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海底遛船第一人!也就杰克船长敢这么玩

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认真阅读下面的文章,并思考文末互动提出的问题,严格按照互动:你的答案格式在评论区留言,就有机会获得由科学出版社提供的优质科普书籍《跟着TED学科学(数学与心理)》。

在《加勒比海盗》原版电影中,杰克·斯派罗船长和威尔·特纳通过停泊的船只轻松逃离了皇家港。他们借助倒扣的划艇,在水面下储存空气维持呼吸,得以在海底行走。这段场景令人惊叹,但——这真的可行吗?你也能做到吗?

当然,电影的妙处就在于不必拘泥于现实(《加勒比海盗》系列就充分利用了这条特权)。我之所以提出这个问题,是因为这能让我们以有趣的方式探讨物理原理,理解世界的运作规律。快戴上护目镜,让我们一起潜入其中吧!

《加勒比海盗》电影剧照。图源:EVERETT COLLECTION

是什么使船漂浮?

虽然看起来可能不是这样,但水中的物体仍受重力作用,这与在陆地上并没有什么不同。那么为何你在水下会有失重的感觉呢?让我们稍微回顾一下。假设你有一块钢块和一块泡沫塑料块,两者体积均为1立方英尺。每个物体都有质量,其值等于体积(V)乘密度(ρ)。那么作用于每个物体上的重力(Fg)就是质量乘重力加速度(g):

你其实早已知晓这个道理,因为Fg正是大众所谓的物体“重量”,而对于给定体积,重量仅取决于密度。现在,若将这些块状物投入湖中,理所当然的是泡沫塑料会漂浮,钢铁则会下沉。显然,这看起来浮沉的现象与密度似乎存在着某种关系。

充气的皮划艇可以漂浮在水面上。图源:pixabay

如果有一块体积相同的“水块”呢?倘若你能拿住这个一立方英尺(约0.0283m3)的“水块”,它会相当沉重,约重62.4磅(约28.3kg)。现在,若你小心地把它放入湖中,它会下沉还是像泡沫塑料那样浮在水面?都不是,对吧?它只会静静地悬浮在那里。

由于水块既不上升也不下降,作用在其上的合力必然为零。这意味着必须存在一种与重力大小相等、方向相反的向上推的力。我们称这种力为浮力,并且对于任何物体而言,它受的浮力都等于它排开的水的重力。

那么让我们思考一下。如果钢块排开的水量与“水块”相同,那么它受到的向上浮力也与“水块”相同。但由于钢块密度更大、质量更大,它便下沉了。

而处于正中间的物体既不会过重下沉也不会过轻浮出水面——我们称之为中性浮力状态(neutral buoyancy)。人类与中性状态相当接近,因为我们的身体含水量达60%。这就是为什么你在水中会感到失重——浮力几乎完全抵消了重力。

等等!聪明的你立刻联想到一个问题:航空母舰由钢铁铸成,重达十万吨,为何还能漂浮?猜猜看?关键在于它的形状。与实心钢块不同,船体是中空的,内部充满空气,因此它的体积相对于重量而言要大得多。

重量巨大的游轮仍然能够漂浮在水面上。图源:pixabay

但若开始装载货物呢?船体变重,意味着它必须排开更多水才能达到平衡点。通常来讲,当船只下水时,它会下沉直至排开的水的重量等于船体总重。

很酷吧?传说这套原理早在两千多年前就被阿基米德发现了——当时他踏进浴缸时,注意到了水位上升。

阿基米德在泡澡时观察到水位上升,发现了浮力的秘密。图源:freepik

水下船体所受的力

那么,要让一艘倒置的小船在海底行走需要什么条件?我们先从受力图开始分析:

这艘船上存在四种力:有向上推的浮力(FB),有向下拉的重力(质量乘以重力加速度,即mg)。最后,威尔和杰克还得向上推船,这样船才能向下压住他们。毕竟,当你处于相当的失重状态时,在船底行走相当困难(相信我,我试过。)

那么我们来计算一下。人产生的力微不足道,可以忽略不计。对于浮力,我们使用与上述重力相同的公式F = ρVg来计算被排开的水的重量。水的密度(ρ)为1000kg/m3,假设充气的船体积为3m3。乘重力加速度g(9.8 N/Kg),得出浮力为29,400 N。若换算为英制单位(杰克和威尔可能使用该单位),则相当于6,600磅(大约2996kg)。

漂浮在水面的物体受到的浮力与重力大小相等,方向相反。图源:pixabay

这意味着什么?这意味着船体必须至少重达6600磅——显然它达不到这个重量——若达不到的话,浮力会让船体直冲水面。我只想得到两种解决方案:要么放掉空气减少容积——显然不是首选方案——要么添加超过3吨的压舱物。或许用金币?海盗喜欢黄金,且其密度极高。但当你推着手推车满载黄金奔向海滩时,要保持隐蔽可就难了。

空气压缩呢?

我猜可能会有人举手提问。难道不是越往下潜,划艇的内部空气会被压缩,导致体积减小,从而降低浮力吗?问得好。没错,随着深度增加水压增大,确实会发生这种情况。但这样就足够了吗?

要解决这个问题,我们可以运用理想气体定律。该定律揭示了气体压力(P)与其体积(V)之间的关系:

在此模型中,n代表气体量(以摩尔为单位),T代表温度(R仅为常数)。当船只下潜至更深水域时,船舱内困住的空气量保持不变,为简化起见,我们假设温度也保持恒定。

这意味着方程右侧的整个部分都是常量。进而表明压力与体积成反比:当P增大时,V减小——反之亦然。这就是波义耳定律。

现在,如果你处于水下,所承受的压力是大气压与水压之和。这听起来或许奇怪,但这是因为你不仅要承受水面以上大气层的重量(1个大气压),还要承受上方水柱的重量。根据经验,每下潜10米,总压力就会增加约1个大气压。

将水面处的压力和体积分别记为P1和V1,为简化起见,假设划艇内空气的初始体积为1 m³。水下压力和体积分别记为P2和V2。根据上述假设,根据波义耳定律可得P1V1 = P2V2。因此可轻松求得5米深度处的空气体积:P1V1/P2= 1/1.5,故V2 = 0.67 m³。

换言之,体积减少了三分之一。但此时仍能产生4400磅(大约1995.8kg)的浮力。若杰克和威尔将船只下沉至30米(约100英尺)深处,体积和浮力将减少75%。但此时浮力仍达1650磅(大约748kg),且深度远超安全范围。即便能抵达该深度,在4个大气压环境下呼吸压缩空气时,必须进行极其缓慢且受控的上升,才能避免减压病。

归根结底:这种水下行走的把戏纯属天方夜谭——虚假得如同愚人金——但这也是非常具有含金量的娱乐。

作者:Rhett Allain

翻译:zzz

审校:姬子隰

fu

li

shi

jian

今天我们将送出由科学出版社提供的《跟着TED学科学(数学与心理)》。

《跟着TED学科学:数学》由TED-Ed项目中与数学相关的动画视频改编而来,共分为几何与凸轮、代数与逻辑推理、博弈与相对论三个大板块,包含12个数学谜题。每个谜题都是一个童话、一场探险。整本书是一系列幻想和思维的历险记。内容从《爱丽丝梦游仙境》中的谜题到对爱因斯坦双生子佯谬的解释,内容逻辑性极强,但都丰富有趣。每个谜题都从问题阐述开始,给出所有条件,让读者先思考,再逐步阐述解答过程。在解答迷题的过程中,读者不仅会收获快乐,还会学到数学逻辑。这本书将数学的概念和数学思维贯穿在每个谜题里面。这些谜题新奇又有趣,能够激发孩子持续思考和探究的兴趣。本书涉及的知识有助于学生对数学学科的学习。

《跟着TED学科学:心理》由TED-Ed项目中与心理相关的动画视频改编而来,共分为基础篇、学习篇、生活篇三大板块,包含12个心理学相关的话题。这些话题都很有特点,让人印象深刻。有一些非常有趣又无厘头的话题,比如“和自己说话正常吗”“为什么会想要揉捏可爱的东西”“为什么能力不行的人总认为他们很行”;有一些有用又深刻的话题,比如“压力下如何保持冷静”“当你不想做事时如何找到动力”“沟通不畅为何发生以及如何避免”;等等。对这些话题的学习和思考,能够让学生早早了解心理可能出现的各种问题。

这本书的讲述方式有趣又有魅力,在人文内容中加入了科学思维,能够激发孩子持续思考和探究的兴趣。它可以作为孩子早期的心理导师和朋友,和孩子共同成长。

【互动问题:你知道哪些利用浮力解决生活问题的有趣的例子?】

请大家严格按照互动:问题答案的格式在评论区留言参与互动,格式不符合要求者无效。

截止到本周四中午12:00,参与互动的留言中点赞数排名第二、三、五的朋友将获得我们送出的图书一套(点赞数相同的留言记为并列,下一名次序加一,如并列第二之后的读者记为第三名,以此类推)。

为了保证更多的朋友能够参与获奖,过往四期内获过奖的朋友不能再获得奖品,名次会依次顺延

*本活动仅限于微信平台

编辑:姬子隰

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