鲸鱼为什么不能下潜艇（科学汇潜水艇是如何下潜上浮的）

钱江晚报·小时新闻 记者 郑琳

前不久，美国核潜艇在南海水域与不明物体相撞。10月26日，中国外交部发言人赵立坚再度明确指出，中方已多次对有关事件表示严重关切，要求美方作出澄清。中国和其他南海沿岸国有理由要求美方回答：此次派出核潜艇悄无声息地在南海潜航，究竟是要执行什么任务？这一次究竟撞上了什么？为什么会撞上？是否造成核泄漏，给海洋环境带来核污染？

而最近，小时新闻APP的后台也时常收到一些同学们的留言，希望了解潜水艇的知识，并提出为什么有些鲸鱼可以下潜千米，而大多数潜艇只能下潜几百米呢？潜艇靠什么识别水下的物体呢？

为了回答这些问题，本期，我们邀请浙大附中物理教研组长屠旭滨老师为大家讲解潜水艇背后的科学。

潜水艇如何潜水

阿基米德定律必须了解

我们都知道，潜艇可以沉到水底，也可以浮出水面，甚至可以让自己停在水中任何一个水位，那么它是怎么控制自己潜水的水位呢？

其实，潜艇上浮和下沉的原理非常简单，初中物理课就学过——就是同学们熟悉的“阿基米德定律”。浸入水中的物体受到的浮力，等于它排开水的重量。排水量越多，受到的浮力也就会越大。

那鱼儿是如何控制自己的沉浮呢？在初中科学课本中，大家一定解剖过鲫鱼，见到过它们体内的鱼鳔。它的作用就是充气和放气，调整自身的大小，所以鱼儿可以根据需要调整自己排开的水量。

潜水艇的体积是固定的，也没鱼鳔，所以潜艇所受到的浮力是固定的，此时只有调整潜艇自身的重量才能实现自由上浮和下潜。

一般情况下，一个潜艇有多个蓄水仓，当潜艇要下沉时就打开蓄水舱，往蓄水舱中注水，使潜艇重量不断增加，直到潜艇的重量大于它的排水量，这时潜艇就会下潜；潜艇要上浮时，就利用压力往外排水，降低潜艇的重量，使它的重量小于它的排水量，潜艇自然就能上浮。

深海危机重重

潜艇最怕“掉深”

虽然说潜水艇下潜的原理十分简单，可是在水下作业并不像大家想象的那么容易。绝大多数潜水艇只能下潜到300-500米的深度。人类目前最先进的潜艇可以挑战万米深渊，就像我国的蛟龙号、海斗号一样。但是，到达过万米深渊的人类，比去外太空的航天员都稀有！

为什么深海如此凶险呢？首先是水压的考验。在万米深渊的水压大到什么程度？假如此时的潜艇舱壁破了，海水从破洞涌入的话，这支“水枪”的喷射速度会超过子弹！

除了巨大的水压，深海中还有一个大杀器：海底断崖，又叫“跃层”。

跃层是海水参数随深度变化而显著变化的水层。也就是说，在某些地方，海水的温度、盐度、密度、声速等状态会出现突变或不连续剧变。

海底断崖的出现，主要是海水密度不同造成的。当潜艇从高密度海域进入低密度海域时，潜艇的浮力会突然减少，这样潜艇就会急剧下沉，专业上称这种现象为“掉深”。宛如一辆在公路上行驶的汽车突然掉下悬崖，其惊险程度可见一斑。

潜艇部队内部有个说法，那就是潜艇有三怕：“一怕掉深、二怕进水、三怕起火”。“掉深”排在潜艇所有危险状况之首，足以见得它的危险之大。这是因为“掉深”可能会导致潜艇的实际下潜深度超过设计下潜深度，造成潜艇破裂进水，结构解体。潜艇的主机舱内遍布大量电气设备，一旦进水，还可能会引发火灾等事故，最终的结果将会是艇毁人亡。

那自然界的鲸鱼可以潜入多深的海底呢？

根据鲸的品种，差异很大。小型齿鲸的下潜深度在100-300米之间，长须鲸可以下潜到300-500米的深度。抹香鲸就厉害了，有时可以下潜到千米的地方。

抹香鲸那么强大，主要是因为它们的身体构造。鲸鱼的肋骨、胸骨、脊椎骨的连接处是非常松弛的，胸部很柔软，当它们往水深处下潜的时候，水压会让胸部收缩，肺部也会收缩，肺部的气体会流入气管和支气管中，这就能让它们下潜到大洋深处。

声呐系统是潜艇的“眼睛”

在水下，潜艇如何看物识物呢？答案是声呐系统。

这是一种声学技术，利用声波对水下物体进行探测和定位识别。声呐是英文Sonar词的音译。

现有的声呐系统大致可分为被动声呐（无源声呐）和主动声呐（有源声呐）两大类。主动声呐向水中发射声波，通过接收水下物体反射的回波发现目标，并测量它的各种参数。比如，目标距离可通过发射原声波与回波到达的时间差估计；目标方位则通过测量接收声阵中两子阵间的差异得到。

被动声呐通过接收目标的辐射噪声探测目标，并测定它的参数。一般被动声呐只能测定目标方位，其测定原理与主动声呐相同。

声呐系统已被广泛用于海军的各个兵种，还被用于海底地质勘探、捕鱼、石油开发、制导、通信等各个方面。

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