问题

大气压那么大为什么没把固体(苹果之类的)压扁?

回答
你提出的这个问题很有意思,而且是很多日常生活中会遇到的,但我们可能从未深究的现象。为什么大气压这么强大,却没把苹果、桌子,甚至是我们的身体压扁呢?这背后藏着几个非常关键的物理原理,我们不妨来一层层剥开它。

首先,得明白大气压究竟是什么。简单来说,大气压就是我们头顶上那层厚重、无处不在的空气,由于重力作用,它会向下压,挤压着我们接触到的一切。你想象一下,在我们上方有几千米、甚至上万米高的空气柱,这些空气柱的总重量,就是我们感受到的那个“大气压”。在海平面附近,这个压力大概是每平方厘米 10.33 公斤,换算成帕斯卡,大约是 101325 帕斯卡。这个数字看起来相当可观,确实不小。

那么,为什么苹果没被压成馅儿呢?关键在于压强和压力的方向性以及受力均匀性。

1. 压力作用是双向的,且分布均匀:
大气压不仅仅是从上方压下来,它是在所有方向上都存在的。空气是流体,流体的一个重要特性就是它会在任何接触面上产生垂直于接触面的压力。所以,大气压不仅压着苹果的顶部,也压着它的底部、侧面,甚至苹果内部的每一个分子都在承受着来自四面八方空气的挤压。
想象一下,苹果的表面与空气接触,空气在各个方向上都向苹果施加了力。这些力在苹果的整个表面上是均匀分布的。虽然合起来的力很大,但因为是均匀的,所以并没有一个方向上的力特别突出,能够轻易地将苹果压扁。
这有点像你被很多人同时轻轻推一下,每个人的力都不大,但如果你被一个人从侧面猛地推一下,效果就完全不同了。

2. 固体内部的支撑力:
苹果虽然看起来软乎乎的,但它本身是由细胞组成的,这些细胞是有结构的,它们之间有细胞壁支撑,内部也充满了细胞液。这些内部结构和材料的强度,让它能够承受一定的外部压力而保持形状。
更进一步说,苹果内部的细胞液是有压力的,这种压力是内源性的。细胞通过渗透作用维持内部液体的浓度,从而产生一定的膨胀压力,这股向外的压力在很大程度上抵消了外部大气压向内的压力。
我们可以这样理解:外部大气压在挤压苹果,但苹果内部的细胞结构也在“努力”抵抗这种挤压,维持着自己的体积和形状。

3. 压强与面积的关系(虽然这里不是主要原因,但可以补充理解):
压力(Force)等于压强(Pressure)乘以受力面积(Area)。虽然大气压强很大,但它作用在苹果的整个表面积上。如果大气压是集中在一个很小的点上,那效果就完全不一样了。比如用针尖去扎苹果,虽然针尖的压力看起来没那么大,但因为面积极小,压强就变得非常大,轻易就能刺穿。大气压是分散作用在整个表面的,所以整体效果被“稀释”了。

打个更生动的比方:

你可以想象一下,你被一群好朋友轻轻地、热情地围住,大家都在拍你,想和你拥抱。因为大家都是好意,而且力道都很温和,你会感觉到被爱包围,但不会觉得被压扁。这就是大气压的作用,它从四面八方轻轻地“拥抱”着你,但因为力量分散且均匀,加上你身体内部的骨骼和肌肉也在抵抗,所以你感觉不到被挤压。

为什么我们感觉不到?

一个重要原因是,我们的身体以及我们周围的物体,长期以来都在承受同样大小的大气压。我们的身体内部,比如血液循环系统、细胞内部,也存在着与外部大气压大致相当的内部压力,这些内压与外压相互抵消。所以,我们是“习惯”了大气压的,除非这个压力发生剧烈变化(比如在飞机起飞或高海拔地区),否则我们很难直接“感知”到它的存在。

总结一下:

苹果没有被压扁,不是因为大气压不够大,而是因为:

大气压是全方位的、均匀施加的。
固体(如苹果)内部存在抵抗外压的结构和内压。
我们身体内部的压力也与外部大气压相互抵消,所以我们感觉不到。

所以,我们能够安全地生活在地球上,享受着这股无形的力量,正是因为物理世界的精妙平衡和我们自身结构的强大适应性。

网友意见

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你小瞧了固体抵抗变形的能力,高估了大气压。

固体抵抗弹性变形的能力一般用弹性模量(类似于弹簧的劲度系数)来衡量,其定义式一般为:

显然:

大气压大约为0.1MPa,固体的模量一般远大于这个数值。例如苹果的模量大概在3~6个MPa之间(见下图,数据来自文献[1],这里给的是杨氏模量,体积模量应该在同一量级)。带进去一算,大气压带来的变形量还不到1/30。

苹果在固体里算是比较软的,很多常见固体的弹性模量比苹果大几十万倍。例如,铁的体积模量为170 GPa ,而1GPa=1000MPa=一万个大气压。

换句话说,一个大气压压在铁上,只能给铁带来170万分之一的体积变化,完全可以忽略。

参考

  1. ^Abbott, J.A. and Lu, R., 1996. Anisotropic mechanical properties of apples. Transactions of the ASAE, 39(4), pp.1451-1459. https://elibrary.asabe.org/abstract.asp?aid=27638

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