luda 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
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。
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=1.0×103kg/m3，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1.0×105Pa。人体的表面积按2米2计算，则受到的大气压力为2×105N。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。
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=2×103kg×10N/kg=2×104N可知，2吨的压载铁都抛掉的话，深潜器可多获得约1.75×104N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。
假定浮力材料密度为ρ=0.5×103kg/m3，体积V=1m3，g取10N/kg，海水密度取ρ水=1.0×103kg/m3，则浮力材料自身所受重力大小G=ρgV=0.5×103kg/m3×10N/kg×1m3=5 000N，而所受浮力大小F浮=ρ水V排g=1.0×103kg/m3×1m3×10N/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。
“奋斗者”号的重力分布对维持自身平衡也很关键
深潜器与飞机类似，如果重力分布不合理，在下潜或上浮过程中的平衡就会受影响。对于深潜器而言，里面的空间非常宝贵，可谓寸土寸金。2012年，卡梅隆驾驶自己设计的“深海挑战者”号下潜时，整个人只能弯腰驼背地窝在直径只有109厘米的钢球驾驶舱里，他还专门为此练习了瑜伽。
因此，在深潜器的设计中，对于质量是能去则去，而对于空间是能抠就抠。
海面下还有潜在的威胁吗
对深潜器造成影响的，还远不止因海水受重力作用而产生的压强。
看似平静的海面下凶险异常。海水因盐度、温度、密度存在差异，会形成水下界面，称为跃层。界面大家并不陌生，海面是海水和大气的界面，玻璃表面是空气和玻璃的界面。说句笑话，我们的脸面其实就是空气和我们脸的界面。当光由透明介质照射到不透明介质的界面时，比如光由空气照射到平面镜的表面，一部分会反射到原来的介质（空气）中，遵守光的反射规律；一部分被平面镜表面吸收，导致温度升高。如果是光斜射到水面，除了反射的那部分和吸收的那部分，还有部分折射到水下。声音也会发生反射和折射。但是在海面下，情况就复杂了。海洋内部的密度界面受到外部扰动时，会发生内部波动，即内波，与海面波相对。海水密度的层间变化很小，跃层上下的密度差约为0.1％，只要有很小的扰动，就会产生内波。海洋中内波分布广，随机性强，波速较小，波长范围会从几十米到几十千米，振幅会从几米到百米。内波界面的两侧，有很大的海水流速差，从而对水下物体产生很大的剪切力，甚至可以让钢缆断裂。1963年4月10日，美国海军“长尾鲨”号核潜艇沉没，艇上129人无一生还，这是人类历史上第一次核潜艇沉没事故，很多专家怀疑就是内波在作祟。
海面下洋流环境复杂，波浪共振、浮体结构共振响应还会导致深潜器的升降、晃荡、扭转，涡流振动、湍流振动等还会诱发深潜器外壳材料疲劳破坏，等等。
我们可以体验一下，双手握住一截铁丝的两端，将其反复弯折。弯折处温度会越来越高（通过做功，机械能转化为内能），最终铁丝会断裂，这就是疲劳破坏。海面下，那些变幻莫测的海水就如同我们的双手，时刻对深潜器产生作用。
海面下还潜藏着无数的威胁
此外，在材料的制造过程中，由于分子和原子排列得不均匀，会让材料产生肉眼难以看到的微小裂纹。当深潜器下潜时，受压不断增大，会导致材料内部裂纹迅速扩展，最终导致宏观断裂。这种断裂事先很难发现征兆，称为脆性断裂。不过可以告诉大家，“奋斗者”号使用的新钛合金在断裂韧性等综合指标上完全满足深潜要求。
人类是怎么“看到”海底的
可见光照射到海水后，随着深度加深而逐渐削弱。红光和橙光的穿透距离不到10米，绿光和蓝光最多可达到100米，但光强减弱99％。另外，海水透明度的差异也会导致光线穿透距离的不同，能够抵达1 000米水深的光只有极少量。由于可见光很难穿透海水，所以无法用可见光直接观察水下。相比而言，蓝光在水下的穿透能力是最强的，但是即使海水的透明度很高，光前进100米，光强也会衰减到只剩1％。
深海里没有阳光，所以生命也无法进行光合作用。目前研究表明，生物依靠海底热泉中化学物质的能量，形成了独特的生态链。
电磁波也很难穿透海水，所以难以用来探测海底。海水平均深度为3 800米，遥感技术也难以穿透。
初中物理提到，利用超声波的反射可以发现潜艇、鱼群等水下目标，还能测绘海底地形。需要告诉大家的是，使用声呐装置探测海底，随着水体变深，测量的精度会变差。如果到4 000米深度，可分辨的最高精度只有10米左右。目前通过声呐探测过的海底，仅占地球海底面积的10％。
还有一种方法是利用重力加速度的微小变化，高中会学习到相关知识。海水较浅的地方，海面到海底距离短，因海底岩石密度比海水大，根据万有引力定律，此处重力加速度会较大，这样就会聚集更多的海水，导致海平面略高。现在人造卫星对海面高度的测量精度可以达到毫米级，根据数据可测算出水平方向的水深分布，但是对海底地形的了解精度只能达到数千米。
“沧海”号在万米海底拍摄的“奋斗者”号
2020年11月13日，深海着陆器“沧海”号和“奋斗者”号分别坐底马里亚纳海沟后，确定彼此位置用的是声学定位。大家在电视直播中看到，“沧海”号向“奋斗者”号发出蓝绿色的光，引导“奋斗者”号向它移动。之所以使用蓝绿色的灯光，就是因为不易被海水吸收。至于电视实时直播，则是“奋斗者”号舱内的摄像头将拍摄的画面编码，通过激光发射器传给“沧海”号，由“沧海”号转换为数字画面，通过光缆传送到海面的母船，母船将信号传给通信卫星就OK了。
人类终于看到万米海底的实时高清画面！
距离人类1960年首次探底马里亚纳海沟，已经过去了一甲子！
“奋斗者”号深潜，所涉及的科学知识远远不止这些，还有设备、电缆、仪器在海水中的防腐问题，液压系统的可靠性问题，锂电池的温度升高问题，等等。我们掌握的知识越多，理解也会越深刻。深海蕴含丰富的资源，深海隐藏着太多的秘密，我们对深海了解还很少。在海洋强国目标的激励下，我们“深潜、深网、深钻、深渔”的技术必将不断进步，我国的科研工作者一定能为全球海洋开发事业作出原创性、奠基性贡献。
作者：张军
作者单位：南京市玄武高级中学
原文刊载《科学大众》杂志2021年1-2期