马里亚纳海沟（Mariana Trench）是地球上目前已知最深的海沟，已知最大深度为 10984 米。那么如果我们丢下一个钢球让它落到底部会发生什么呢？钢球会发生什么？它需要多长时间才能沉到海底呢？
众所周知，海洋深度越深，压力越大。马里亚纳海沟最深处为“挑战者深渊”，这里的压力比海平面的正常压力高出1000多倍，大约为108.6兆帕。海底深处表面上一切正常，但水的密度发生了变化，水的密度增加了5%，温度在1摄氏度到4摄氏度左右。当然，这里的低温对钢球而言根本不起作用，钢球需要承受的只是压力。
当钢球下沉并到达底部时，它周围会受到巨大的水压。而水在该深度施加的压力可通过以下公式计算：
P=ρgh=1.08×10^8 Pa （地球表面大气压的 1000 倍以上）
等式变量：
P = 压力 (Pa)
ρ = 水的密度 (1000kg/立方米)
g = 重力加速度(9.81 m/s2)
h = 深度 (11000 米)
假设它是一个实心钢球，这个压力不足以引起钢的屈服并使钢球永久变形。低碳钢（mild steel）的屈服应力为2.50×10^8 Pa ，这是马里亚纳海沟底部施加的压力的两倍多。而钢的 Hugoniot 弹性极限 (HEL)（对于理想化的一维应变条件下的压缩载荷）大约为 10^9 Pa，因此在任何一种情况下，钢球都会保持其形状和形状。
然而，压力会挤压钢球并减少其体积。我们可以使用钢的体积模量 (B)来计算：体积模量 = 施加的压力 / 体积变化的分数。
我们知道压力的变化（Δ P) 在马里亚纳海沟的底部，以及钢的体积模量。如果我们假设球的半径为 0.62035米 ，其体积为V=1.0立方米，使用这些值，我们可以计算钢球下落由于压差引起的体积变化 (ΔVp) ：
ΔVp=VΔP/B=0.000675 立方米
温差的影响：
由于水温在马里亚纳海沟上方的海面大约是 35°C，而在底部大约是 4°C，这个 30°C 的温差也会导致球的收缩，但是这不会对球产生任何影响球内的应力，因为球不受约束。
由于温差导致体积减小 (ΔVT) 可以使用以下公式计算：
ΔVT/V=αvΔT
等式变量：
V=1 立方米（球的初始体积）
αv=36×10^-6 C^-1（钢的体积热膨胀系数）
ΔT=30°C （温差）
因此，ΔVT=0.00108 立方米。
由于压力增加而增加的体积减少(ΔVP ΔVT) 将导致总体积减少0.001755立方米，即将球的体积减少了 0.1755%。球的半径变成0.62米（与原始半径相比 0.62035米)，减少只是0.35 毫米，即相当于你指甲的厚度！
而在马里亚纳海沟底部，球上的总压缩载荷将为 53216 吨，这相当于868 辆美国陆军的主战坦克（M1A1）的重量。由于压力小于屈服应力，这种体积的减少不是永久性的，即如果球被带回表面，它将恢复其原始体积。
总而言之，工程师们可能会觉得这很有趣，但对于那里的普通人或潜伏在马里亚纳海沟深处的海洋生物来说，钢球不会发生任何有趣的事情。
那么钢球多久会到底海沟底部？
钢球在水中移动将很快达到其终端速度，即重力由水的阻力和浮力平衡的速度，这导致钢球的下降速度恒定。而终端速度可以计算如下：
Vt = √[2mg/pACd
公式变量的取值如下：
m=6750kg（从 7750 公斤的球总质量中减去 1000 公斤的水的浮力效应）
g=9.81m/s2
Cd=0.47 (球体抗力系数)
ρ=1000kg/m3
A=1.209m2
最后计出钢球下落的速度为15.267m/s。因此，球将在大约12 分钟内到达马里亚纳海沟的底部，可能会反弹几次，然后在寒冷的黑暗深渊（淤泥）中安定下来。
钢球到达海底后会发生什么？
这是一个有趣的问题，即马里亚纳海沟底部的钢球需要多长时间才能完全腐蚀？
钢的腐蚀取决于水中溶解氧的量。有趣的是，溶解氧的量在深度超过 5000 m 时保持不变，甚至一直到马里亚纳海沟的底部。
另外研究发现，低碳钢在 5100 米深度处的腐蚀速率确定为每年 0.06 mm。考虑到溶解氧的量在更深的地方是恒定的，并且在海水中无法形成持久的保护层来保护钢免受腐蚀，我们可以对位于马里亚纳海沟底部的钢球采用相同的腐蚀速率。
因此，我们直径为 1.24 m (r=0.62 m) 的钢球的腐蚀计算如下：
半径 = 620 毫米
腐蚀率 = 0.06 毫米/年
钢球完全腐蚀所需时间 = 620/0.06 =10333 年。
因此，当我们往马里亚纳海沟扔一个钢球到它完全被腐蚀掉，都不会发生任何壮观的事情。
联系客服
