水族馆海洋馆里的那些超级大水箱会破吗?

黄河边儿,科学和教育领域答主

会破。

先说两个信息:

第一,水族馆里的水箱为了观赏方便,通常采用的材质是聚甲基丙烯酸甲酯 ,简称 PMMA 或者叫亚克力。

长隆鲸鲨馆

第二,日本为了探测中微子,建了一个五万吨容量的超级大水箱【1】,什么概念呢?大于世界上任何一个水族馆里海洋馆里的水箱,他们选用的材料是不锈钢,为什么不用又便宜又轻的亚克力呢?因为亚克力时间长了真的会破,所以并不适用于这种需要长时间探测的实验装置。

日本的超级神冈中微子探测器,或叫 Super-K,一个五万吨的纯水水箱

好了,先看看水族馆的玻璃吧,去年国庆正好带着孩子去了长隆海洋王国,那儿的水族馆玻璃有两个世界之最,世界最大的玻璃和世界最大水族馆展示窗。水族馆的玻璃通常都是用亚克力玻璃制作的。如下图:

长隆的玻璃介绍

亚克力玻璃呢,强度高,而且透光率好,所以特别适合在水族管做观赏用,甚至用钉子敲击或者子弹打击亚克力玻璃,也不产生裂纹。

长隆海洋馆的真实玻璃展示

但是,亚克力也有它的缺点,就是有蠕变,也就是亚克力玻璃在长期施加压力的情况下,随时间玻璃会发生变形,进而破碎。怎么证明这件事儿呢?实验。

首先,为了衡量这种变形强度的高低,我们通常用蠕变柔量这个物理量,它反映了材料在恒定应力作用下随时间变化的应变特性,高的蠕变柔量说明材料在特定应力下变形大,即柔顺性高。公式上,蠕变柔量

表示为:

是施加在亚克力上的一个恒定的应力,

是在时间 t 时刻的亚克力玻璃的应变。有不少公式可以预测亚克力的蠕变,但是根据实验数据这些预测和实际蠕变差别很大。

比如下面这个实验【2】,在给亚克力玻璃施加 7。5 MPa 应力水平下,亚克力玻璃的实际蠕变曲线(蓝线)和理论曲线(彩色虚线)的对比。图中横轴表示时间,以对数秒计,Log(t/s),纵轴表示蠕变柔量,以对数 1/GPa 计,Log(J/GPa^-1)。

亚克力玻璃的实际蠕变曲线(蓝线)和理论曲线(彩色虚线)的对比

实验测试显示, 实际蠕变曲线和理论曲线在短时间内有较好的一致性,表明在短期预测中,理论曲线能够较准确地描述亚克力玻璃的蠕变行为;但是,在更长的时间范围内,实际蠕变曲线显示出更高的柔量值,实际蠕变速率比主曲线预测的更快

也就是说,在长期条件下,实际材料的蠕变会超过通过短期数据构建的理论预测,这可能导致材料的实际使用寿命比预测的更短,如果亚克力玻璃使用时间过长,就可能导致玻璃的破碎。

实际上,这种水族馆水箱破裂的例子也发生过,比如:2022 年德国柏林一个圆柱形水箱玻璃鱼缸 AquaDom 破裂,据称这是世界上最大的圆柱形水箱。

2022 年德国柏林一个圆柱形水箱玻璃鱼缸 AquaDom 破裂

评论区 @太空僧 提到了“咱们国家的江门中微子实验是用亚克力建的“。

其实,并不完全是。下面是江门中微子实验探测器的示意图【3】,其水箱由外层的不锈钢罐和内层的有机玻璃也就是亚克力罐组成。如果单用亚克力是不会支持长期的探测的,原因还是上面提到的:亚克力玻璃在长期施加压力的情况下,随时间玻璃会发生蠕变,有破裂的风险。

江门中微子实验探测器的示意图

下面分别是是2022 年和 2023 年正在搭建的外层不锈钢网架

2022 年正在搭建的外层不锈钢网架
2023 年正在搭建的外层不锈钢网架

不锈钢网架来个特写吧

不锈钢网粗细与成人接近