问题

一瓶水在深海会爆吗?如果会,不盖瓶盖它就不爆了吗?

回答
好的,我们来详细地聊聊一瓶水在深海会发生什么,以及瓶盖是否能改变结局。

深海的压力有多大?

首先,我们需要了解深海环境的特点:巨大的水压。

压力是如何产生的? 在地球上,我们生活在大气层下,同样会受到大气压力的影响。然而,在大气层之外还有厚厚的大气层,它们被重力拉向下,从而在地球表面产生压力。
水的压力: 水比空气密度大得多,所以水对物体产生的压力增长得更快。每下潜约10米,水压就会增加约一个大气压(1 atm)。
深海的极端压力: 举个例子,马里亚纳海沟,地球上最深的地方,深度超过11000米。在这个深度,水压可以达到惊人的1100个大气压以上!这意味着你承受的压力相当于在地面上同时叠加上1100层大气压。

那么,一瓶水在深海会爆吗?

是的,一瓶未打开(盖紧)的水在深海很可能会爆裂。

让我们来分析一下原因:

1. 水瓶的结构: 我们平时喝的水瓶,通常是由塑料(如PET)制成的,或者是玻璃瓶。这些材料虽然有一定的强度,但并非为承受如此巨大的外部压力而设计。
2. 内外压力差: 当你将一瓶未盖紧盖子的水带入深海时,一个关键因素是瓶内的水和瓶外的海水之间的压力差。
未盖紧的瓶子: 如果瓶盖没有完全拧紧,或者瓶子是敞开的,那么瓶内的水会与周围的深海水直接接触。此时,瓶内外的压力几乎是相同的。因为水本身是几乎不可压缩的,瓶子内部的水也会受到来自外部海水的巨大压力。
内部空气或水蒸气: 大多数瓶装水在灌装时,瓶内会留有少量空气,或者因为水的挥发而产生少量水蒸气。这些内部的气体或水蒸气也受到瓶内的压力。
压力差的产生(关键): 当瓶子被带到深海,外部海水的压力急剧增加。如果瓶盖是拧紧的,那么瓶内的空气和水被困住了。随着外部压力的增加,瓶内的空气(或水蒸气)会被压缩,但塑料或玻璃瓶的材料本身是相对刚性的。然而,更重要的是,瓶子作为一个整体,要承受从四面八方挤压过来的巨大水压。
3. 瓶子的变形与破坏:
挤压变形: 在巨大的外部压力下,瓶子会被从各个方向挤压。如果是坚固的玻璃瓶,它可能会直接碎裂。如果是塑料瓶,它会发生剧烈的内陷。想象一下,用手去捏一个普通的塑料瓶,在深海,这种“捏”的力量是难以想象的。
材料的极限: 即使是设计用来承受一定压力的容器,也会有其材料的极限。深海的压力远远超出了普通塑料瓶或玻璃瓶的设计极限。
“爆裂”的定义: 在这里,“爆裂”可能更准确地描述为瓶子因无法承受外部压力而瞬间内陷、破裂或形变到无法保持原有形状的状态。并不是说瓶子会像气球一样炸开,而是被巨大的外部压力压垮。

那么,如果不盖瓶盖,它就不爆了吗?

是的,如果瓶盖完全不盖,或者瓶子是敞开的,那么它就不会按照我们通常理解的“爆裂”那样发生。

这是因为:

1. 压力的平衡: 如果瓶子是敞开的,那么瓶子内部的水和瓶子外部的海水处于直接接触且压力一致的状态。海水会充满瓶子,瓶子内外的水所受到的压力是相同的。
2. 瓶子本身承受的压力: 在这种情况下,瓶子本身仍然会受到来自外部海水的巨大压力。但是,这个压力是均匀地作用在瓶子的各个表面上。与紧闭瓶子内部气体被压缩不同,敞开的瓶子里的水只是简单地受到了外部环境的压力。
3. 瓶子的命运: 瓶子本身(例如塑料瓶)仍然会受到巨大的挤压。在极深的压力下,柔软的塑料瓶会发生强烈的内陷和变形,最终可能也会因为材料本身的结构强度不足而破裂。但是,这种破裂不是因为内部压力大于外部压力而“炸开”,而是因为瓶子材料无法承受外部的挤压而“压垮”。
比喻: 就像你把一个空的塑料袋扔进深海,它会被压得扁扁的,甚至破裂,但它不会“爆炸”。

总结一下区别:

盖紧瓶盖: 瓶内有气体(或水蒸气),外部压力增大,内部气体被压缩,瓶子整体受到巨大的内外压力差和外部挤压力。瓶子很可能因为无法承受这种联合作用而破裂或内陷(我们常说的“爆裂”)。
不盖瓶盖(敞开): 瓶内外压力一致,海水会充满瓶子。瓶子本身仍然会受到巨大的外部挤压力,从而发生强烈的内陷和变形,甚至破裂,但不会是内部压力导致向外炸裂。

更深层的思考:

材料科学: 能够承受深海压力的容器,必须使用非常坚固且具有高抗压强度的材料,例如高强度合金(如钛合金)或者特殊的厚玻璃,并且需要设计成能够承受均匀外部压力而不会屈服的形状(例如球形或圆柱形)。
生物适应性: 深海生物之所以能在如此巨大的压力下生存,是因为它们进化出了能够适应和利用这种压力的身体结构和生化机制。例如,它们体内的液体压力与外部环境的压力大致相等,且其细胞膜和蛋白质结构也能在高压下保持功能。

所以,一瓶普通的、盖紧盖子的水在深海会因为无法承受巨大的外部压力而“爆裂”(内陷或破裂),而一瓶敞开的水,虽然瓶子本身仍会因巨大的挤压力而严重变形甚至破裂,但不会是内部压力导致向外炸裂。

网友意见

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谢邀

@StalemateF

收获了不少赞,感谢大家。手术很顺利,加个段子。

做手术时,医生拿着钳子镊子在我嘴里捣鼓,边弄边说:哎呀,这么漂亮的手术居然没人来欣赏,太没意思了。这时又走进一个白大褂,他赶紧叫白大褂过来,说快看,看我这手术多棒……心中一万只羊驼跑过~~~

~~~~~~~原答案分割线,修补中~~~~~~~

你们的赞是我最大的动力。


参数说明:

海水的密度取1.025×10³kg/m³

世界上最深的海在马里亚纳海沟,最深处在

斐查兹海渊

,为10924米,是地球的最深点。百科上有说俄国人测量到了11929米。好吧,不争论,以12000米记。

根据中学物理

p=ρgh用于液体) 显然,水越深压强越大。

压强大约在120MPa左右。什么概念呢?1200个大气压强。

好像挺厉害的样子哎~~~

1、空瓶情况(假定空瓶可以待住。为什么要举例说空瓶?因为材料力学有理论解呀,而且好分析,后面会说到。)(题主虽然没有问,但是我已经说过原因了!!!)

就不能想办法让它沉下去???灌点水银进去好不好???放个铅块好不好???水银和铅块对瓶壁有压力?相比于120MPa的压强这点压力能不能忽略了???放进去一点东西有不会改变太多内压。好吧,为啥这么多人都回复说空瓶沉不下去?因为他们就知道这点简单的漏洞,不交代一下他们就能认为找到了漏洞。

不服气?你们看看 @李世鼓楼 的评论,人家那才叫回复的有科学水平。

一个瓶子放在海底,会受到来自各个方向的压力。

我首先想到了用薄壁圆筒来简化。

材料力学中受内压分析如下:


开始我想,外压不就换个方向么。

假定尺寸如下:


很容易得出轴向应力为480MPa,周向应力为960MPa。(此例非薄壁,故只是近似)

这个应力较大,一般玻璃很难抗住。

但是,但是,这都是挤压应力,实际上,还有切应力,表面也有第3个方向上的正应力,所以,想知道怎么坏的,还是很难的。而且这个瓶子还是个厚壁。所以,为了省事,我还是去用有限元吧。

下午哄骗师弟把计算站让给了我,嘿嘿~~~

同样的尺寸,壁厚为5mm,在120MPa的压强下,应力大概是这个样子。

注意,下图变形比率为1,但是模量用的是玻璃(55GPa,泊松比0.25),真正这样的变形,玻璃早碎了。



4510MPa,这怎么能忍。及时消除应力集中,应力最大也有三千多兆帕,高强度钢也受不了呀。

那怎么办?

好办,“心细皮厚”。

将瓶子加厚!

现在加厚到15mm。



考虑到部分网格原因,有奇异点主要部分应力已经到了600MPa左右,嗯,舒服多了~~


2、灌海水的情况

上面计算的都是空腔,有点像我们的潜艇在水下的状态。然而,题主非要灌水。灌水就罢了,还把瓶盖给我盖起来了~~~

你知道么,你灌个水我头疼了一晚上,如果非要把不可压缩的水考虑进去,就要计算流固耦合了,虽然略微会点,不过要费事多了。

但是,毛主席教导我们,不要向困难低头。于是,我想了个折中的办法。

常温下20℃时,水的压缩系数 βw=4.5 × 10^-10/Pa=4.5 × 10^-4/MPa,或者说水的体积弹性模量是2.18×10^9Pa,一般处理成不可压缩。由于瓶子受压后体积变小,就会使得内部的水产生压强,从而保护瓶子被压扁。

不可压缩,我想到的橡胶,比较软,一般也被认为是不可压缩材料。

于是,我用橡胶本构代替了水,希望得到比较好的结果。

果不其然~~~




还是5mm厚的瓶子应力瞬间降到了130MPa,和水压差不多了。比较符合预期。


总结:

1、一般的空瓶子如果在这样的压力下,基本会被压扁、压碎。

2、装满水盖上瓶盖后,材料承受基本相当于当地的静水压力(不懂请查材料力学书),不是很弱的材料一般都没有问题。(这里涉及到材料强度问题,具体材料具体分析。注意,这里是静水压力,所以和一般强度不能划等号)

3、装满水不盖瓶盖,瓶子只承受静水压力,在120MPa静水压力下不破坏的材料基本没有问题(如钢铁)。

后记:

为什么我怀着“极大”的热情来答这题?因为这个问题小时候我就想过,后来不了了之了。多少年以后,我发现我尽让可以通过所学基本解答了。不胜欢喜~~~

你们一定能在说这个:

盗的图,嘘……

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