨可以下潛至300-500米,下潛最深的是抹香鯨,可以下潛至1000-2000米的深海中,因此抹香鯨也被稱為哺乳動物中的「潛水冠軍」。

潛艇為何難以潛入深海?

想要對海洋進行更深刻的認識,就必須要到海底下去,去瞧一瞧海洋深處究竟藏著什麼秘密。于是,早在16世紀就有人提出「水下航行船體結構」理論,到了17世紀20年代,荷蘭物理學家科尼利斯•德雷爾成功制造出歷史上第一艘,能夠潛入水下并在水下行進的「船」。這一發明開辟了人類探索海洋的新道路,后因戰爭催生,科技進步,潛艇迅速發展,到了1879年,第一艘現代化潛艇誕生。現代化潛艇正是根據鯨魚的結構特點制造出來的。鯨魚可以利用肺中的空氣在水中的浮力使自己上浮下潛,而潛艇的上方設有壓載水艙,往壓載水艙里注水,潛艇的重量變大,潛艇就下潛;將壓載水艙里的水排出,使其中充滿空氣,潛艇變輕,潛艇就上浮。

「奮斗者」號為何能下潛上萬米?

既然要維持內外壓力的平衡,那可以通過人為地將潛艇內部的壓力加大來平衡深海中的高水壓嗎?答案是不能。潛艇內部的壓強必須與陸地上的壓強保持一致,這不僅僅是考慮到人類在里面的生存問題,而且很多內部設備也只有在標準大氣壓下才能正常運轉,所以想要提高潛艇的下潛深度,只能靠堅硬的外殼抵抗來自深海的壓強,保護潛艇不被壓扁。

想要提高潛艇的下潛深度,最大的困難就是如何抵抗深海帶來的高壓。從目前的潛艇結構來看,要想抵抗高壓,必須制造出更堅硬的材料來作為潛艇的外殼。從理論上分析,借鑒鯨魚肺的運作機理,在深海區提高潛艇內部的壓強實現內外壓強統一也可提高下潛深度,但前提要解決潛艇內設備在高壓下的運作問題。除此之外,深潛帶來的難題還有海下通訊困難、海水導致潛艇靈活性降低、海下作業困難等等。

「奮斗者」號為何能下潛上萬米?

2020年11月10日,中國載人潛水器「奮斗者」號在西太平洋馬里亞納海溝成功下潛突破一萬米,再創中國載人深潛的新紀錄。我國載人潛水器研究雖然起步較晚,但后來居上,發展迅速,短短五十年時間,我國載人深潛領域已達世界領先水平。從「蛟龍號」到「奮斗者」號,科學家獨創的新型鈦合金材料,采用電子束焊接技術,給「奮斗者」號穿上了「鎧甲」,讓「奮斗者」號更加堅固,潛水器的整體耐壓水平大大提高。

深海中地形復雜,海水會大大干擾深潛器的靈活度和操作性能,一旦操作不當便容易發生「觸礁」危險。針對這一難題,科研人員設計出「神經網絡優化算法」,給「奮斗者」號加了個「大腦」,使其擁有在復雜的海底擁有巡航、定點航行、懸停定位等功能,躲避危險。科學家們還給「奮斗者」號安裝了一只靈活的「手」,大大提高了「奮斗者」號在深海作業的精準性和可操控性。除此之外,「奮斗者」號還有持久作業、高效作業能力,可連接水面的高速數字水聲通信等優勢,這都表明了「奮斗者」號在萬米級所擁有的綜合性技術實力。

「奮斗者」號完成海試,意味著我們率先擁有了領先的深淵科考作業能力。從某種角度上說,是鯨魚成就了如今潛艇技術的輝煌。雖然目前潛艇的發展在逐步走向成熟,取得諸多傲人的成績,但在結構和航行上,仍不如海洋生物那般精巧高明,這也不得不讓我們感慨大自然的精妙與神奇,所以,人類在飛速發展之際,要走可持續發展道路,敬畏自然,保護自然。而潛艇技術在未來的發展中,還需要科學家們的不懈努力,繼續弘揚科學精神,在海洋生物身上繼續探索。

展在逐步走向成熟,取得諸多傲人的成績,但在結構和航行上,仍不如海洋生物那般精巧高明,這也不得不讓我們感慨大自然的精妙與神奇,所以,人類在飛速發展之際,要走可持續發展道路,敬畏自然,保護自然。而潛艇技術在未來的發展中,還需要科學家們的不懈努力,繼續弘揚科學精神,在海洋生物身上繼續探索。

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