肉做的鲸能轻松下潜2000米为何钢铁之躯的潜艇却不行？

　　对于人类来说■◆■◆，人体皮肤强度的典型值范围为2◆◆.5~16MPa之间[1]◆■◆★，大多数骨头的强度在40~76MPa之间[2]。

　　人大附中校长几句话说透了教育：小学重在陪伴，初中重在尊重，高中重在……

　　因此，哪怕人类是实心的，自由潜水超过200米■◆★，皮肤也有撕裂的风险。而骨头要被压碎，则可能需要达到5000米以下了，这已经超过海洋的平均深度★■★◆。

　　总之，对于「肉做的鲸能轻松下潜2000米，为何钢铁之躯的潜艇却不行?」这个问题，最为本质的原因是因为——

　　对于动物来说■★★，尤其是深潜动物，会压缩胸腔和肺部，使得它们的身体外经和内径的径比 K 预估可以达到5以上。

　　人类各种高强度合金材料的强度◆★，最高也在1Gpa左右◆★。可以看出，各种深潜器的设计深度，和换算的理论值是相当的（见上图）。

　　因此，除了骨骼和皮肤外■■★★■，深海鱼的其它组织和器官，会更加脆薄松软★★◆、富有弹性，使得应力更有利于被水所均摊。当然，它们的皮肤往往也具有弹性，通透性高■■，甚至还可能具有保护性组织。

　　如果人类未来开发出了内部腔体可灌水◆★、体积可压缩的人工智能无人潜水器■★★，哪怕用的仅仅是常规的合金材料，都足以在马里亚纳海沟11000米深处任意驰骋了。

　　例如，深海挑战者号（Deepsea Challenger），虽然只有64mm的耐压壳厚度◆◆■★◆◆，在一众深潜器中表现不上不下，但凭借1◆★◆■.09m的内径，内径比K增加了近1倍。对于圆形深潜器来说■■◆◆★★，不存在纵向和环向压强的区别★★◆◆■■，仅仅只有圆筒环向应力的一半，从而做到了马里亚纳海沟11000米深的挑战◆★★。

　　以抹香鲸举例■◆■★，抹香鲸的皮肤厚度超过20cm，强度远远超过人类16Mpa的上限。但对于它们的庞大体型来说，超过2000米深海的20Mpa以上的压强，差不多是它们承受压强的上限。

　　可以看出，对于内部压强和外部压强相近的深海鱼来说★◆★◆，其实只需要在骨骼方面，做稍微改进■★◆，例如骨骼有机质更高◆★，矿物质更低，弹性更强，骨骼距离增大等等，都可能让它们的骨骼适应深海环境★◆■。

　　人类的深潜器，虽然为了增加足够大的强度◆■★◆，是厚壁的，但相对于鱼类来说，壁其实是不够的，内部空腔是非常大的★◆◆■■。

　　虽然在高压下，水体是弹性可压缩的，存在多种相变，一定压力范围内密度呈现梯度变化。

　　也就是说◆★★■，哪怕内部压强都很低的情况下，因为体壁厚度的差距，与深潜器相同体型的鲸■★◆★★◆，身体承受的最大压强，仅仅只有深潜器的1/20~1/30。

　　毕竟它们的身体结构■◆■★，不能像一些深海鱼那样可以有着非常大的变化，可以适应好几千米的深海★■◆◆★。2000米的深海，对于深潜的一类鲸来说，已经是它们身体适应的极限。

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　　对于强度比较均匀的生物体或深潜器，能够抵抗环向应力，那么也当能抵抗纵向以及径向应力。

　　这些身体变化，也导致它们更容易因为搁浅骨折★◆，以及挤压内脏而身亡。同时因为适应深海，它们的身体变得更加柔软★■■■◆，也导致它们很难在搁浅中脱困。

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　　它们身体的内部的常态压强，也往往比浅海生物更高。当发生搁浅时，它们会出现类似人类潜水后的减压病症状，例如★★◆◆，骨骼中出现小坑隙。

　　这里的σH■◆◆，也即环向压强σθ，即这位知友误用的 f◆■★★，σL为纵向压强◆■★，薄壳一般不考虑径向压强σr

　　对于实心钢材来说◆■■★◆★，不说是2000米★■◆■，哪怕是超过10000米的马里亚纳海沟，也不会出现明显的变形。

　　但深海最高就100Mpa★◆，对于高达1Gpa才会出现明显变化的水来说◆◆◆，100Mpa内，液态水仅仅只存在很小幅度的密度变化★★。马里亚纳海沟最深处的密度，会略微大于海平面★★◆★★，但并不显著。

　　因此★◆，哪怕采用接近深潜器的材料和耐压壳厚度◆■■■，潜艇潜水1000米也已经是极限了，大多只有600米左右。

　　潜艇外部和腔体内部的径比K 值太小，且腔体内部需要维持人类呼吸，无法像生命体那样降低压强◆★★■，导致比起鲸来说，人类各种潜水器所需要承受的最大压强◆◆■★★◆，远远比鲸大得多，达到20~50倍◆■★◆★。

　　除此之外■★，鲸脑油对浮力的调节，肺部对空气的压缩，肌肉和血液对氧气的强大储存和利用能力，这些都是■◆■★◆，它们对2000米深海的适应性变化■◆★。

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　　也即，当K为5时，抹香鲸承受的最大压强仅仅只有23Mpa，只比水压略高★★■★◆。

　　因为它们身体内部维持和深海一样的压强，进入浅海后■◆◆◆，外部压强的降低■★◆，自然会导致它们身体的膨胀变形。

　　对于深海生物的体腔以及深潜器腔体来说，并不是薄壳，而是厚壁的■◆★◆■■，薄壳公式自然不太适用■★★。

　　即便认为体腔未压缩状态◆◆，K会稍小一些，哪怕取值2★◆◆，得出的压强也仅仅只有37★★■.7Mpa★◆◆★。

　　管径D与管壁厚T约掉后是常数，乘以压强，结果只能是压强，而不是力◆◆，若用 f 还需要乘以面积。

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　　对于相同大小的鲸和深潜器（外径 相同）◆■，当潜水深度相同（外部压强 相同），内部压强也相同时：

　　而且为了保证人类的活动，内部的压强也基本上保持在1大气压左右，压强远远低于深海环境。

　　但这些条件，并不是充要条件。不能反过来说，具有了这样的条件，就能在2000米深海生存。因为人类潜艇★■■◆◆■，恰恰是具备浮力调节，空气储备，以及对氧的利用等等各种条件，但却并不能深潜2000米★■★■■◆。

　　◆ 水对头尾产生的压强■★★★◆◆，为轴向压强-Longitudinal Stress（纵向应力）；

　　从公式可以看出，生物体或深潜器在深海受到的纵向压强是最小，受到的环向压强是最大的。

　　考虑到鲸深潜的时候■★，它们胸腔并不是保持大气压状态，而是压缩的，实际内外压强差 也会相应的减少。