下海，總共分幾步？稽核專家：北京師範大學物理系副教授 張宏寶“雲端蝌學課”第三期同學們，你們讀過凡爾納的作品嗎？他是一位著名的科幻作家，曾經在書中提出了許多種關於“上天下海”的設想。例如，他曾經設想有一艘叫做“鸚鵡螺號”的高效能潛艇，可以在深海中以自給自足的方式長時間航行；他還提出過用超大型的火箭將人類送到月球，以及用熱氣球完成環球旅行的攝像。

奮鬥者號（圖源：雲南資訊報）這兩項科考專案都重新整理了深海探測領域的世界紀錄，使我國在這一領域的影響力獲得了顯著的提升。那麼，讓我們從力學的角度來了解一下神奇的深潛器吧！深潛器如何自由地上下潛行？我們都知道，當物體處於液體中時，會受到豎直向上的液體浮力作用。為了在深海里高效地上下潛行，深潛器們透過不同的方式來克服海水浮力的影響。水下滑翔機透過改變排開海水的體積來改變自身所受到的浮力。在需要改變浮力時，水下滑翔機機身上搭載的油囊便在油泵的控制下進行收縮膨脹。當油囊收縮時，排開海水的體積下降，浮力降低；當油囊膨脹時，排開海水的體積提高，浮力提高。

深海挑戰者結構圖，其中鋼製壓艙物即為配重塊（圖源見水印）簡單總結一下，為了改變受到的浮力，水下滑翔機主要採用了調節自身所排開海水體積的方法，而潛水器則主要採用了調節自身重量的方法。現在同學們來思考一下，從本質上來看，這兩種辦法有沒有區別呢？我們先來看下課本上的描述：根據阿基米德原理，浸沒在液體中的物體所受的浮力，等於它所排開液體所受的重力。

平衡狀態，重力與浮力相等（作者自制）接收到前進的指令後，水下滑翔機開始收縮油囊，減小其所受到的浮力，使機身開始下沉。與此同時，機體內部的滑塊向機頭方向移動，使機身整體呈俯衝的姿態。這樣一來，在豎直下沉的過程中，傾斜的機身便會受到來自海水的斜向上方的作用力。於是，滑翔機便可以受到水平向前的合力，從而一邊下沉，一邊向前移動。

下沉前進階段（作者自制）下沉到預定深度後，油囊開始膨脹，使機身上浮。同時，機身內部的滑塊向機尾方向移動，使機身呈上揚的姿態。如此一來，水下滑翔機就仍然可以受到水平方向的合力，從而在上浮的過程中向前移動。

上升前進階段（作者自制）以上兩個過程多次重複，水下滑翔機便以W形的方式向前慢慢移動。在這個過程中，水下滑翔機僅僅消耗了一小部分能量來實現油囊的收縮膨脹和滑塊的來回運動，因此可以在低能耗的情況下實現長距離的續航。同時，由於這種運動方式所產生的聲音訊號非常低，再加上機身非常小巧，所以水下滑翔機在軍事探測領域可以發揮非常重要的作用。

W形前進方式（圖源：千龍網）另外，水下滑翔機還配有一組機翼，調整機翼的角度便可以在海下完成拐彎的操作。如何抵抗深海高壓？我們在物理課本上都學到過，液體內部的各個方向都存在著壓強。同時，深度越深，壓強越大。央視節目《加油！向未來》就曾經重現過經典的帕斯卡桶裂實驗。之所以靠僅僅一杯水便能夠使堅硬的玻璃受壓破壞，原因就在於這杯水在軟管中大大提高了液體的深度，從而使玻璃承受了相當高的壓強。

帕斯卡桶裂實驗（圖源：騰訊）由此可見，液體壓強的威力是很巨大的。假如以我們身處大氣環境中的一個標準大氣壓作為計量單位，那麼在海中每下潛十米，深潛器所承受的液體壓強就相當於10個標準大氣壓。而在萬米深度的海底，深潛器將會承受大約1000個標準大氣壓的壓強。而作為對比，我們的航天器即使在宇宙中飛行萬米，也只需要克服大約1個標準大氣壓而已！這說明，深海高壓是深潛器必須要克服的一個巨大挑戰。面對這一挑戰，科學家們在兩方面進行了潛水器結構的最佳化設計：1. “圓潤”的外形。所有的深潛器都有著可愛的圓潤外形，外表面的曲率過渡平滑，絕對沒有尖銳的稜角。這是因為平滑的拱狀外形可以將外部壓力均勻分佈於結構的整個表面，從而杜絕由於在尖銳處出現“應力集中”現象而產生的結構破壞風險。這一外形設計依據來自於自然界中的雞蛋、貝殼等生物材料。2. 耐高壓的材料深潛器的所有部件均由耐高壓的材料製造。以奮鬥者號為例，它的外殼採用了輕質高強的純國產鈦合金殼體，還採用了強度極高的固體浮力材料來減輕結構的整體質量，從而實現了“又輕又硬”的特點。

奮鬥者號載人艙的國產鈦合金球殼（圖源：解放日報）透過以上內容，我們學到了一些與深潛器相關的力學知識，這些知識大部分來自於人教版八年級物理下冊哦！下面我們來簡單總結一下：1. 無論是透過調節自身體積還是調節自身重量來實現上下潛行，本質上都是在調節深潛器自身的密度。2. 水下滑翔機透過改變自身姿態，從而在上浮和下沉過程中實現水平方向上的運動。3. 為了抵抗深海中恐怖的高壓，深潛器需要具有圓潤的外形和高強材料製成的鋼筋鐵骨。參考資料：[1] 名列“潛”茅！“奮鬥者”號如何承受萬米深潛重壓？ https://m.news.cctv.com/2020/11/08/ARTIjk07kmD1XZyWdT4DpziY201108.shtml[2] 萬米深海，有隻“飛翔”的“海燕” http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab434/info78353.htm[3] 八年級物理下冊，義務教育教科書，人民教育出版社