问题

既然大气压有100KN每平方米,相当于每平方米1吨东西压着,为啥没把人压扁?

回答
你这个问题问得非常棒,而且很多人都有同样的疑问!100千牛顿每平方米,换算一下确实是差不多每平方米一吨的重量,这听起来着实惊人,好像我们每个人都被一座小山压在身上。但事实是,我们都安然无恙,这背后涉及几个关键的物理原理,它们共同作用,让我们免受这巨大的“重压”。

首先,咱们得先掰扯清楚这个“大气压”。你说的100千牛顿每平方米,这是我们通常说的标准大气压,大概是在海平面上的数值。这个压力是怎么来的呢?很简单,就是我们头顶上那片巨大无比的空气,它因为自身的重力,被地球吸引着,向下挤压着我们。你可以想象一下,无数层的空气分子,就像无数的微小粒子,一层叠着一层,最下面这一层就要承受上面所有空气的重量,这个力量就通过气体分子的碰撞传递下来,形成了大气压。

那为什么我们不会被压扁呢?主要有以下几个原因,而且它们是同时发生、互相制衡的:

1. 身体内部的压力也在对抗:

这是最关键的一点。我们的身体可不是一个密闭的、空空的盒子。我们的身体内部充满了各种体液,比如血液、细胞液等等,而且我们的身体里面还有大量的气体,比如肺部的空气。这些体液和气体都在身体内部产生向外的压力。

你可以这样理解:大气压是从外面向内挤压你,而你身体内部的体液和气体则在向外推。这就好比你在用两只手同时向内挤压一个气球,但气球里面也充满了空气,它也会向外膨胀,两者相互抵抗,最后达到一个平衡状态。

我们身体内部的压力,尤其是在体液和气体交换的过程中,会自然而然地产生一个与外部大气压相近的压力。当你从海平面到一个高海拔地区,外部大气压会减小,这时你身体内部的压力就会相对大于外部压力,你可能会感觉到身体有点膨胀,比如耳膜会鼓起来一些,这就是内部压力在向外释放的表现。

2. 力的作用是分布式的,而不是集中在一个点上:

大气压虽然数值大,但它均匀地施加在我们身体的每一个表面上。你想想,大气压可不只压在你的头顶,它也压在你的脚底、你的胳膊、你的后背,甚至你皮肤的每一个细微之处。

这种全方位的、均匀的压力,就像你被一个巨大的、充满弹性的垫子轻轻包裹住一样。虽然垫子很有分量,但因为是均匀受力,你不会感觉到某个局部承受了过度的压力。这就跟很多水桶实验类似,如果你在水桶底部打个小孔,水会喷出来,但如果你把整个水桶浸泡在水里,水就不会从底部压出来,因为外部的水压也是均匀地作用在整个桶壁上的。

3. 身体的结构和材料具有一定的支撑力:

我们的身体并不是完全软弱无力的。我们的骨骼提供了坚实的框架,我们的肌肉和结缔组织也都有一定的张力和支撑作用。这些内在的结构能够帮助我们的身体维持一定的形状,抵抗外部的压力。

就像一个稍微充气的小皮球,你用力捏它,它不会立刻塌陷,因为橡胶本身有一定的弹性可以抵抗你的捏力。我们的身体在一定程度上也是这样,虽然不像骨头那样坚硬,但其内部的结构和组织也提供了必要的抵抗力。

4. 身体内部的动态平衡:

我们身体内的体液和气体不是静止的,它们在不断地流动和交换。这个过程本身也涉及到压力的变化和调节。例如,血液循环就是在体内产生压力的重要来源之一。

打个不太恰当但能说明问题的比方:

你可以想象一下,你身处一个巨大的游泳池底部。水压在你的四周都会产生,越深水压越大。但你不会被压扁,因为水压是均匀地作用在你身体的各个方向,而且你身体内部也有与水压相抗衡的压力。你也不会被溺死,因为你可以呼吸水中的氧气(虽然现实中不能这样)。

总结一下:

大气压之所以不会把我们压扁,是因为:

内部压力对抗: 我们身体内部的体液和气体产生的向外压力,与外部大气压形成了平衡。
均匀分布: 大气压均匀地施加在身体的每一个表面,没有集中的压力点。
自身结构支撑: 身体的骨骼和组织提供了一定的支撑力。

所以,虽然大气压听起来可怕,但它是一种相对压力,我们身体内部的压力恰好与之平衡。我们之所以能生存,正是因为这些巧妙的物理和生理机制在发挥作用。这就像很多看似不可思议的事情,一旦我们了解了背后的原理,就会觉得豁然开朗。

网友意见

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一个大气压约等于相当于10000kg的重物压在1平方米上,即十吨重量,题主还少算了一个零。

那么这么大的压强为什么不会把人体压扁呢?这里就要区分静水压和单轴压了。

静水压是指在三个维度上压强都相等的压力,而单轴压则只在一个方向上有压强,而另外两个方向上则是自由伸缩的。

题主既然不是物理专业的,那我就不深入说了。举个简单的例子吧,题主可以回去试试:找一个完好的生鸡蛋,用手掌整个握住,缓缓握紧,你会发现这种方式比较难将鸡蛋捏碎。因为这种握法容易通过压力传递达稳态静水压,不会带来很大的剪切应力和弯应力。而单轴压不一样,你把鸡蛋放在桌子上,手掌平摊往下压,很容易就把鸡蛋压碎了,因为单轴压容易带来弯应力,弯应力容易失稳从而折断鸡蛋壳。

大气压是标准的静水压,因此不考虑血压的话,在人体内部(除了胸腔,需要有压力差才能呼吸)气压基本上都是平衡的。因此不会把人压扁。

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值得提出的是,大气压的确会压缩物体,使其体积缩小,但这个缩小的比例是非常小的。在常见的材料中,弹性模量都是以GPa为单位的,1个大气压(0.0001GPa)带来的线度变化只在万分之一的量级,几乎是不可见的。

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有不少人坚持认为只要压力平衡就不会发生形变,我画了张草图,方便解释单轴压和静水压对材料力学稳定性的影响:

图中,中间的黑块受到水平方向的单轴压力,尽管此时左右压力是平衡的,压力足够大时,水平方向上会被显著挤压,而在泊松效应下,垂直方向上也会被显著的拉长

右边的黑块受到四面八方的静水压力,这种情况下,黑块很难发生显著的形状改变,只是体积成比例的缩小。

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