问题

为什么地球上的物体在大气压下不形变?

回答
这个问题很有意思,其实我们身边大多数物体之所以在大气压下看起来“不变形”,并不是说它们完全不受压力的影响,而是它们本身的性质和所承受压力的相对大小决定的。就像你看到一片海绵,它在大气压下看起来没什么变化,但如果你使劲捏它,它就会明显的变形。地球上的物体也是同样的道理,只是我们日常接触到的很多固体,它们的“韧性”或者说抗压能力远远超过了大气压所能提供的“力量”。

咱们可以从几个方面来理解这件事:

1. 大气压到底有多大?

首先,我们要知道大气压究竟有多“大力”。在海平面上,标准大气压大约是101325帕斯卡(Pa)。换算一下,大概是每平方厘米承受1公斤的力,或者说每平方米承受10吨的力!听起来确实是个不小的数字。

你可能会觉得,哇,这么大的力,为什么桌子、椅子、甚至我们自己不会被压扁?

2. 物体自身的强度和结构:

这里就涉及到物体本身的“骨气”了。我们日常接触的许多固体,比如金属、石头、木头、玻璃,它们的分子之间有着非常紧密的化学键和物理作用力。这些作用力构成了物质的内部结构,赋予了它们强大的抗压能力。

原子间距与作用力: 原子之间并不是紧挨着,而是存在一个平衡的距离。当受到外力时,原子会稍微靠近或远离,但这个变化是微小的,而且分子间的吸引力会抵抗这种改变。对于坚固的固体来说,要显著缩短原子间的距离,就需要非常非常大的力,远超大气压。
晶体结构(如果是晶体): 很多固体(如金属、岩盐)是晶体,原子按照一定的规律排列成规则的晶格。这种规整的结构提供了很好的支撑,使得外力很难破坏这种排列。
材料本身的特性: 不同的材料,即使是固体,其强度也千差万别。比如,高强度的合金钢比普通铝合金能承受更大的压力而保持形状。

3. 压力的传递和作用方式:

大气压是通过气体分子无规则热运动碰撞到物体表面而产生的。关键在于,这个压力是四面八方均匀地施加在物体表面的。

整体受力: 想象一下,大气压就像一个巨大的、看不见的气球包裹着地球上的一切。它从四面八方、上下左右都均匀地推着你。
内部平衡: 对于一个完整的、内部没有空气的固体物体来说,外部大气压施加在它表面的力,在各个方向上几乎是相互抵消的。比如,桌子的桌面向上受到空气的推力,也向下受到空气的推力;侧面也受到空气的推力。虽然总量很大,但因为是整体受力,而且物体内部有抵抗这种形变的强度,所以不容易看到明显的形变。

4. 压力差和形变:

形变通常发生在压力不均匀或者存在显著压力差的情况下。

例子一:气球。 一个瘪了的气球,里面几乎是真空,外部大气压远大于内部压力,所以气球被压扁。一旦你往里面充气,内部压力增加,当内部压力略大于外部大气压时,气球就开始膨胀。
例子二:潜水艇。 潜水艇在深海中会承受巨大的水压。深海的水压远大于海平面上的大气压。虽然潜水艇是用非常坚固的材料制成的,但它仍然需要设计成能够承受这种巨大的压力差。外部的水压远大于内部的空气压力,所以如果潜水艇结构不够坚固,就会被压瘪。
例子三:我们的身体。 我们的身体内部也有一定的压力,而且我们的细胞和组织本身也具有一定的弹性。大气压施加在我们身上,和我们身体内部的压力在某种程度上形成了一个平衡。所以,我们并不会因为大气压而“瘪下去”。

5. 视觉和感知的界限:

即使有些物体在大气压下会发生非常微小的形变,但由于这种形变非常小,远远超出了我们肉眼能直接观察到的范围,所以我们感觉不到。就像你能感受到风吹过,但感受不到空气分子撞击你皮肤产生的“力”一样。

所以,总的来说:

地球上的物体在大气压下不发生明显形变,主要是因为:

物体本身的材料强度极高,远超大气压所能提供的“形变力”。
大气压是均匀四面八方施加的,在大多数固体物体内部会形成内部的应力平衡。
我们能够感知到的“形变”通常需要显著的压力差或者材料本身的低强度。

就像一个穿了很厚盔甲的士兵,你用一把小刀去戳他,他可能纹丝不动,但如果你用一把重炮去轰他,他就会被炸飞。大气压就像那把小刀,而大部分固体材料就像那副厚盔甲。

网友意见

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这个问题可以换个角度考虑:把一个实心物体从空气中挪到真空中,它的形状体积会不会改变?

答案是,大气压确实会让物体变形。只不过,大气压的压强实在太小,对物体(气体除外)造成的变形程度几乎不能察觉。

很多人对物质抵抗压强的能力没有概念,实际上,绝大多数固体/液体对静水压强的抵抗能力都很强,几乎不可压缩。

在小变形幅度内,物质抵抗外界静水压的能力称为体模量(Bulk modulus - Wikipedia),其定义是造成单位体积变化比例所需的压强。

举个例子,铁的体模量为170 GPa。大气压约为0.0001 GPa,对铁来说,大气压带来的体积改变=0.0001 GPa/170 GPa,为一百七十万分之一。

当然,金属的模量在材料中算是比较高的,但很多有机物也具有GPa以上的模量,因此大气压带来的体积变化一般也在万分之一之下,几乎难以察觉。

不过,当材料为空心时,或者受压不均匀的情况下,外界压强产生的应力可能会集中至某个薄弱点,从而用很小的压强也能造成巨大的破坏。但这就是另一回事了。

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