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转:【深海液只是科幻?】深海液在对抗高加速度的问题上有多大应用价值?

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CDer:000149863
发表于 2014-1-25 22:17 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 阴暗面 于 2014-1-25 22:27 编辑


首先解释一下题目:深海液(,又称为深海加速液(参见《三体》),这种液体含氧量十分丰富,经过训练的人员能够在液体中直接进行呼吸,在呼吸过程中,液体充满肺部,再依次充满各个脏器。很多科幻作品中都有类似的概念。

下面是我对原题的解答:

=============================分割线,原题答案=========================================

怎么没有人提深海液、LCL什么的?

具体说就是在盔甲中灌装液体,将人体完全浸泡在液体环境中(包括肺部、呼吸道和其他人体脏器),这种液体应该能直接为人体提供氧。这样,在控制好渗透压的条件下,人体体液、细胞将与深海液融合。

这种方法填充了人体和盔甲之间的空隙(也包括人体本身的空隙),将质量分布均匀化,优化受力结构;并且液体很难被压缩,这样可以大大降低高加速度下人体组织的形变(人体不能承受高加速度的原因主要是组织的形变),可以极大地提高人对高加速度的耐受(深海鱼类能生活在高压环境中就得益于其身体内部的水与外界压强抵消;物体在受到深海中水压的情况和在高加速度情况下的物理本质类似,都是压力导致形变的问题)。

下面我们看看在多大的加速度下细胞不会因为沉淀作用而破裂:
我们考虑生物学中的离心分离法。以TD5A-WS离心机为例http://detail.1688.com/offer/1285856208.html,它的最大转速5500rpm,最大相对离心力(RCF)5310g,根据公式(5500*2*PI/60)^2=5310*g/R,计算得出离心机的转子半径R=0.157m,通常在1000~1500rpm的转速下离心20min收集活细胞,这里取1000rpm,(1000*2*PI/60)^2=RCF*g/R,得出此时的相对离心力RCF=174g。也就是说在174g的加速度下20min(抵御一次冲击足够了),细胞不会发生破裂。

这张图差不多印证了我的计算http://www.bbioo.com/experiment/18-2360-1.html(可惜没找到动物细胞的数据)

综上,在100多倍左右重力加速度的情况下,细胞在溶液中不会破裂。所以深海液的方案还是有很大应用空间的。

几点补充:

1、深海液,又称为深海加速液,参见《三体》:当(飞船)处于最高推进功率时,飞船的加速将达到120G,所产生的超重是正常状态下人体承受极限的十多倍,这时就要进入深海状态,即在舱室中注满一种叫“深海加速液”的液体。这种液体含氧量十分丰富,经过训练的人员能够在液体中直接进行呼吸,在呼吸过程中,液体充满肺部,再依次充满各个脏器。

2、LCL,LINK CONNECTED LIQUID,参见EVA,是一种注入EVA驾驶舱内的黄色,有血腥味的粘稠液体,其成分与原始海洋类似。驾驶员搭乘后,由电核重组分子,将驾驶员的神经和EVA连接,向驾驶员肺部直接提供氧气。同时,还可以在战斗中减缓物理攻击,隔绝精神污染,担负生命维持的任务。

3、深海液在上世纪上半叶就有人提出,当时是为了解决深海潜水的抗压问题,但是由于技术条件的限制没有实现。

4、1966年,美国科学家利兰·克拉克发现不慎落入氟碳化物(二氟丁基四氢呋喃?)溶液中的老鼠依然可以存活,原来这种溶液的溶氧能力特别强,大约为水的20倍,小鼠可以自由的在溶液中“呼吸”,以此为idea,人们进一步发明了人造血液,并在1979年首次在临床上取得成功。可以说这种人造血液实现了深海液的一部分功能。

=============================原题答案结束=============================================

首先明确人体为什么不能忍受高加速度:
1、人体上下方向的加速度对血液循环的破坏是最大的,人体向上加速,大脑、眼睛会缺血,缺氧,短时会引起盲视,时间过长会导致脑组织损伤以及导致失明;人体向下加速,大脑、眼睛会充血,组织结构会受到损伤。
2、人体前后方向的加速度影响最大的是人的肺部,向前加速时,胸前肌肉和骨骼会在加速度的作用下压迫肺部,导致呼吸困难。
3、人体能承受的最大加速度在10g左右。更高的加速度除了1、2两点外会直接造成人体结构形变,直接撕裂或压扁人体。

下面是受力分析:
考虑一个充满水的气球,放在一个盒子里,盒子的结构足够坚固,气球与盒子之间有空隙。将装置从楼上扔下,落地瞬间,可以看到,侧面一点受到向下的惯性力,并且没有支撑。那么气球将产生很大的形变,很容易破裂。(这里的g不一定只是一个重力加速度)

如果将盒子内部充水,让气球浸泡在水中,由于水难以被压缩,可以在受惯性力处给予支持,大大减小形变。

对于人体血液循环系统用下面的图模拟,一根刚性的管子,上下套上气球内部充水。可以看到,在外界有液体的情况下,气球受力平衡,不会破裂(模拟人眼球充血情况)。


以上分析指出,液体环境可以有效防止其中的弹性物体在高加速度下发生形变。

对于细胞在高加速度下发生沉淀的情况,原题回答已有分析,结论是在100多倍重力加速度的情况下,细胞结构不会被破坏。

那么既然细胞结构不被破坏那么细胞在溶液中的沉淀会造成人体的损伤吗?当然会,但是这种损伤的程度是有限的:在150g下离心20min才可将细胞沉淀。而且这里用的是细胞悬浮液,人体结构中的细胞可不是像悬浮液中的那样松散的。当然,定量的分析我现在没有数据。

==================================分割线============================================

关于计算破碎细胞所需的加速度的部分,欢迎大家提供更详细的数据。


转帖:http://www.guokr.com/post/553628/
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CDer:000149863
 楼主| 发表于 2014-1-25 22:19 | 显示全部楼层
本帖最后由 阴暗面 于 2014-1-25 22:22 编辑

下面是受力分析:
考虑一个充满水的气球,放在一个盒子里,盒子的结构足够坚固,气球与盒子之间有空隙。将装置从楼上扔下,落地瞬间,可以看到,侧面一点受到向下的惯性力,并且没有支撑。那么气球将产生很大的形变,很容易破裂。(这里的g不一定只是一个重力加速度)

1.

1.
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CDer:000149863
 楼主| 发表于 2014-1-25 22:20 | 显示全部楼层
本帖最后由 阴暗面 于 2014-1-25 22:22 编辑




如果将盒子内部充水,让气球浸泡在水中,由于水难以被压缩,可以在受惯性力处给予支持,大大减小形变。
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 楼主| 发表于 2014-1-25 22:24 | 显示全部楼层
对于人体血液循环系统用下面的图模拟,一根刚性的管子,上下套上气球内部充水。可以看到,在外界有液体的情况下,气球受力平衡,不会破裂(模拟人眼球充血情况)。



以上分析指出,液体环境可以有效防止其中的弹性物体在高加速度下发生形变。

对于细胞在高加速度下发生沉淀的情况,原题回答已有分析,结论是在100多倍重力加速度的情况下,细胞结构不会被破坏。

那么既然细胞结构不被破坏那么细胞在溶液中的沉淀会造成人体的损伤吗?当然会,但是这种损伤的程度是有限的:在150g下离心20min才可将细胞沉淀。而且这里用的是细胞悬浮液,人体结构中的细胞可不是像悬浮液中的那样松散的。当然,定量的分析我现在没有数据。
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CDer:000630915
发表于 2014-1-25 23:03 | 显示全部楼层
科幻的东西真的少看为妙。
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CDer:000149863
 楼主| 发表于 2014-1-25 23:06 | 显示全部楼层
wujingping 发表于 2014-1-25 23:03
科幻的东西真的少看为妙。

离心机下的细胞抗G实验不是科幻的东西
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CDer:000263772
发表于 2014-1-25 23:14 | 显示全部楼层
阴暗面 发表于 2014-1-25 23:06
离心机下的细胞抗G实验不是科幻的东西

离心机是另一种情况
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CDer:000409416
发表于 2014-1-25 23:19 | 显示全部楼层
lz主次颠倒了,先解决人如何在液体中生存再说吧
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CDer:000149863
 楼主| 发表于 2014-1-25 23:22 | 显示全部楼层
猎杀m1a2 发表于 2014-1-25 23:14
离心机是另一种情况

什么情况?是持续而恒定的离心加速度。
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CDer:000263772
发表于 2014-1-25 23:29 | 显示全部楼层
阴暗面 发表于 2014-1-25 23:22
什么情况?是持续而恒定的离心加速度。

我的意思是,离心机里,细胞虽然受到离心加速度,但是这个加速度作用于细胞内外是均衡的,不会引起细胞破裂。而人体组织内的细胞则不一样,大部分细胞都和其他细胞有机械结构的牵扯,受到外力的情况显然不一样。这些东西不是靠填补液体就能弥补的。

举个例子,心脏就是浸泡在体液之中的,但是受到外力剧烈作用的时候这些细胞受到的载荷显然都不是各向均匀的。这就会损伤心脏。

再者肝脏,它也是浸泡于组织液力的,如果受到剧烈过载冲击比如使劲踢一脚,肝脏会严重破裂。
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 楼主| 发表于 2014-1-25 23:36 超大游击队员 | 显示全部楼层
猎杀m1a2 发表于 2014-1-25 23:29
我的意思是,离心机里,细胞虽然受到离心加速度,但是这个加速度作用于细胞内外是均衡的,不会引起细胞破 ...


你错了,心脏在胸腔里面,而不是浸泡在液态里面。只有发生血胸,心脏才浸泡在液体里面。同样只有产生腹水,肝脏才浸泡在液体里面
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CDer:000263772
发表于 2014-1-25 23:38 | 显示全部楼层
阴暗面 发表于 2014-1-25 23:36
你错了,心脏在胸腔里面,而不是浸泡在液态里面。只有发生血胸,心脏才浸泡在液体里面

胸腔里面除了肺部不是被细胞间液,其他器官的组织所紧紧包围么?没哪位的心脏所在的位置是个大气囊吧。
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CDer:000263772
发表于 2014-1-25 23:41 | 显示全部楼层
阴暗面 发表于 2014-1-25 23:36
你错了,心脏在胸腔里面,而不是浸泡在液态里面。只有发生血胸,心脏才浸泡在液体里面。同样只有产生腹 ...

就算你将肺部填充满液体,确实能提高一些心脏抗过载能力,但是也是有限的。因为人受到过载,力要通过填充的液体和周围的组织液传递过来,整个心脏和周围的加速不同步,这显然会牵扯心脏。
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 楼主| 发表于 2014-1-25 23:54 超大游击队员 | 显示全部楼层
猎杀m1a2 发表于 2014-1-25 23:38
胸腔里面除了肺部不是被细胞间液,其他器官的组织所紧紧包围么?没哪位的心脏所在的位置是个大气囊吧。

被非实质藏器包绕等于泡在水里吗?
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CDer:000263772
发表于 2014-1-25 23:57 | 显示全部楼层
阴暗面 发表于 2014-1-25 23:54
被非实质藏器包绕等于泡在水里吗?

所以我说了,把肺部填满呼吸液确实能提高心脏抗过载能力,但是细胞破裂问题仍然存在。

话说谈了这么久,为啥不想得宽些,还有更脆弱的大脑没讨论呢。
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发表于 2014-1-26 00:00 超大游击队员 | 显示全部楼层
实践产生真知,什么时候做到活人浸泡在液体里安全呼吸甚至睡眠,深海加速液才有可能实现。
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 楼主| 发表于 2014-1-26 00:02 超大游击队员 | 显示全部楼层
猎杀m1a2 发表于 2014-1-25 23:41
就算你将肺部填充满液体,确实能提高一些心脏抗过载能力,但是也是有限的。因为人受到过载,力要通过填充 ...

如果考虑心脏抗过载能力较差,那就干脆在短期加速的时候用更耐加速度的机械心脏短期替代心脏工作好了。

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发表于 2014-1-26 00:34 超大游击队员 | 显示全部楼层
本帖最后由 callmeK 于 2014-1-26 00:36 编辑
猎杀m1a2 发表于 2014-1-25 23:38
胸腔里面除了肺部不是被细胞间液,其他器官的组织所紧紧包围么?没哪位的心脏所在的位置是个大气囊吧。


肺是靠肺膜包敷提供负压
肺泡内压力小于大气压
因此肺能够吸气
肺的收缩排气是靠胸腹部肌群
如果外压大的话肺也不能正常吸入氧
比如肺膜破裂就是气胸
胸腔内其实是有压力的
肺膜间隙和胸腔连通 就无法为肺提供负压
胸腹肌群无法提供足够的收缩力比如小于外压
肺同样不能正常呼吸
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CDer:000153522
发表于 2014-1-26 08:31 | 显示全部楼层
电影《深渊》里最早出现的液体呼吸装置

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CDer:000485815
发表于 2014-1-26 08:42 | 显示全部楼层
看来我们需要全新的理论去对抗高G
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CDer:000585765
发表于 2014-1-26 10:14 | 显示全部楼层
呀咩嗲……哦吔 发表于 2014-1-26 00:00
实践产生真知,什么时候做到活人浸泡在液体里安全呼吸甚至睡眠,深海加速液才有可能实现。

恩,等美帝研究出成果了,再研究也不迟
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CDer:000115244
发表于 2014-1-26 10:52 | 显示全部楼层
本帖最后由 odahill 于 2014-1-26 11:41 编辑
阴暗面 发表于 2014-1-25 22:20
如果将盒子内部充水,让气球浸泡在水中,由于水难以被压缩,可以在受惯性力处给予支持,大大减小形变 ...


请问楼主,水不能被压缩,但是水能传递力,力作用在气球上同样会对气球压缩,你的分析结果为什么会减小形变?
气球这类的形变是弹性形变,符合胡克定律,形变只与受力的大小有关,你充满液体并不能改变力的大小和方向。
你不会受力分析,还被假象迷惑,充满液体是增加缓冲,使受力时间增加,变形的速度减小,并不减小变形量。


“而且这里用的是细胞悬浮液,人体结构中的细胞可不是像悬浮液中的那样松散的。当然,定量的分析我现在没有数据。”破坏细胞相当于破坏原子核,是强相互作用力,破坏人体器官,也就是细胞间结构,相当于破坏分子,是分子间力,是弱相互作用力。

“对于人体血液循环系统用下面的图模拟,一根刚性的管子,上下套上气球内部充水。可以看到,在外界有液体的情况下,气球受力平衡,不会破裂(模拟人眼球充血情况)。”受力明显不平衡,没有力来平衡F。实际的分析应该是上部球体受力收缩,液体挤入下部球体,下部球体弹性膨胀,F'=kx,F'=F,两力平衡,当F消失时,形变消失。楼主你可以想象吹肥皂泡,孩子们玩的多了,大泡泡套小泡泡,套三五层都没问题,空气相当于你的溶液,肥皂泡就是你的气球,黏住嵌套的泡泡往前跑,所有的泡泡都一起变形的。想问楼主,你钢管套气球的模型浮在当中的原因是什么?正常受力平衡时是不可能浮在当中,必然接触盒子的。

再和楼主你明确一下,液体固体都能传递力,这是基本物理现象,也是你三番两次想用的液压设备的工作原理。
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CDer:000275851
发表于 2014-1-26 11:42 | 显示全部楼层
子弹击中人体时,可不只是100多G吧。
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CDer:000115244
发表于 2014-1-26 11:43 | 显示全部楼层
本帖最后由 odahill 于 2014-1-26 11:58 编辑
阴暗面 发表于 2014-1-25 22:20
如果将盒子内部充水,让气球浸泡在水中,由于水难以被压缩,可以在受惯性力处给予支持,大大减小形变 ...


“如果将盒子内部充水,让气球浸泡在水中,由于水难以被压缩,可以在受惯性力处给予支持,大大减小形变。”此处大错。
这个实验操作起来不难,能不能实现楼主你的受力分析,你自己拍个视频传上来吧。虽然里面牵涉到点密度问题,但是还是楼主你先拍了再深入谈吧。
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CDer:000115244
发表于 2014-1-26 11:55 | 显示全部楼层
本帖最后由 odahill 于 2014-1-26 13:12 编辑

“深海鱼类能生活在高压环境中就得益于其身体内部的水与外界压强抵消”深海鱼类能在高压环境生活仅仅是自然选择适应,深海鱼类捞上来就死,如果你按这个来套用人类是不对的,你是要人类同时适应高压和低压环境,深海鱼类只适应高压。
"液体充满肺部,再依次充满各个脏器"肺泡和其他器官不连通,充满了肺部,除非肺炸裂了,液体才会流进胸腔。
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发表于 2014-1-26 12:04 | 显示全部楼层
阴暗面 发表于 2014-1-25 22:24
对于人体血液循环系统用下面的图模拟,一根刚性的管子,上下套上气球内部充水。可以看到,在外界有液体的情 ...

不要用均质环境代替人体- -

抗G最麻烦的问题是人体内不同密度的器官在同G力下的不同加速速度。
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CDer:000401983
发表于 2014-1-26 12:20 | 显示全部楼层
  你说第一句,我就觉得是是EVA里面的场景
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CDer:000808906
发表于 2014-1-26 13:07 | 显示全部楼层
先问个问题,人体内部能成为一个等密度体吗?在高氧液中肺不用呼吸,能不能直接交换?感觉很有前途的一种想法,虽然会有拉扯的作用力,但在能承受范围内就行啊
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发表于 2014-1-26 18:18 | 显示全部楼层
风中闲云 发表于 2014-1-26 13:07
先问个问题,人体内部能成为一个等密度体吗?在高氧液中肺不用呼吸,能不能直接交换?感觉很有前途的一种想 ...

有这个闲工夫直接把脑子挖出来方便得多- -
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CDer:000808906
发表于 2014-1-26 19:12 | 显示全部楼层
alucrad 发表于 2014-1-26 18:18
有这个闲工夫直接把脑子挖出来方便得多- -

呵呵那也太急了吧,先有理论后有实践,只要不断增加人所能承受的加速度就行啊
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CDer:000263772
发表于 2014-1-26 19:16 | 显示全部楼层
阴暗面 发表于 2014-1-26 00:02
如果考虑心脏抗过载能力较差,那就干脆在短期加速的时候用更耐加速度的机械心脏短期替代心脏工作好了。
...

其他器官和组织咋办呢?脑子呢?肠子呢?肝脏呢?肾脏呢?小鸡鸡呢?
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发表于 2014-1-26 22:56 | 显示全部楼层
风中闲云 发表于 2014-1-26 19:12
呵呵那也太急了吧,先有理论后有实践,只要不断增加人所能承受的加速度就行啊

明显挖脑子比较简单易行- -或者换个名词叫全身义体
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CDer:000149863
 楼主| 发表于 2014-1-27 01:15 超大游击队员 | 显示全部楼层
alucrad 发表于 2014-1-26 22:56
明显挖脑子比较简单易行- -或者换个名词叫全身义体

不挖脑子也可以承受比目前高的多的加速度。
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CDer:000278571
发表于 2014-1-27 08:15 | 显示全部楼层
2L,气球与盒子之间有空隙...侧面一点受到向下的惯性力,并且没有支撑

3L,如果将盒子内部充水...由于水难以被压缩,可以在受惯性力处给予支持

这两句首先错了,直接导致错误结论。。。

2L的情况,你确定因为空隙中的气体受到压缩了,所以导致受力更大?
要不要举个鱼雷空爆,和水下爆的区别来作为反例呢?

事实上,如果空气压缩能起作用,那也是缓冲的作用,因为可压缩,冲击的能量被吸收了一部分,类似的例子还有汽车吸能,反之,水不可压缩,受力是直接传递的,损伤更大。

2L和3L的例子中,空气与水的真正差别在于,空气密度小,因而运动阻力小,盒子触地气球向壁运动过程中,水的阻力大,因而有了减速作用。

总之,2L和3L的例子,所用的原理错误,结论自然错了。
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CDer:000278571
发表于 2014-1-27 08:22 | 显示全部楼层
换句话说,2L和3L并不存在受力分析上的区别,所有区别是由材料密度差别引起的,不要因为看不到感觉不一空气阻力,就认为空气阻力不存在。。。

深海液之所以叫深海液,这是因为其出处是用于:适应空气生存的人类,要下深海需要解决内外压力差的问题,而人体内部的气体不利于这个问题的解决。
其应用前提是,均匀的外部高压,而冲击本身是一个动态过程,其压力变化是剧烈的, 不均匀的。

举个例子,很多加压场合,要求均匀缓慢地加压,为什么能承受高压的材料,对加压速度还有要求?就是因为压力传递至均匀分布,是需要时间的,在这个过程中,局部压力可能会超出范围。
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CDer:000457086
发表于 2014-1-27 08:59 超大游击队员 | 显示全部楼层
其实就是一个受力梯度的问题。
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CDer:000170338
发表于 2014-1-27 09:18 | 显示全部楼层
脑壳灌满水才行,要不水会把脑壳压碎
还有装水的容器的强度也是个问题
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CDer:000748670
发表于 2014-1-27 13:03 超大游击队员 | 显示全部楼层
你怎么让你的内脏和脑壳的缝隙中灌满这种液体?
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CDer:000348398
发表于 2014-1-27 14:58 | 显示全部楼层
高G和高压是两回事,深海技术应用的也是1G的地球上,你啥时候看到战斗机上用这技术了?
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CDer:000348398
发表于 2014-1-27 15:03 | 显示全部楼层
高G的情况和细胞膜内外压强什么的无关(这个是和压强帕关联的),而在于整个物体的结构强度。G够高铁块也会被压扁。不是你把铁块泡在水里在高G下就没事了。
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