包“螺”萬象之下潛深海的啟迪

徐小龍

了解了海螺及螺旋的萬千奧秘后，我們終于要乘坐潛水器下潛到萬米深海了。你知道嗎，潛水器之所以能下潛萬米深度，也是因?yàn)槭艿搅寺莸膯⒌蠁眩?h3>萬米浮沉

雖然萬米載人潛水器安裝了螺旋槳推進(jìn)器，但這并不是它的主要?jiǎng)恿υ?，如果潛水器依靠螺旋槳推進(jìn)器上浮的話，會(huì)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)及螺旋槳的性能要求非常高，一旦斷電、斷油或者螺旋槳發(fā)生故障，潛水器就面臨無法上浮的危險(xiǎn)，里面的人員更是危在旦夕。

其實(shí)，萬米載人潛水器在完成深海任務(wù)后，單憑“浮力外殼”的自身浮力就可以上浮返航。螺旋槳推進(jìn)器只是處于待命狀態(tài)，萬一出現(xiàn)險(xiǎn)情，比如供氧系統(tǒng)故障，需要急速返航，才會(huì)作為應(yīng)急系統(tǒng)啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)，保證潛水器快速安全地返回海面。

“浮力外殼”的研發(fā)也不是一蹴而就的，二十世紀(jì)著名的“的里雅斯特”號(hào)潛水器的“浮力外殼”竟然酷似一艘巨大的飛艇，球形載人艙掛在“飛艇”的下面。

經(jīng)過幾十年的技術(shù)改進(jìn)，我國(guó)的“蛟龍”號(hào)、“深海勇士”號(hào)以及萬米載人潛水器“奮斗者”號(hào)，都使用了十分輕便的浮力材料外殼，就像給載人球艙穿了一件救生衣。

如果潛水器需要停留在一定深度的海水里開展工作怎么辦？完全依靠外殼浮力的話，潛水器很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的懸停?！懊孛芪淦鳌本驮跐撍鞯亩亲永?！到底是什么呢？揭曉答案前，讓我們先看看自然界的海螺都有什么絕招兒吧！

海洋活化石

在5億多年前的地球上，海洋里生活著兩種巨大的頭足綱海螺，它們就是鸚鵡螺和菊石。它們到底有多大呢？考古學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，最大的鸚鵡螺化石長(zhǎng)達(dá)10 米，差不多跟一個(gè)小型摩天輪那么大！

隨著時(shí)間的推移，菊石逐漸滅絕了，而鸚鵡螺卻得以延續(xù)，只是體形不再龐大?，F(xiàn)存的鸚鵡螺最大也不過20 多厘米，是真正的“海洋活化石”，很多國(guó)家都將其列為瀕危保護(hù)動(dòng)物。

除了小說《海底兩萬里》中的“鸚鵡螺”號(hào)潛艇以外，現(xiàn)實(shí)中，美國(guó)的第一艘核潛艇就叫“鸚鵡螺”號(hào)，法國(guó)的深海潛水器也叫“鸚鵡螺”號(hào)。

同學(xué)們可能會(huì)有疑問：為什么潛艇和潛水器都那么熱衷于取“鸚鵡螺”這個(gè)名號(hào)呢？海洋里有那么多動(dòng)物，為什么不叫“虎鯨”號(hào)、“鯊魚”號(hào)、“鰻魚”號(hào)呢？

一定是鸚鵡螺給人類留下了深刻印象！

鸚鵡螺大多生活在熱帶海洋中，平時(shí)喜歡棲息在海底的珊瑚礁及巖石上，日落后才出來活動(dòng)。普通的海螺只能在海底爬行，而鸚鵡螺卻可以在海里游動(dòng)，靈活得像一條“開著房車”的章魚！

科學(xué)家研究鸚鵡螺的“房車”后發(fā)現(xiàn)，里面由隔板分成了幾十個(gè)“房間”。最外層，也是最大的“房間”，是鸚鵡螺柔軟身體的“起居室”。里層的所有“房間”都是空的，叫作氣室，它們都由一根氣管連通著。

鸚鵡螺需要上浮時(shí)，就把氣室里的水排出，需要下沉?xí)r就往氣室里注水。

科學(xué)家深受啟發(fā)，現(xiàn)代潛艇和深海潛水器都是利用這個(gè)原理實(shí)現(xiàn)了靈活的上下浮沉，所以命名時(shí)當(dāng)然要選擇“鸚鵡螺”。

所以，潛水器肚子里的“秘密武器”就是一套和鸚鵡螺類似的“浮力系統(tǒng)”，由壓載水艙和高壓氣罐組成。上浮時(shí)，高壓氣體注入水艙，水艙里的水排出，減小了潛水器的重量;下沉?xí)r，海水灌入水艙，增加了潛水器的重量。

同學(xué)們可能又要問了：潛水器為什么不模仿魚的魚鰾呢？

浮沉原理

魚是如何通過魚鰾實(shí)現(xiàn)上浮下沉的呢？

我們首先要懂得一個(gè)原理——“阿基米德浮力原理”。

沒錯(cuò)，又是那個(gè)想要撬動(dòng)地球，還發(fā)明了螺旋水泵的科學(xué)家——他確實(shí)很厲害！阿基米德發(fā)現(xiàn)：物體所受的浮力，等于物體下沉靜止后排開液體的重力。這里需要注意“排開液體的重力”，說明體積越大的物體“排開液體”越多，在水中獲得的浮力也會(huì)越多。了解了這些，我們繼續(xù)說魚鰾。

魚鰾有兩個(gè)氣室：一個(gè)是大氣室，沒有魚骨的包裹;一個(gè)是小氣室，有魚骨的包裹。

魚想要下沉?xí)r，擠壓腹部，肚子癟了，大氣室的氣體壓縮進(jìn)了小氣室，在魚骨的包裹下，小氣室體積變化不大，里面的氣體變成壓縮氣體。癟肚子的魚，體積減小了，排開的水減少了，在水中獲得的浮力相應(yīng)也減小了，于是開始下沉。

魚想要上浮時(shí)，小氣室的壓縮氣體快速注入大氣室，魚肚子鼓了起來，魚的體積變大了，排開的水也增多了，在水中獲得的浮力相應(yīng)也增大了，于是開始上浮。

魚想要懸停時(shí)，小氣室和大氣室只需要不斷調(diào)整氣體量，達(dá)到浮力和重力平衡，就可以停在一定深度。如果魚正在吃東西，體重逐漸增加，小氣室也會(huì)不斷往大氣室注入氣體，增加一些浮力，讓魚保持在一定深度。

魚的魚鰾和鸚鵡螺的氣室最大的不同就是：魚鰾是通過變化體積，增加或者減少排開的水，實(shí)現(xiàn)浮力的變化，體積大一些就上浮，體積小一些就下沉;鸚鵡螺的氣室是通過調(diào)節(jié)自身重量，從而實(shí)現(xiàn)重力的變化，重力小一些就上浮，重力大一些就下沉。

可無論是潛艇，還是深海潛水器，都很難實(shí)現(xiàn)“體積”的變化，所以模仿鸚鵡螺的氣室，似乎更適合深海潛水。

爆破海參

我們第一期提到過深?！皦毫ι酱蟆?，那么，在深海，體積的變化有時(shí)候是致命的。曾經(jīng)，“蛟龍”號(hào)載人潛水器將深海幾千米的紫色大海參作為生物樣品帶回海面，就發(fā)生了“悲慘的一幕”。

紫海參早已適應(yīng)了深海的海水壓力，它腔體內(nèi)也保持著和深海海水一樣的壓力，所以它能夠在海底自由活動(dòng)，不會(huì)感覺“壓力山大”。但它作為樣品被“蛟龍”號(hào)帶回時(shí)，它的身體就像一個(gè)“高壓氣罐”，腔體內(nèi)的氣體依然保持著深海的壓力，但隨著上浮，體外海水的壓力越來越小，體內(nèi)的氣體不斷被釋放，直至它的皮膚無法承受……“嘭”——海參爆炸了！

看來，魚鰾調(diào)節(jié)浮力的方法到了“壓力山大”的深海是有很大風(fēng)險(xiǎn)的，很有可能自身難保呀！