压力公式怎么计算(为什么人类承受不了深海的压力,而深海鱼类却活动自如?)

压力公式怎么计算(为什么人类承受不了深海的压力,而深海鱼类却活动自如?)

先来弄清楚什么是“压力”和“压强”。

所谓压力,是指两个物体接触表面的作用力。比如我们用手压在桌子上,这个桌子被接触的表面就承受了压力,如果桌面是柔软的,就会被压出一个凹坑。

这种压力是局部的,接触式的。

压力的计算公式为:压力=压强×受力面积(F=pS)。

压力的国际单位叫“牛顿”,简称“牛”,符号为“N”;

“压力”一词与物理学中的”压强”同义。

压强的国际单位叫“帕斯卡”,简称“帕”,符号为“Pa”。

换算:1帕(Pa)=1N/㎡;

我们通常说的一个大气压等于:

1大气压(atm)=101325帕(Pa)=0.101325兆帕(MPa)=14.696磅/平方英寸(psi)=1.0333千克/平方厘米(kg/c㎡)=1.0133巴(bar)。

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气压和水压的特点。

气体或液体对于固体的压力,是一种垂直作用力,尤其在空气中和水中,这种压力是来自四面八方,垂直均衡于被压物体的每一个位置的。

如我们在地表接近海平面的地方,每时每刻都在约1个大气压的状态下,也就是我们全身的皮肤每一平方厘米都垂直均衡的承受着1公斤压力。

我们没有感到什么压力,反而很舒服。

我们常用一个词来形容很激动或情绪高涨,就是热血沸腾。

但严格的说,如果一个人真的热血沸腾就只有死翘翘了。这种情况就是发生在突然减压的情况下,如果覆盖在人体上的一个大气压突然没有了,人就真的“热血沸腾”了。

这个时候,我们身体里的液体和气体就会膨胀起来,从身体各个孔洞溢出,甚至从皮肤迸发出来,这种情况下,岂有活命之理?

比如在月球接近零气压的状态下,就是这个样子。

这说明人体适应了这种压力,体内有一个大气压的能量与体外气压抗衡。如果失去这种平衡,就等于体内有101325帕的压力必须释放出来,人体薄薄的皮肤是无法阻挡每平方厘米1公斤的压力的。

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而且大气压这种压力是均衡垂直的压在每一点皮肤上。

大气压就像在人的全身包裹了一层薄壳,与身体压力抗衡。

我们想象一下,如果这种压力并不均衡,会是什么状态?

一个正常的成年人,皮肤约1.5~2个平方米,也就是1.5万~2万平方厘米,一个大气压下承受的总压力达到1.5万~2万公斤,如果这些压力只集中在身体的任何地方,比如头顶、四肢、胸膛或屁股,能够承受吗?

而且那些没有了压力的位置,又要“热血沸腾”了。

这就是气压的特性。根据这个特性我们可以看出,抵御压力的方式有几点:

一是内外压差要平衡;二是压力作用于物体是均衡垂直。

做到这几点,物体或生物就能够承受足够大的压力。

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我们还可以随时测试一下很薄弱物体承受均衡垂直压力的能力。

鸡蛋壳很薄,两个指头一捏,就会碎裂。但如果你把鸡蛋放在掌心,用手掌包裹住鸡蛋,均匀用力,力求做到垂直均衡作用于蛋壳每一点,哪怕你使出吃奶的力气,也无法握碎这个鸡蛋。

我做过这个实验,完全可以证实这个道理,不信你也做做看。

这个原理用在建筑工程学上,叫做‘薄壳结构”。建筑师根据这种“薄壳结构”特点,设计出了许多既轻便又省料又牢固的建筑物。

人民大会场、许多现代火车站、首都机场、国家大剧院、悉尼歌剧院、以及刚竣工的大兴机场等都是利用这种原理的建筑。

压力公式怎么计算(为什么人类承受不了深海的压力,而深海鱼类却活动自如?)

作了这么多铺垫,现在我们来说说深水鱼。

其实,看了上述的一些解释和案例,就应该大致了解深水鱼为什么能够承受较大压力了。

首先,这些深水鱼是在深海中孕育生存活动的,经过长期进化演化,它们的机体生理机能已经适应了深海压力。

深海鱼类相对浅海鱼类,骨骼变薄,容易弯曲;肌肉组织变得特别柔韧,纤维组织变得很细密,这使它们不但能够在深海生存,还能够在巨大的压力下灵活自如;

其次,这些鱼的皮肤变成非常薄的层膜,可以渗入水分,使鱼体内充满水分,这样保持了体内外的压力平衡。

有了这两个武器,深海鱼就能够承受巨大压力而活动自如。

但深海鱼只能够活动在深海,如果在到了浅海或者被捕捞上船,就受不了低压状态,像前面说的人到了月球就会“热血沸腾”死翘翘。

这也是人们很难吃到深海活鱼的原因。

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但有一种鱼既可以在深海活动,也需要在浅海透气。

这就是巨大的鲸鱼,比如抹香鲸。

鲸鱼实际上算不上真正的鱼类,因为它们都是哺乳动物,需要肺来呼吸空气,而不像鱼通过鱼鳃来提取水中的氧气,完成血氧交换。

抹香鲸既要在海面上呼吸空气,又要潜到深海捕捉大王乌贼为食,有时要潜到2000多米的深海,它是怎么做到的呢?

原来,抹香鲸的身体结构也像深海鱼类一样,骨骼和肌肉纤维、皮肤都适用了深海的活动,不同的是鲸鱼用肺呼吸,如果不处理好,肺部就会受损。

鲸鱼的肺部有一个独特的结构,随着下潜深处,会逐步缩小,把气体都集中到气管、支气管中,鲸鱼的气管和支气管外面有坚硬的骨骼包围,这样就能抵御深海水压了。

而且鲸鱼在水中长时间工作时,并不完全是靠肺部储存的氧气,而是当肺部氧气用完,鲸鱼可以调动自己身体肌红蛋白贮存的氧气续命,抹香鲸的肌红蛋白贮氧能力是其他动物的约6倍。

这就是深海鱼类不被海水高压压瘪的原因。

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其实在深海,最怕压力的是气体,而不是坚硬的固体。

我们知道潜水艇突破设计的深海警戒线时,厚厚的钢板都会被压瘪,压碎。其实这并不是钢板本身吃不消,而是潜水艇里是空的,充满了气体,而气体是最容易被压缩的。

我们随便丢一个鹅卵石到海里,它掉到12000米深的马里亚纳海沟,也还依然是一个鹅卵石,丝毫也不会被压瘪或者压碎。

但如果这个石头里存有密闭气体,就很难说了。

在巨大的压强下,刚体物质在压力不平衡状态下,只能向气体一边变形,这样就只能被压破压碎了。

如果一艘潜水艇里面灌满水,就不怕压了,到达再深的海沟,也不会被压瘪。因为它的内外压差平衡了。很多海底沉船除了破洞,其余部分还能够保存完好就是这个道理。

现代的深潜器之所以能够在万米海沟活动,是因为做得很小,钢板很厚,足可以抵挡巨大的压力。但深潜器要活动,要坐人,就必须有接缝和机械臂,如何做好这些接缝能够承受巨大压力,才是高科技所在。

因此不是随便哪个国家哪个机构就能够做到的。

人之所以潜水深了就出现问题,是因为人的肺泡里充满了气体,机体组织和血液都只适应1个大气压,到了深海当然就被压瘪了。

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人类的潜水活动一般也就在几十米深,最多100米左右。

但也有很深的潜水记录。

人类徒手深潜记录(没有装备)是法国探险家吉翁·奈瑞创造的,2006年他在法国尼斯的Villerfranche-sur-Mer创下了113米的深潜记录;

创造装备深潜记录的是41岁的埃及人阿梅德.加布尔,2014年,他在红海的Dahab创下了332.35米记录。

他用了12分钟就到达了这个深度,而上来却用了15个小时!

这是为什么?

因为要克服突然减压的危险。

这些只能是个案,人类绝大部分带装备潜水活动也只能限定在100米深上面范围。

一般人类在海里面徒手潜泳的水深在1~3m之间,普通人装备潜水,一般会被要求在20米以内。稍微专业的水肺潜水最多也就是40m左右。受过专业训练的技术性潜水,其界限100m左右。

压力公式怎么计算(为什么人类承受不了深海的压力,而深海鱼类却活动自如?)

即便在这种深度活动久了,也需要高压氧舱的帮助。

因为随着每增加深度1米,人体承受的压力就要增加0.1个大气压,而深潜到50米,就增加了5个海平面大气压,100米增加了10个大气压。也就是人体每平方厘米增加了5~10公斤的压强。

我们家里使用的高压锅只是在1个大气压环境下增加了4~8KPa的压力,也就是还不到1个大气压,如果发生泄漏爆炸威力也是惊人的。

因此为了适应深水压力,下去前就需要在高压氧舱对潜水员缓慢加压;上来后,为了适应正常地表压力,又要在高压氧舱给潜水员做缓慢减压。

这是因为深潜上来,人体肺部和耳鼻等空腔中,会充满着与深水气压相同的气体,如突然快速减压,这些气体会剧烈膨胀争着排到体外,而气道很小,一下子很难排出,膨胀的气体就会憋坏人体组织,甚至撑爆组织造成死亡。

人体承受的压力越大,吸进的气体在血液中溶解饱和度越高。突然减压,血液中的气体就会释放出来,这些气体一下子排出不到体外,膨胀积存在体内,损害机体组织,就会得减压病,包括血栓、痛风等后遗症,贻害终身。

由此可见,人体是在地表生存很娇贵的动物,要有各种保护,才能够上天入地。好在人类聪明,有足够的能力制造出各种工具,可以走向深海,走向太空。

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