馬(ma)里亞納海(hai)(hai)溝(gou)位(wei)于太平洋(yang)馬(ma)里亞納群(qun)島附近(jin)，是地球上已知的海(hai)(hai)洋(yang)最深處，假如我們(men)把一塊磚(zhuan)頭丟(diu)進馬(ma)里亞納海(hai)(hai)溝(gou)，那么(me)這塊磚(zhuan)頭需要(yao)多久能沉到海(hai)(hai)底(di)呢？在討論這個問題之(zhi)前，我們(men)需要(yao)先來(lai)確定一下磚(zhuan)頭會不會被壓(ya)碎。
在馬里亞納海溝的(de)高壓(ya)環境中，磚頭(tou)會被壓(ya)碎嗎？
通常來(lai)講，普通的磚(zhuan)頭按照抗壓(ya)(ya)強(qiang)度可以劃分MU10、MU15、MU20、MU25以及MU30五個等級，其(qi)中抗壓(ya)(ya)強(qiang)度最高的是MU30，其(qi)抗壓(ya)(ya)強(qiang)度平均值為30Mpa，也就(jiu)是說，當磚(zhuan)頭受到的壓(ya)(ya)強(qiang)超過了30Mpa的時(shi)候(hou)，就(jiu)可能會被(bei)壓(ya)(ya)碎。
另一(yi)方面來講，海洋的(de)(de)水(shui)(shui)深(shen)每增(zeng)(zeng)加10米(mi)，海水(shui)(shui)中的(de)(de)壓強就會(hui)增(zeng)(zeng)加約1個(ge)大氣壓，而馬里亞納海溝最(zui)深(shen)處(chu)可(ke)(ke)達11千米(mi)，在這里的(de)(de)壓強可(ke)(ke)達到(dao)1100個(ge)大氣壓，也就是110MPa，這相(xiang)當(dang)于(yu)每平方厘米(mi)的(de)(de)面積，會(hui)承受1.1噸的(de)(de)重(zhong)量。
可(ke)以(yi)看到，馬里亞納(na)海溝(gou)底部的(de)壓(ya)強(qiang)遠遠超過了普遍磚(zhuan)頭(tou)的(de)抗(kang)壓(ya)強(qiang)度(du)，那(nei)這(zhe)是否說明(ming)磚(zhuan)頭(tou)會被壓(ya)碎呢？
其實不然，這是(shi)因(yin)為上(shang)述的(de)30Mpa是(shi)指磚頭在單向受(shou)(shou)壓(ya)(ya)和(he)雙向受(shou)(shou)壓(ya)(ya)的(de)情(qing)況下，而(er)當磚頭在海(hai)水中的(de)時候，磚頭在各(ge)個(ge)方向所受(shou)(shou)到的(de)壓(ya)(ya)力都是(shi)均勻的(de)，這是(shi)屬于(yu)三向受(shou)(shou)壓(ya)(ya)，相對(dui)于(yu)單向受(shou)(shou)壓(ya)(ya)和(he)雙向受(shou)(shou)壓(ya)(ya)，物(wu)體(ti)在三向受(shou)(shou)壓(ya)(ya)的(de)情(qing)況下，其抗壓(ya)(ya)強度要高出(chu)好幾個(ge)數量級。
除此之外，磚頭(tou)(tou)的(de)構造較(jiao)為疏(shu)松，在它被丟進海洋中之后，海水(shui)會(hui)迅速地滲入其中，而由(you)于(yu)海洋中的(de)壓力(li)是(shi)由(you)海水(shui)來傳(chuan)遞的(de)，并且海水(shui)向各個(ge)方向傳(chuan)遞的(de)壓力(li)都(dou)是(shi)一樣的(de)，因(yin)此磚頭(tou)(tou)在被海水(shui)滲入之后，磚頭(tou)(tou)就(jiu)更不會(hui)被壓碎了。
這塊(kuai)磚頭多久能(neng)沉(chen)到海底(di)？
普通磚頭的(de)(de)密(mi)(mi)度大約每立方厘米1.8克，這遠遠大于海水(shui)(shui)的(de)(de)密(mi)(mi)度，因此磚頭肯定(ding)是(shi)會(hui)一(yi)直沉到海底的(de)(de)，在不考(kao)慮其他干擾因素（如(ru)海水(shui)(shui)流動、海洋(yang)生物碰撞(zhuang)等等）的(de)(de)情況下(xia)，磚頭在沉向海底的(de)(de)過(guo)程中主要會(hui)受到重力(li)（G）、海水(shui)(shui)的(de)(de)浮力(li)（F浮）以及(ji)海水(shui)(shui)的(de)(de)阻力(li)（F阻）這三種力(li)的(de)(de)作用。
在磚(zhuan)頭被丟入海(hai)水之后，其受到(dao)的(de)重(zhong)力(li)(li)比(bi)浮力(li)(li)更大，因此(ci)重(zhong)力(li)(li)和浮力(li)(li)的(de)合力(li)(li)方向為向下，在這個合力(li)(li)的(de)作(zuo)用下，磚(zhuan)頭就會加速向海(hai)底下沉。
然(ran)而海水(shui)卻會對(dui)磚頭(tou)產生阻(zu)力，其方向是向上的(de)(de)，磚頭(tou)下沉的(de)(de)速度(du)越(yue)快，海水(shui)對(dui)它(ta)產生的(de)(de)阻(zu)力就越(yue)強(qiang)，所(suo)以(yi)(yi)在(zai)經過(guo)一段(duan)時間(jian)之(zhi)后，磚頭(tou)所(suo)受(shou)到(dao)的(de)(de)這(zhe)(zhe)三種力就會達成(cheng)平衡，在(zai)這(zhe)(zhe)種情況下，它(ta)就會以(yi)(yi)一個(ge)固(gu)定(ding)的(de)(de)速度(du)向海底下沉，這(zhe)(zhe)個(ge)速度(du)也被稱為“終端速度(du)”，這(zhe)(zhe)是可(ke)以(yi)(yi)計算(suan)出來的(de)(de)。
重力可(ke)通(tong)(tong)過(guo)(guo)“G = mg”來計算(suan)，海水的(de)浮力可(ke)通(tong)(tong)過(guo)(guo)“F浮 = ρgV”來計算(suan)（其中m為(wei)磚頭質量，g為(wei)地球重力加速度，ρ為(wei)海水的(de)密度，V為(wei)磚頭的(de)體積）。
海(hai)水阻力的(de)計算(suan)公式為(wei)(wei)“F阻 = CρSv^2/2”（其中C為(wei)(wei)海(hai)水的(de)阻力系數，S為(wei)(wei)磚頭的(de)特(te)征面(mian)(mian)積（我們可(ke)以(yi)將其理解為(wei)(wei)“迎水面(mian)(mian)”），ρ為(wei)(wei)海(hai)水的(de)密度，v為(wei)(wei)磚頭的(de)下沉速度）。
當磚(zhuan)頭(tou)達到終端(duan)速(su)度(du)（v）的(de)時候，它所受到的(de)重力(li)就剛好等于海水的(de)浮(fu)力(li)加上海水的(de)阻力(li)，也就是“G = F浮(fu) + F阻”，所以(yi)(yi)我(wo)們就可以(yi)(yi)得出終端(duan)速(su)度(du)（v）的(de)計(ji)算公(gong)式，即“v = √[2(mg - ρgV）/CρS]”。
一塊普通磚頭的(de)標準尺寸為：長240毫米(mi)(mi)、寬115毫米(mi)(mi)、高53毫米(mi)(mi)，其體積為0.0014628立方米(mi)(mi)，按(an)密度為1.8克(ke)/立方厘(li)米(mi)(mi)來計算，其質(zhi)量(liang)（m）約(yue)為2.633千(qian)克(ke)，我們(men)將g取值(zhi)為9.8，海(hai)水的(de)密度（ρ）取值(zhi)為1030千(qian)克(ke)/立方米(mi)(mi)（這里忽略海(hai)水密度隨水深的(de)細微(wei)變化(hua)），海(hai)水的(de)阻力系數（C）取值(zhi)為0.47。
需(xu)要注意的(de)(de)是，在磚(zhuan)(zhuan)頭沉(chen)入海底的(de)(de)過程中，上述(shu)公(gong)式中的(de)(de)S（即特征面積）并不固定，它的(de)(de)最大值為“磚(zhuan)(zhuan)頭的(de)(de)長度(du) x 磚(zhuan)(zhuan)頭的(de)(de)寬度(du) = 0.0276平方(fang)米(mi)”，最小(xiao)值則為“磚(zhuan)(zhuan)頭的(de)(de)寬度(du) x 磚(zhuan)(zhuan)頭的(de)(de)高(gao)度(du) = 0.006095平方(fang)米(mi)”。
將以上數據代(dai)入“v = √[2(mg - ρgV）/CρS]”就可(ke)以得出(chu)，磚頭的終端(duan)速度最大值(zhi)約為(wei)2.73米(mi)/秒，最小值(zhi)約為(wei)1.28米(mi)/秒。
可以(yi)看(kan)到(dao)，即使是(shi)最大(da)值也是(shi)一個很小的速(su)(su)度，這就意(yi)味(wei)著，磚頭被(bei)丟進海水(shui)之后只需(xu)要很短的時間里(li)就能(neng)達到(dao)終(zhong)端速(su)(su)度，所(suo)以(yi)我們可以(yi)粗略地認為，磚頭在沉(chen)入海底的過(guo)程中(zhong)一直在以(yi)終(zhong)端速(su)(su)度進行勻速(su)(su)下沉(chen)。
至此(ci)我們就可以給出結論了，假如把(ba)一塊(kuai)磚(zhuan)頭(tou)丟進馬里亞納海溝(gou)，并且這(zhe)塊(kuai)磚(zhuan)頭(tou)能夠一直(zhi)沉到最(zui)深(shen)處(chu)（即11千米），那么它需要(yao)的最(zui)短時(shi)間(jian)大(da)約為4029秒，最(zui)長時(shi)間(jian)則大(da)約為8594秒，當然了，這(zhe)塊(kuai)磚(zhuan)頭(tou)是不(bu)會被壓碎的。
