物理⽼师带你解读“奋⽃者”号万⽶深潜
2020年注定是我国科技发展不平凡的⼀年，11⽉，⼜有⿎舞⼈⼼的事件精彩亮相——我国⾃主研制的“奋⽃者”号全海深载⼈潜⽔器顺利完成万⽶深潜试验。这意味着，我国在材料科学、精密加⼯、⾃动巡航、⽔下通信等多个领域的研究迈上了⼀个新的台阶。再复杂的科学与技术，也有其基本原理。今天，我们运⽤物理知识，对“奋⽃者”号的深潜本领进⾏⼀个简单梳理。
如何承受海⽔巨⼤的压强
萨博9-4x戴上塑料薄膜⼿套或乳胶⼿套，然后把⼿伸到⽔下，我们会感到⼿套紧紧地贴在⼿上，这是因为液体内部存在压强。
在开⼝的饮料瓶侧壁不同⾼度的地⽅戳⼏个⼩孔，然后往瓶⾥注满⽔，⽔会从侧壁的⼩孔喷出来。从下⾯⼩孔流出的⽔，喷得更急。这是因为液体内部越深处，液体的压强越⼤。
中兴无限你也可以试着做⼀下这个实验供图/锐景创意
我们不妨⽤液体内部压强公式来测算⼀下。为简化计算，海⽔密度取ρ⽔ =1.0×10 3 kg/m 3 ，g取10N/kg，根据p=ρ⽔gh，我们可以知道，在ρ⽔与g不变的情况下，p与h成正⽐。也就是说，深度越深，液体内部的压强越⼤。
需要说明的是，由于含盐量、温度、杂质含量、压强等不同，海⾯下不同深度、不同地点的海⽔密度其实是不同的。不同深度、不同地点的g值也是不同的。
另外，⽔⾯还有⼤⽓压。温度为0℃、纬度为45°海平⾯上的⽓压称为标准⼤⽓压，约为1.0×10 5 Pa。⼈体的表⾯积按2⽶ 2 计算，则受到的⼤⽓压⼒为2×10 5 N。这是⼀个多⼤的⼒呢？相当于⼀个质量为20吨的物体所受的重⼒！那么，⼈为什么没有被压坏呢？因为我们体内的液体、⽓体同样有压强，能够抵御外界的⽓压。经过漫长的进化，我们早已适应地球的⼤⽓环境，以⾄于通常情况下我们感受不到⽓体在压我们，这也是⼈类在很长时间内不知道空⽓存在的原因之⼀。
海⾯下，⽔深每增加10⽶，海⽔⽔压增加1个标准⼤⽓压。海⾯下的物体承受的压强，是⽔压和⽔⾯⽓压的总和。
当我们潜⽔的时候，2⽶深的⽔产⽣的压强已经让我们觉得胸闷。普通⼈如果不使⽤任何潜⽔设备，
⼀般来说只能下潜10⽶，这个深度已经可以压垮⼀辆空油罐车了。如果是专业⼈员，可以下潜到30~50⽶（电视剧《狄仁杰》中提到的在邗沟盗盐的“⽔⿁”，就是吃潜⽔饭的渔民），但是浑⾝都会剧烈疼痛。法国潜⽔员曾创造113⽶的裸潜纪录，当然，这个挑战是玩命的。
⽔下40⽶处，⽔压⾼达4个标准⼤⽓压，乒乓球会被压爆。
⽔下300⽶处，⽔压⾼达30个标准⼤⽓压。所以潜艇通常在⽔下300~600⽶深度活动，如果下潜太深，普通的潜艇材料会被压成⼀块⾦属板。冷战时期，苏联研制的M级685型攻击核潜艇，最⼤潜深达到了1 250⽶。但是这艘潜艇属于科研实验性质，它的外壳是钛合⾦打造的，能承受⾼压，不过价格太⾼了，要花⾎本。
玻璃碎⽚是个硬茬⼉吧？700⽶的深度，普通玻璃会被压成粉末。
1 000⽶的深度，如果温度低于10℃，连甲烷⽓体都会形成⽔合物——这就是可燃冰。
⼿握鸡蛋时的受⼒分析⽰意图
这么⼤的压强环境，海底还会有⽣物存在吗？
有的，⽽且⾮常多。
和⼈⼀样，海底的鱼类也适应了⽔⾯下的⾼压。我们常吃的带鱼⼀般⽣活在20~200⽶的⽔层，现在已经可以⼈⼯养殖了。200⽶⽔深以下的鱼，我们称之为深海鱼。有资料显⽰，深海龙鱼可⽣活在⽔下1 500⽶，吞噬鳗可⽣活在⽔下1f0怎么样
吉利收购宾利了。200⽶⽔深以下的鱼，我们称之为深海鱼。有资料显⽰，深海龙鱼可⽣活在⽔下1 500⽶，吞噬鳗可⽣活在⽔下1 800⽶。⽔下7 000⽶处，依然有鱼类在活动。超万⽶深的马⾥亚纳海沟，还有⽣物的踪迹。这些都是能硬抗的主！
当深海鱼被快速捞出⽔⾯时，⾝体外⾯承受的压强⼤幅度减⼩，但是体内压强依然很⼤，这个致命的压强差会导致器官和组织内的氧⽓、氮⽓等从⾎液析出，鱼类会因⾎液循环受阻或器官破裂⽽亡，这就是俗称的“减压病”。同样的道理，深⽔作业的潜⽔员在下潜过程中，体内压强也在发⽣变化，以适应⽔下的⾼压，这个⼀般容易实现。但是在上浮时，再由⾼压恢复到低压状态就没那么容易了，每上升10⽶都得休息适应⼀段时间，否则潜⽔员也会因“减压病”损伤细胞或器官。
7 000⽶⽔下，钢板会像纸⼀张柔弱。此处压强相当于⽤⼿掌托起7辆10吨重的卡车。
到⽔下万⽶深度处，压强⼜会变得多⼤呢？有⼈做过计算，这相当于2 000头⾮洲象踩在⼀个⼈的背上，或者3辆SUV压在⼈的⼤脚趾上！
如此巨⼤的压强，带来的挑战可想⽽知。中国载⼈深潜研究起步⽐较晚，从1986年第⼀艘载⼈潜⽔器研制成功，⾄今也不过35年，但是研发⼈员劈波斩浪，先后突破了多项核⼼技术。到“蛟龙”号、“深海勇⼠”号建造成功，我们已在⽔下定位、声呐探测、机械控制、消除母船噪声、抗洋流⼲扰、悬停和⾃动驾驶、动⼒系统等多个领域积累了丰富的经验，抗压材料的技术也⾛向成熟。“奋⽃者”号更是融合了前两代装备的优势，更进⼀步。
载⼈舱是深潜器的核⼼，位置偏下⽅，承受的压强更⼤⼀些。为了让载⼈舱在各⽅向受⼒均匀，避免应⼒集中，设计成了球形。我们在⼩学就学习过，球形外壳的设计可以承受更⼤的压强。⽐如，我们徒⼿握鸡蛋就很难握破。球形设计受⼒本领强，在理论上和实际应⽤中都已得到证明。此外，为了更抗压，深潜器还使⽤了新型钛合⾦材料。
如何实现下潜和上浮
我们先来分析⼀下，潜艇在海洋中是如何实现下潜和上浮的。我们可以从浮⼒与重⼒的⼤⼩关系、潜艇平均密度与⽔密度的⼤⼩关系这两个⾓度来看。
为简化分析，我们依然假定海⽔的密度不变，并假定潜艇在海⾯之下，外观体积不变，这样浸没在⽔下时排开海⽔的体积V 排也不变。根据浮⼒公式F 浮 =ρ海⽔ gV 排，可知浮⼒不变。当打开潜艇中的空⽓舱室，往内灌⼊海⽔时，潜艇⾃重G增⼤。在液⾯下，若G=F 浮，则潜艇悬浮；若G＞F 浮，则潜艇下潜。如果往空⽓舱室压⼊空⽓，将海⽔排出，则潜艇⾃重G减⼩，当G＜F 浮时，潜艇上浮。
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从密度⾓度看，也很好理解。调节灌⼊舱室内的海⽔，就可以调节潜艇的平均密度。当潜艇平均密度⼤于海⽔密度时，潜艇就能下潜；当潜艇平均密度等于海⽔密度时，潜艇在海⾯下悬浮；当潜艇平均密度⼩于海⽔密度时，潜艇就能上浮，最终漂浮。
潜艇下潜、上浮原理图供图/视觉中国
那么，深潜器也是使⽤这种⽅法吗？不⾏，实现不了。前⾯分析过，海⽔越深，海⽔的压强就越⼤。潜艇活动的海⽔深度⼀般为300~600⽶，这个深度的⽔压为30~60个标准⼤⽓压。想要将空⽓舱室⾥的海⽔排出，加在空⽓舱室的空⽓压强也就需要30~60个标准⼤⽓压，设备和技术⼿段是可以做到的。但是在万⽶深度，海⽔压强约为1 000个标准⼤⽓压，深潜器的实际条件⽆法产⽣这么⼤的⾼压。此招⾏不通。
深潜器上浮⽰意图
那么，深潜器是如何下潜和上浮的呢？重点靠两招。
第⼀，改变⾃重或⾃⾝平均密度。
⼈抱着⼀块⽯头，可以顺利地潜到⽔下。如果我们想浮起来，只要把⽯头丢掉就⾏了。丢掉⽯头后，浮⼒减⼩得不多，但重⼒减⼩了很多。深潜器也采⽤了类似的⽅法，只不过带的不是⽯头，⽽是压载铁。“奋⽃者”号⾝上装配了4块压载铁，总质量将近2吨。当“奋⽃者”号准备上浮时，它会抛掉2块压载铁，上浮就容易得多了。由G=mg=2×10 3 kg×10N/kg=2×10 4 N可知，2吨的压载铁都抛掉的话，深潜器可多获得约1.75×10 4 N的额外浮⼒（压载铁本⾝所受浮⼒约为2 500N）。
第⼆，穿件“救⽣⾐”，帮助上浮。
因救⽣⾐的密度⼩于我们⼈体密度，所以可以给我们提供额外的浮⼒；或者把⼈体和救⽣⾐看成⼀个整体，平均密度⼩于⽔，易于上浮。
深潜器的这件“救⽣⾐”，我们称为浮⼒材料。它可以降低深潜器的整体密度，或者说为深潜器提供额外的浮⼒。
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假定浮⼒材料密度为ρ=0.5×10 3 kg/m 3 ，体积V=1m 3 ，g取10N/kg，海⽔密度取ρ⽔ =1.0×10 3 kg/m 3 ，则浮⼒材料⾃⾝所受重⼒⼤⼩G=ρgV=0.5×10 3 kg/m 3 ×10N/kg×1m 3 =5 000N，⽽所受浮⼒⼤⼩F 浮 =ρ⽔ V 排 g=1.0×10 3 kg/m 3 ×1m 3 ×10N/kg =10 000N，这样浮⼒与重⼒就有了△F=F 浮－G=5 000N的差值，这个5 000N的差值就称为净浮⼒。也就是说，穿“救⽣⾐”的深潜器与不穿“救⽣⾐” 的深潜器相⽐，多出了5 000N的浮⼒。⼤家也可以看出，海⽔密度与浮⼒材料的密度之⽐越⼤，这种材料的有效载荷能⼒越⾼。
⼀般来说，浮⼒材料在潜⽔器上部⽐较多，这样可以帮助深潜器保持直⽴姿态。
说起来容易，要想真正制造出这样的浮⼒材料，就不是⼀件容易的事情了。
深海⽔压很⼤，材料必须耐压；在海⽔⾼盐环境中，材料必须耐腐蚀；海⾯下复杂的⽔流会冲刷，因此材料还必须耐磨……不仅如此，当材料附着在主体结构外⾯时，还必须考虑到不能从主体结构上脱落，考虑到整体的⽐重分布，考虑到外观的流线型设计，等等。
“奋⽃者”号采⽤的固体浮⼒材料为微⽶级⼤⼩的空⼼玻璃微珠，具有密度⼩、耐磨耐⾼温、隔⾳隔热、电绝缘等多⽅⾯优点，抗压能⼒超过110MPa。这是我国科研⼯作者连续多年研发的成果。
重⼒分布也很关键
我们都折过纸飞机，折纸对左右对称要求很⾼，前后的重⼒分布也很有讲究。如果纸飞机重⼒分布不科学，飞⾏时就会出现栽头、转弯、运动轨迹不规则等多种状况。真正的民航客机是⾮常重视配载的，乘客位置、⾏李摆放、货舱的货物堆放、燃油质量的变化，都会对飞机的重⼒分布产⽣影响。印尼狮航曾有⼀段时间经常发⽣事故，以⾄于被欧盟禁⽌飞往欧洲，发⽣事故的原因之⼀就是计算飞机重⼒分布的⼿段落后。