Какая сила давления действует на водолаза при его погружении на 50 метров: Какая сила давления действует на водолаза при его погружении на 50 метров?

Какая сила давления действует на водолаза при его погружении на 50 метров: Какая сила давления действует на водолаза при его погружении на 50 метров?

Содержание

Физические основы и физиологические особенности пребывания человека под водой

Воздушная среда и ее свойства. Парциальное давление газов

В процессе эволюционного развития человеческий организм совершенствовался и приспособлялся к существованию в воздушной среде. Нормальная жизнедеятельность всех органов и тканей человека зависит от газового состава воздуха, атмосферного давления, температуры, влажности и других факторов внешней среды. Значительные изменения этих факторов могут вызывать существенные нарушения в организме. Окружающий нас атмосферный воздух является дыхательной газовой смесью имеющей следующий постоянный сос­тав: азота – около 78% (по объему), кислорода – около 21%, угле­кислого газа – около 0,03%. Кроме этих газов, в состав атмосфе­рного воздуха входит целый ряд других газов (аргон, гелий, неон, криптон, ксенон и др.), но практического влияния на организм  водолазов и подводников эти газы не оказывают, т. к. находятся в воздухе в ничтожно малых количествах. В атмосферном воздухе присутствуют также водяные пары (до 4% по объему). Высокая влажность воздуха может вызывать у человека нарушение нормальных процессов выделения и поглощения тепла. Вся масса атмосферного воздуха своим весом давит на по­верхность  земли  и  находящиеся  на  ней  предметы  и  человека  с  силой, уравновешиваемой столбом ртути в 760 мм на уровне мо­ря, на широте  45° при 0° С. Эта величина, принятая за едини­цу давления, называется физической атмосферой и обозначается атм (атм = 760 мм рт. ст. или 10,33 м  вод.ст., что  соответст­вует 1,033 кгс/см). Атмосферное (барометрическое) давление, равное 1 атм, на-зывается  нормальным.   В  технике  и  водолазном  деле  за  единицу  давления  принимают  давление  в 1 кгс/см. Эта  единица  назы­вается технической атмосферой и обозначается ат (1 ат = 1кгс/см2, что соответствует 10 м  вод.ст. или  735,6 мм  рт.ст., или  0,968 атм). Поверхность  тела  человека  составляет  1,5…2 м 2.  Следова­тельно,  сила, с  которой  атмосферный  воздух  давит  на  тело  чело­века, составляет 15…20 тс. Однако человек этого не ощущает, т. к.  его  тело  состоит  из  65%  жидких  и  35%  твердых  веществ, практически  не  сжимаемых. Кроме того, газ, растворяясь в организме, а также сжимаясь в воздухоносных полостях, создает противодавление, рав­ное окружа-ющему давлению. Если выкачивать воздух из воздухоносных полостей, человек  сразу  ощутит  всю  тяжесть  столба  воздуха. Тело  водолаза  или  подводника, находящегося  в  воде, испы­тывает  дополнительное  давление  от  веса  столба  воды. На  каждые  10 м  погружения  в  воду  тело  испытывает  допол­нительное  давление  в  1 ат. Оно называется избыточным и обоз­начается  ати.   Сумма  избыточного  и  атмосферного  давлений назы­вается  абсолютным  давлением  и  обозначается ата. Например, на  глубине  20 м  на  водолаза  будет  действовать  абсолютное  дав­ление,  равное  3 ата   (2 ати  за  счет  давления  столба  воды  и  1 ат за  счет  давления  воздуха). В  водолазной  практике  давление  определяют  водолазными манометрами, которые  всегда  показывают  величину  избыточного давления.  Однако  необходимо  принять  во  внимание  величину абсолютного  давления, т. к.  абсолютное  давление  является  опре­деляющим  при  возникновении  тех  или  иных  нарушений  в  нашем организме. Для того чтобы водолаз или подводник не ощущал повышен­ного  давления  при  спусках  под  воду, необходимо  для  дыхания  применять  воздух, сжатый  до  окружающего  давления, который, проникая  во  все  полости  и  ткани  организма, будет  уравновеши­вать  внешнее  давление.  Равенство  внешнего  и  внутреннего  дав­лений  –  основное  условие  спусков  под  воду.   Его  необходимо  строго  соблюдать. Газы  характеризуются  следующими  величинами:  массой, за­нимаемым  объемом, давлением  и  температурой.  Все  эти  величины  взаимосвязаны  и  взаимозависимы:  при  изменении  одной  из  них  меняются  все  остальные. Обратно пропорциональная зависимость  между  объемом  газа  и  давлением  при  неизмен­ной  температуре  устанавливается  законом  Бойля-Мариотта: P1V1 = P2V2, где  P1 и P2  –  начальное  и  конечное  давление  газа, ат;        V1 и V2  – начальный и конечный объемы газа, л (или м3). Из этого закона следует, что при увеличении давления объем будет уменьшаться. Пользуясь этим выражением, можно определить запас возду­ха, находящегося в баллонах дыхательного аппарата. Например, в  двух  баллонах, емкостью по 1 л  каждый, под давлением  200 ат  находится

приведенного  к  нормальному  давлению  воздуха. При  одном  и  том  же  давлении  повышение температуры  газа  приводит  к  увеличению  его  объема:  «Объем  данной массы  газа  при  постоянном  давлении  прямо  пропорционален  температуре» (закон  Гей-Люссака).  Такая  же  зависимость  существует  между давлением  газа и  его температурой  при  постоянном  объеме (закон Шарля).Эти соотношения можно выразить  формулами:

где: V1 и V2 – начальный и конечный объем газов при постоянном давлении, л; t1 и t2 – начальная и конечная температура газа, °С; P1 и P2  – начальное и конечное давление газов при постоянном объеме, ат. Из  данных  формул  видно,  что  в  случае  повышения  или  понижения  окружающей  температуры  объем  газа  будет  меняться,  а  при  неизменном  объеме  будет  повышаться  или  понижаться  давление  газа  в  сосуде. Поправку  на  температуру,  т. е.  повышение  или  понижение  давления  в  баллонах  в  зависимости  от  температуры, водолазы  учитывают  при  подводных  погружениях. ПРИМЕР.  При  температуре  27°С  давление  газа  в  баллоне  равно  200 ат. Каким  будет  давление  газа  при  погружении  под  воду, если  температура  воды  10°С? По  формуле  находим:

Температурный  фактор  имеет  существенное  значение  при  хранении  газа  в  баллонах:  баллоны  с  газом  под  давлением  нельзя  хранить  вблизи  отопительных  приборов  и  под  воздействием  солнечных  лучей, так  как  давление  может  повыситься  до  величин, превышающих  допустимые. Если  между  газами  нет  химического  взаимодействия, то  они  относятся  друг  к  другу  индифферентно  и  смешиваются  во  всех  пропорциях.  Каждый  из  них  распространяется  по  объему  так, как  если  бы  других  газов  совершенно  не  было.  Этим  пользуются  в  водолазном деле при приготовлении дыхательных газовых смесей, применяемых  при  глубоководных  спусках. Влияние на организм оказывают не столько процентное содер-жание  газа  в  газовой  смеси, сколько  его  парциальное  давление, т. е.  давление,  создаваемое  каждым  газом  в  отдельности. При изменении окружающего давления процентное соотношение газов в составе газовой смеси не меняется, а изменяется их парциальное давление. Парциальное  давление  газа  зависит  от  общего  (абсолютного)  давления  смеси  газов  и  процентного  содержания  газа  по  объему  в  смеси.  Оно  определяется  по  формуле:

где а – процентное  содержание  газа  в  газовой  смеси; Р  –  общее  давление  газовой  смеси; ρ –  парциальное  давление  газа. Парциальное давление газа может быть выражено в мм рт.ст.,  мм  вод.ст., в  ата или в кПа. Парциальное  давление  газов  атмосферного  воздуха  равно:

около 8 мм рт.ст. приходится на долю инертных газов. Зная  парциальное  давление  газа  и  его  процентное  содержание,  всегда  можно  найти  общее  давление  газовой  смеси и,  наоборот,  зная  давление  и  процентное  содержание  газа  в  смеси,  можно  рассчитать  парциальное  давление.

Водная  среда и ее свойства.

Влияние  водной  среды  на  организм Организм  человека  приспособлен  к  существованию  в  воздуш­ной  среде.  Пребывание  человека  под  водой  необычно,  т. к.  вода  по  своим  физическим  свойствам  значительно  отличается  от  воздуха:  в  ней  нет  газообразного  кислорода,  она  значительно  тяжелее  и  плотнее  воздуха,  имеет  большую  теплоемкость  и  высо­кую  теплопроводность.  Эти  особенности  создают  специфические  условия  при  погружениях  под  воду. Вода  в  775 раз  плотнее,  а  следовательно,  и  тяжелее  воз­духа.  Если  на  поверхности  Земли  человек  испытывает  давление,  равное  1 кгс/см 2,  то  на  глубине  всего  лишь 10 м  давление  удво­ится  и  будет  равным  2 кгс/cм 2. Тело,  погруженное  в  воду,  теряет  в  весе  столько,  сколько  весит  вытесненный  им  объем  воды  (закон  Архимеда). Вес  тела  человека  обычно  незначительно  больше  веса  объе­ма  вытесняемой  им  воды.  Человек  весом  80 кг  вытесняет  при  погружении  78…79 л  воды  и,  таким  образом,  в  воде  тело  чело­века  обладает  отрицательной  плавучестью,  равной  1…1,5 кгс.  Как  правило,  человек,  не  умеющий  плавать,  не  удерживается  на  поверхности  воды. Объем  водолаза,  одетого  в  водолазное  снаряжение,  увеличивается  на  30…60 л  (в  зависимости  от  типа  водолазного  сна­ряжения),  и  следовательно,  водолаз  будет  иметь  большую  поло­жительную  плавучесть.  Для  компенсации  (погашения)  этой  пла­вучести  используют  свинцовые  или  чугунные  грузы  (2 груза  по  16…18 кг  каждый).  При  этом  отрицательная  плавучесть  водолаза,  одетого  в  снаряжение,  в  воде  колеблется  от  5  до 10 кгс.  Под­водник,  одетый  в  изолирующее  снаряжение,  при  выходе  из  апл  не имеет грузов. Положительная плавучесть его составляет 7…8 кгс.  Это  обеспечивает  лучшие  условия  для  выхода  из  затонувшей  подводной  лодки  как  по  специальному  концу  от  пл  до  поверхности, так и при свободном всплытии, а  также  обеспечивает  возможность  удерживаться  на  плаву  после  выхода  на  поверхность  до  подхода  спасательных  средств. Кроме  силы  тяжести  и  силы  плавучести  на  водолаза  действуют  гидродинамические  силы, обусловленные  течением  воды,  и  различные  механические  силы.  Однако  основными  силами,  определяющими  положение  водолаза,  находящегося  в  воде,  являются  сила  тяжести  и  сила  плавучести.  Они  определяют  способность  водолаза  сохранять  в  воде  необходимое  положение  и  легко  возвращаться  к  нему  при  наклоне  в  любую  сторону. При  работе  под  водой  водолазу  приходится  принимать  самые  разнообразные  положения:  вертикальное,  на  коленях,  на  боку,  на  спине  или  животе.  Во  всех  случаях  водолаз  старается  придать  своему  телу  наиболее  устойчивое  и  удобное  для  выполнения  работы  положение.  Способность  удерживаться  в  воде  в  удобном  положении  называется  остойчивостью  водолаза.  Чтобы  достичь  остойчивого  положения,  нужно  грузы  и  аппарат  для  дыхания  расположить  на  теле  так,  чтобы  центр  тяжести  был  ниже  центра  плавучести  на  одной  вертикальной  линии  (см. рис. 6).

                                                                                      А                                                                                           Б

Рис. 6. 

Положение  водолаза  под  водой: А – неостойчивое;  Б – остойчивое;  ЦП – центр  плавучести  –  точка  приложения  силы  плавучести;  ЦТ – центр  тяжести  –  точка  приложения  силы  тяжести

Если  грузы  расположить  иначе,  водолазу  в  воде  будет  тру­дно  удерживать  равновесие  и  передвигаться  по  грунту. В  случае,  когда  под  водолазным  костюмом  воздух  скопится  около  нижней  части  туловища  или  ног,  водолаза  может  перевер­нуть  вверх  ногами  и  выбросить  на  поверхность.  Поэтому  перед  погружением  под  воду  или  перед  выходом  из  апл  в  специальных  костюмах  необходимо  тщательно  удалить  воздух  из-под  костюма  через  специальные  клапаны. Для  достижения  положительной расчетной  плавучести  под­водника  и  во  избежание  переворачивания  в  спасательный  гидро­комбинезон  подводника  вставляются  металлические  стельки. Это  обеспечивает  вертикальное  положение  подводника  при  всплытии. Под  водой  подводник  испытывает  разность  давлений  на  ниж­ние  и  верхние  участки  тела.  Эта  разность  тем  больше,  чем  вы­ше  рост  водолаза.  Нижние  конечности  обжимаются  сильнее  и,  следовательно,  хуже  снабжаются  кровью  и  больше  подвергаются  переохлаждению.  Отток  крови  от  верхних  участков  тела  умень­шается,  кровеносные  сосуды  переполняются  кровью,  что  приво­дит  в  некоторых  случаях  к  носовым  кровотечениям. Теплоемкость  воды  в  четыре  раза  больше  теплоемкости  воздуха,  а  теплопроводность  в  25 раз  больше.  В  холодной  воде  это  ведет  к  переохлаждению  водолаза. Для  предупреждения  тяжелых  последствий  время  пребывания  под  водой  человека  без  одежды  ограничивается  (см. табл. 15).

Таблица 15

Температура  воды,

Время  пребывания,мин

20

17

14

12

10

40

30

20

10

Пребывание в воде недопустимо

Если  время  пребывания  в  воде  превышает  приведенные  в  табл. 15  сроки,  это  влечет  за  собой  появление  «гусиной  кожи», мышечной  дрожи,  синюшности,  мышечных  болей,  затем  нас­тупает  окоченение  мышц,  потеря  голоса,  появляется  икота,  и  человек  теряет  сознание.  При  температуре  воды  ниже  18°С  погружение  без  гидрокомбинезона  недопустимо.  При  температуре  воды  12.°С следует  одевать  шерстяное  водолазное  белье  и  гидрокомбинезон. Осве­щенность  предметов  под  водой  зависит  от  толщины  слоя  воды,  от  высоты  стояния  солнца  и  угла  падения  солнечных  лучей,  а  также  от  рассеивания  света  растворенными  в  воде  веществами  и  взвешенными  частицами,  т. е.  от  прозрачности  воды. Прозрачность  воды  определяется  с  помощью  стандартного  диска  диаметром  30 см,  который  погружается  до  пределов  его  видимости. О прозрачности воды морей и  океанов  можно  судить  по  дан­ным  табл. 16.

Таблица 16

Название  морей

Прозрачность, м

  Саргассово  море

  Баренцево  море

  Средиземное  море

  Атлантический  океан  (тропики)

  Тихий  океан

  Индийский  океан

  Черное  море

  Каспийское  море

  Белое  море

  Балтийское  море

60…65

45

40…60

40…50

45…55

37…40

28

13

11

7…13

Острота  зрения  в  воде  понижается  в  100…200 раз. Если  между  глазом  и  водой  имеется  воздушная  прослойка,  то  преломляющая  способность  глаза  нарушается  незначительно  и  зрение  особенно  не  страдает,  но  предметы  кажутся  приподня­тыми  и  расположенными  ближе. Для  улучшения   видимости  под  водой  в  любом  типе  водолаз­ного  снаряжения  предусматривают  воздушную  прослойку  между  глазом  и  водой.  Для  улучшения  видимости  под  водой  в  темное  время  суток  и  на  глубине  применяют  подводные  электрические  светильники. Звук  в  воде  распространяется  со  скоростью  1400…1500 м/сек,  в  воздухе  –  со  скоростью  340 м/сек.  Орган, воспринима­ющий  звуковые  колебания,  у  человека  расположен  во  внутреннем  ухе, куда  звуковая  волна  может  попасть  двумя  путями:  путем  воздушной  проводимости  через  наружный  слуховой  проход  и  сис­тему  среднего  уха  и  путем  вибрации   костей  черепа.  На  поверх­ности  преобладает  воздушная  проводимость, под  водой  –  костная.  Поэтому  звук  под  водой  ослабляется:  удар  ключом  по  баллону  слышен  на  расстоянии  100…150 м.  Разница  во  времени  между  приходом  звука  в  правое  и  левое  ухо  очень  незначительна,  и  под  водой  трудно  определить  направление  звука  (ошибка  может  достигать  180°).

Биологическое действие газов на организм человека при повышенном давлении

Установлено,  что  биологическое  действие  газов  на  орга­низм  человека  зависит  от  величин  их  парциальных  давлений.  Изменения их  парциальных  давлений  имеют  существенное  значение  для  жизнедеятельности.  Рассмотрим  влияние  этих  газов  на  организм  человека. Азот  –  биологически индифферентный газ. В обычных условиях  азот  –  нейтральный  для  организма  газ.  Попадая  в  легкие  чело­века  при  дыхании,  он  не  вступает  в  химические  соединения  с  кровью  и  выделяется  из  организма  через  легкие. В  нормальных  условиях  в  организме  человека   растворен 1 л  азота.  При  повышении  давления  растет  парциальное  давле­ние  азота  и  в  организме  растворяется  его  дополнительное  ве­совое  количество. На  глубине  50…60 м  азот  вызывает  у  человека  нарушение  внимания  и  ослабление  памяти,  при  этом  нарушается  точная  ко­ординация  движений,  теряется  ориентировка  в  пространстве.  При  дальнейшем нарастании парциального давления, т. е. при погружении на большие глубины, появляется  веселость,  зрительные  и  слуховые  галлюцинации. При  погружении  на  еще  большие  глубины  от  азота  у  челове­ка  наступает  глубокий  сон  –  наркоз. Наибольшей  глубины  погружения  (123 м)  на  сжатом  воздухе,  в  котором  78%  азота, удалось  достичь  в  1936 году  советскому  водолазу  Медведеву. Француз  Фредерик  Дюма  в  1948 г.  погружался  на  глубину  93 м,  а  его  соотечественник  Морис  Фарг  достиг  глубины  120 м,  где  он  сделал  отметку.  Продолжая  погружаться  дальше,  Фарг  погиб  от  азотного  наркоза. Погружаться  на  глубины  более  50…60 м,  пользуясь  для  ды­хания  сжатым  воздухом, опасно.  Правилами  водолазной  службы  спуск  под  воду  на  глубины  свыше  60 м  в  аппаратах,  в  которых  для  дыхания  применяется  сжатый  воздух,  запрещается.  Для  пог­ружения  на  большие  глубины  используются  искусственно  приготов­ленные  газовые  смеси.  В  этих  смесях  азот  частично  или  полно­стью  заменяется  гелием,  наркотическое  действие  которого  про­является  на  глубинах  свыше  300 м. Кислород  –  биологически активный  газ.  В  организме  человека  кислород  вступает  в  соединение  с  особым  веществом  гемоглобином,  находящимся  внутри  эритроцитов.  С  током  крови  кисло­род  переносится  эритроцитами  ко  всем  тканям  тела,  где  происходит  обмен  между  кровью  и  тканями:  кровь  отдает  тканям  кислород,  идущий на  окисление  питательных  веществ,  а  отнимает  от  тканей  образовавшийся  в  них  углекислый  газ.  В  атмосферном  воздухе  содержится  примерно  20,9%  кислорода. Жизнь без кислорода невозможна. Внезапный  перерыв  в  сна­бжении организма человека кислородом или даже уменьшение пос­тупления кислорода к тканям могут привести к тяжелому  состоя­нию,  называемому  кислородным  голоданием. Уменьшение  процентного  содержания  кислорода  во  вдыхае­мом  атмосферном  воздухе  на  1…2%  человек  практически  не  ощу­щает.  Если  содержание  кислорода  в  воздухе  уменьшается  до  18%,  наступает  кислородное  голодание. Чистый  кислород  оказывает  на  организм  человека  отравляю-щее  действие.  Чем  больше  глубина,  тем  сильнее  оно  выражено. Кислород  –  сильный   окислитель.  При  дыхании  чистым  кисло­родом  дыхательные  пути  разрушаются.  Затем  присоединяется  ин­фекция  и  наступает  воспаление  легких.  Это  так  называемая  ле­гочная  форма  кислородного  отравления. Установлено,  что  при  дыхании  чистым  кислородом  при  нор­мальном  давлении  через  2…3 суток  у  человека  возникает  воспа­ление  легких.  При  повышении  давления  растет  парциальное  дав­ление  кислорода  и  соответственно  увеличивается  токсическое,  т. е.  отравляющее,  действие  кислорода,  а  время  наступления  отравления  сокращается. Если  человек  будет  дышать  кислородом, парциальное  дав­ление которого  превышает  3 ат,  возникает  судорожная  форма  кислородного  отравления.   Воспаление  легких  при  этом  не  успевает развиться,  т. к.  кислород,  быстро  растворяясь  в  мозго­вой  ткани,  вызывает  бурные  окислительно-восстановитель­ные  процессы,  что  влечет  за  собой  полное  нарушение  функции  коры  головного  мозга  и сопровождается общими судорогами. По своему внешнему проявлению  кислородные  судороги  напоминают  эпи­лептический  приступ.   При  продолжающемся  токсическом  действии кислорода дыхание прекращается, сердце  останавливается  и  наступает  смерть.  По  этой  причине  в  кисло­родных  аппаратах,  в  соответствии  с  правилами  водолазной  службы,  на  чистом  кис­лороде  можно  погружаться  лишь  на  глубины  до  20 м  и  находиться  под  водой  не  более  20 мин. В  аварийных  отсеках  пл  при  создании  противодавления  повышается  и  парциальное  давление  кислорода,  что  существен­но  влияет  на  работоспособность  и  продолжительность  жизни  лич­ного  состава. Углекислый  газ – также биологически активный газ. В  атмосферном  воздухе  углекислого  газа  находится  немного  –  всего  0,03%.  В  отсеках  пл  количество  углекислого  газа  может  доходить  до  1%,  1,5%  и  даже  больше. Углекислый  газ  при  концентрации  его  во  вдыхаемом  возду­хе  до  1%  существенного  влияния  на  организм  человека  не  ока­зывает. Повышение  концентрации  углекислого  газа  в  отсечном  воз­духе  до  3%  и  более  приводит  к  острому  отравлению. Поэтому  на  подводной  лодке  необходимо  правильно  исполь­зовать  средства  восстановления  воздуха  в  отсеке,  не  допус­кать  опасных  концентраций  углекислого  газа. В  аварийных  отсеках  пл  при  поступлении  забортной  воды  и  сжатии  отсечного  воздуха  парциальное  давление  углекислого  газа  сильно  повышается  и,  следовательно,  усиливается  его  ток­сическое  действие. Чтобы  избежать  вредного  влияния  на  организм  высоких  парциальных  давлений  азота,  кислорода  и  углекислого  газа,  перед  повышением  давления  в  отсеке  пл  необходимо  включаться  в  изо­лирующие  дыхательные  аппараты. Газы,  в  отличие  от  жидкостей,  обладают  малой  теплопро­водностью.  Они  являются  хорошими  тепловыми  изоляторами.  Теп­лопроводность  газов  возрастает  с  увеличением  их  температуры,  но  она  не  зависит  ни  от  давления,  ни  от  плотности  газов. Теплопроводность  различных  газов  сильно  отличается  друг  от  друга.  Если  теплопроводность  воздуха  принять  за  еди­ницу,  то  теплопроводность  гелия  в  6,18  раза  больше,  т. е.  при  дыхании   газовыми  смесями,  содержащими  гелий,  организм  быстрее  будет  охлаждаться  окружающей  средой.

Насыщение и рассыщение организма человека индифферентными газами. Действие повышенного давления на организм.

  Известно,  что  всякий  газ,  приведенный  в  соприкосновение  с  жидкостью,  будет  растворяться  в  ней.  При  данной  температуре  растворимость  газов  прямо  пропорциональна  давлению.  Растворе­ние  газа  в  жидкости  будет  происходить  до  тех  пор,  пока  давле­ние  газа  в  жидкости  не  сравняется  с  давлением  его  над  жидкостью. Если  в  жидкости  растворяется  одновременно  несколько  га­зов,  то  растворение  каждого  из  них  происходит  независимо  друг  от  друга.  В  этом  случае  каждый  газ  растворяется  пропор­ционально  величине  его  парциального  давления  в  данной  газо­вой  смеси.  Растворимость  газов  зависит  также  от  химической  природы  газа,  его  температуры  и  от  самого  растворителя.  Нап­ример,  в  масле  и  в  воде  газы  растворяются  по-разному. Однако  объем  растворенного  газа  не  зависит  от  давления,  т. к.  по  закону  Бойля-Мариотта  объем  газа  обратно  пропор­ционален  его  давлению.  Отсюда  следует,  что  объем  газа,  раст­воренного  в  крови,  будет  одинаков,  независимо  от  того,  дышит  человек  воздухом  под  давлением  в  1 атм  или  3 ата.  Весовое  же  количество  растворенного  газа  будет  изменяться. При  погружении  водолаза  на  глубину  20 м  он  будет  испы­тывать  давление  в  3 ата.  Объем  растворенного  в  организме  газа сразу  уменьшится.  Этот  дефицит  газа  будет  пополняться  из крови, а в крови  –  из легких. Подобный переход  газа  продолжается до  тех  пор,  пока  не   установится  начальный  объем  насы­щения. В  этот  момент  общий  вес  растворенного  газа  будет  в  три  раза больше,  чем  при  дыхании  на  поверхности. При нормальном атмосферном давлении кислород, растворен-ный  в  крови,  быстро  усваивается  тканями,  углекислого  газа растворяется мало. В тканях растворяется большое  количество  азота.  В  организме  человека,  вес  которого  70 кг,  постоянно  растворено  около  1 л  азота.  При  повышении  давления  (например,  при  спуске  под  воду  на  значительную  глубину)  в  тканях  организма  растворяется  дополнительное  количество  азота.  В  случае  относительно  короткого  пребывания  под  давлением  ткани  не  успевают  полностью  насытиться  азотом.  В  покое  насыщение  идет  медленно,  при  физической  работе  –  быстрее.  Насыщение  зависит  также  от  температуры  воды  и  физических  свойств  организма  водолаза. При  длительном  пребывании  под  повышенным  давлением,  особенно  при  высоких  давлениях  (более  5…6 ат),  в  организме  растворяется  значительное  количество  азота.  Этот  процесс  называется  насыщением. Если  окружающее  давление  постепенно  уменьшать,  то  растворенный  газ  будет  выделяться  из  организма,  т. е.  произойдет рассыщение организма  от  избыточного  растворенного  газа.  Газ  при  этом  удаляется  за  счет  диффузии  через  легкие  с  выдыхаемым  воздухом. В легких парциальное давление кислорода высокое (105 мм рт.ст.),  а в венозной крови, поступающей в легкие,  –  низ­кое (37 мм рт.ст.). Кислород  свободно  переходит  из  альвеол  в  кровь  вследствие  разности  парциальных  давлений.  Зато  парциальное  давле­ние  углекислого  газа  в  крови  выше  (48 мм   рт. ст.),  чем  в  аль­веолярном  воздухе,  где  оно  составляет  41,8 мм  рт. ст.  Углекислый  газ  вследствие  этого  покидает  кровь  и  переходит  в  альве­олы.  Из  альвеол  он  легко  удаляется  во  время  выхода.  Проника­ющая  способность  углекислого  газа  очень  высокая.  Она  в  10 раз  больше,  чем  проникающая  способность  кислорода. В  тканях  организма,  вследствие  разности  парциальных  да­влений,  кислород  из  крови  поступает  к  клеткам,  а  кровь  насы­щается  углекислым  газом  –  конечным  продуктом  обмена  веществ. Находясь  на  поверхности  земли,  человек  испытывает  практически  одинаковое  давление  воздуха  на  все  участки  тела.  При  погружении  в  воду  давление  воды  на  участки  тела  будет  различ­ным. Для  человека  среднего  роста  (170 см)  разность  давлений  столба  воды  на  верхние  и  нижние  участки  тела  составит  около 130 мм рт.ст. Отток  крови  из  участков,  лежащих  выше  сердца,  будет  затруднен;  от  нижних  конечностей  кровь  будет  оттекать  легко,  т. к.  давление  столба  воды  будет  выжимать  кровь  по  направ­лению  к  сердцу. Нагрузка  на  сердце  увеличивается,  поэтому  погружения  под  воду  разрешаются  только  людям  со  здоровым  сердцем. Не  весь  воздух,  попадающий  в  дыхательные  пути,  участву­ет  в  процессе  газообмена  между  легкими  и  кровью.  В  дыхатель­ных  путях  воздух  очищается,  нагревается  и  увлажняется,  но  непосредственного  газообмена  в  дыхательных  путях  не  происхо­дит.  Это  так  называемый  физиологический  объем  вредного  пространства.  Для   каждого   человека  он  постоянен  и  равен  140 см 3. Если  спуски  под  воду  производятся  в  снаряжении,  то  к  физиологическому вредному пространству  добавляется  аппаратный  объем  вредного  пространства.   В  современных  аппаратах  он  сни­жен  до  минимума. Дыхательные  пути  человека  создают  определенное  сопротивление  току  воздуха.  У  здорового  человека  эта  величина  столь  мала,  что  практически  не  учитывается. С  ростом  давления  увеличивается  плотность  воздуха  и  соп­ротивление  дыханию. Например,  на  глубине  20 м  сопротивление  дыханию  увели­чивается  вдвое.  У  нетренированных  людей  длительное  пребывание  под  водой  вызывает  утомление  грудных  мышц. Сопротивление  дыханию  создает  и  сам  дыхательный  аппа­рат.  Нормально  отрегулированный  дыхательный  аппарат  имеет  сопротивление  20…50 мм  вод. ст.  При  повышенном  давлении  физиологические  функции  изменяются:  дыхание  становится  реже.  Это  объясняется  тем,  что  парциальное  давление  кислорода  высокое,  поэтому  необходимости  в  усиленной  его  транспортировке  нет. В  организме  человека  имеется  ряд  полостей  (система  сред­него  уха  и околоносовые пазухи),  которые  содержат  воздух  и  соединяются  с  атмосферой  с  помощью  каналов.  Если  эти  каналы  проходимы,  то  при  повышении  окружающего  давления  в  этих  воздухоносных  полостях  также  создается  давление,  равное  окружаю­щему  давлению.  Водолаз  или  подводник  при  этом  никаких  непри­ятных  ощущений  не  испытывает  и  могут  легко,  в  течение  2…3 мин,  осуществить  переход  от  атмосферного  давления  до  давле­ния  7…8 ат. Если  каналы,  соединяющие  воздухоносные  полости  с  атмос­ферой,  непроходимы,  давления  в  воздухоносных  полостях  не  соз­дается.  Наступает  одностороннее  смещение  тканей,  вследствие  чего  появляются  сильные  боли  в  ушах  и  надбровных  дугах. Аналогичную  картину  можно  наблюдать,  если  полость  боль­ного  зуба  неправильно  запломбирована:  под  пломбой  остается  полость,  не  соединяющаяся  с  атмосферой.  При  повышении  давле­ния  в  этом  случае  также  происходит  одностороннее  смещение  тка­ней  и  появляется  сильная  зубная  боль. При  остром  насморке  каналы,  соединяющие  воздухоносные  полости  с  атмосферой, воспаляются  и  становятся  труднопроходи­мыми.   Погружаться  под  воду  при  остром  насморке  не  следует. После  перенесенных  гриппа,  ангины,  катара  верхних  ды­хательных  путей  наблюдается  частичная  непроходимость  каналов,  соединяющих  воздухоносные  полости  с  атмосферой. При  погружении  под  воду  у  лиц,  имеющих  частичную непро­ходимость  каналов,  может  появиться  «надавливание»  на  ухо или околоносовые пазухи. Устраняется  это  выравниванием  давления  в  воздухоносных полостях  с  окружающим  давлением.  Для  этого  необходимо  глотать  слюну  или  воздух,  смещать  вбок  выдвинутую  вперед  нижнюю  че­люсть,  энергично  делать  выдох  при  закрытом  рте  и  зажатом   носе.   Если  это  не  помогает,  нужно  подняться  на  1,5…2 м   и  снова  по­пытаться  выравнить  давление.  Если  это  не  удается,  следует  выйти  на  поверхность. Пребывание  в  атмосфере  повышенного  давления  сопровожда­ется  ослаблением  слуха.  Хорошо  известно  также,  что  голос  под  повышенным  давлением  резко  изменяется.  Он  приобретает  носовой  оттенок, т. к.  изменяется  давление  в  воздухоносных  полостях  носоглотки. Это  следует  учитывать  при  отдаче  приказаний  в  аварийных  отсеках  пл  под  повышенным  давлением  и  особенно  при  включении  на  дыхание  в  изолирующие  дыхательные  аппараты. Команды  нужно  произносить  медленно,  с  паузами  между  сло­вами,  четко  и  внятно.

Смотрите также

Осторожно: глубина!

В одной из популярных книг об изобретателе акваланга Жак-Ив Кусто говорится: «Плавать под водой безопасно и увлекательно. Но люди, которые не подготовились, как следует, для плавания под водой, могут попасть в беду.

Не погружайтесь на глубину, пока не будете знать физиологии подводного плавания и правил дыхания при повышенном давлении. Хорошо изучите, как действует ваш воздушный аппарат и вызубрите наизусть водолазные таблицы, чтобы знать, сколько времени можно оставаться на той или иной глубине.

Прежде чем погружаться, непременно изучите руководство. Внимательно прочтите все, что в нем сказано о трех главных опасностях. Первая – газовая эмболия, вторая – глубинное опьянение, третья – пресловутая кессонная болезнь. Все опасности легко избежать, если знать водолазные таблицы.

Золотое правило: «Никогда не погружайтесь в одиночку!» Под водой каждый внимательно следит за товарищами, не уходит из поля зрения и всегда готов придти на помощь другу. Наибольшая радость и наибольшая отдача – удел тех, кто заранее изучил правила поведения под водой и тренируется в составе группы».

В наши дни акваланг и другое снаряжение для подводного плавания доступны всем, были бы деньги. Эта доступность порождает иллюзии безопасности подводного плавания без достаточных знаний и тренировок и зачастую приводит к печальным результатам.

Часто можно наблюдать как снаряженный аквалангист идет под воду в одиночку, плавает неизвестно где, вызывая беспокойство у своих товарищей на берегу. Они могут ориентироваться только по времени. Это недопустимо! Нырять нужно в составе пары, а если в одиночку, то с буйком и в сопровождении плавсредства. Особенно это важно в начале занятий подводным плаванием.

Все водолазные происшествия случаются от незнания, нарушения правил и большого самомнения («Я все знаю!»).

Автор несколько лет был инструктором и преподавателем легководолазного дела и водолазной физиологии во Владивостокском морском клубе ДОСААФ и мореходной школе Морфлота. Считаю в обязательном порядке проводить легководолазную подготовку рядового и командного состава флота. Все моряки должны уметь грамотно использовать акваланг.

При работе на плавбазах Крабофлота неоднократно приходилось погружаться под воду для освобождения винтов сейнеров от сетей. На мое предложение снабдить плавбазы и сейнеры аквалангами мне ответили, что мое предложение – не рационализаторское. Плавбазы были оснащены водолазным снаряжением СВВ-55 (снаряжение с выходом в воду), для обслуживания которого необходимо было привлекать несколько человек обеспечивающих специалистов, а с аквалангом такие задачи решались значительно проще. В настоящее время учебников и руководств по подводному плаванию в продаже нет. К сожалению, их нет и в библиотеках.

Не претендуя на изложение полного курса обучения подводному плаванию, предложим читателю сведения о физических и физиологических основах подводного плавания в аппаратах на сжатом воздухе, как это требуется для подготовки аквалангистов в специальных руководствах.

Физические условия подводного плавания

Организм человека приспособлен к существованию в воздушной среде. В воде – среде, не поддающейся сжатию, намного более плотной, чем воздух, – человеческий организм ведет себя совершенно иначе, чем на суше. Поэтому желание людей проникнуть в глубину моря связано с преодолением многих трудностей физического и физиологического характера.

Давление. В обычных условиях человек испытывает давление в одну атмосферу, т.е. 1 килограмм на каждый квадратный сантиметр кожного покрова. В целом это составляет нагрузку примерно в 16 тонн!

Но давление воздуха внутри организма уравновешивает давление извне. Вода, однако, значительно тяжелее, чем воздух. Погружаясь в нее, человек испытывает повышение давления, величина которого определяется весом столба воды над ним. Чем глубже погружение, тем больше величина давления. Так, при погружении в воду на глубину 10 метров давление на тело снаружи увеличивается приблизительно в два раза по сравнению с атмосферным. На глубине 20 метров оно утраивается, и так далее.

При этом баланс между внешним давлением на тело и внутренним давлением в организме все больше и больше нарушается, что влечет за собой различные негативные последствия. Например, на глубине 20 метров у человека могут лопнуть барабанные перепонки в ушах. Усиливается также сжатие грудной клетки. Вот почему погружение на глубину свыше 40 метров невозможно без специального костюма и шлема. Кроме того, подводным пловцам следует помнить, что наибольший относительный прирост давления (100%) приходится на первые 10 метров погружения. В этой критической зоне наблюдаются значительные физиологические перегрузки, наиболее опасные для начинающих пловцов-подводников.

Удельный вес и плотность. Удельный вес воды зависит от температуры и плотности. В свою очередь, плотность, хотя и незначительно, изменяется под действием температуры. Так, при 20 градусах плотность воды на 0,2% меньше, чем при 4 градусах. Дистиллированная вода, свободная от всяких примесей, при температуре 4 градусов имеет удельный вес 1, т.е. 1 мл воды весит 1 г. Вода служит условной единицей, с которой сравниваются удельные веса всех жидкостей и твердых тел. Морская вода тяжелее речной на 2,5-3% из-за наличия в ней большого количества солей, а удельный вес ее в среднем равен 1,025.

Удельный вес тела имеет значение при определении его плавучести.

Плавучесть тела. При погружении в воду на любое тело действуют две противоположно направленные силы – сила тяжести и сила плавучести. Сила тяжести – это собственный вес тела. Она направлена вертикально вниз. Точка приложения ее называется центром тяжести. Одновременно вода препятствует погружению тела, как бы выталкивая его на поверхность. Эту выталкивающую силу называют силой плавучести. Она направлена вертикально вверх. Точка приложения этой силы называется центром плавучести. По закону Архимеда, тело, погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненный им объем жидкости. Таким образом, все зависит от объема жидкости, который вытесняет тело во время погружения. Больший объем – большая сила плавучести и наоборот.

В том случае, когда вес тела больше веса вытесненной им воды, оно будет тонуть, так как обладает отрицательной плавучестью.

Величина отрицательной плавучести равна разности между собственным весом тела и весом объема жидкости, вытесненной им при погружении.

Если же вес объема вытесненной жидкости больше собственного веса тела, то последнее будет плавать, обладая положительной плавучестью, величина которой равна разности между весом объема вытесненной жидкости и весом тела.

Понятие о плавучести имеет большое значение для подводных пловцов. От умения уравновесить себя в воде зависит успех работы и даже безопасность пребывания под водой.

Вследствие большой плотности воды человек, погружаясь в нее, находится в условиях, близких к состоянию невесомости. При выдохе средний удельный вес человека находится в пределах 1,020-1,060 кг/м3 и наблюдается отрицательная плавучесть 1-2 кг, – разность между весом вытесненной телом воды и его весом. При вдохе средний удельный вес человека понижается до 0,970 кг/м3 и появляется незначительная положительная плавучесть.

При плавании в гидрозащитной одежде за счет воздуха в ее складках положительная плавучесть увеличивается, что затрудняет погружение в воду. Плавучесть можно отрегулировать с помощью грузов. Для плавания под водой обычно создают незначительную отрицательную плавучесть 0,5-1 кг. Большая отрицательная плавучесть требует постоянных активных движений для удержания на нужной глубине и обычно создается только при работах с опорой на грунт (объект).

Сопротивление воды оказывает заметное влияние на скорость плавания.

При плавании на поверхности со скоростью 0,8-1,7 м/с сопротивление движению тела возрастает соответственно с 2,5 до 11,5 кг. При плавании под водой сопротивление движению меньше, так как пловец-подводник занимает более горизонтальное положение и ему не надо периодически поднимать голову из воды, чтобы сделать вдох. Кроме того, под водой меньше тормозящая сила волн и завихрений, возникающих в результате движений пловца. Опыт в бассейне показывает, что один и тот же человек, проплывающий дистанцию 50 метров брассом за 37,1 сек, под водой проплывает то же расстояние за 32,2 сек.

Средняя скорость плавания под водой в гидроодежде с дыхательным аппаратом 0,3-0,5 м/с. На коротких дистанциях хорошо подготовленные пловцы могут развивать скорость 0,7-1 м/с, отлично подготовленные – до 1,5 м/с (5,4 км/час).

Видимость в воде зависит от количества и состава растворенных в ней веществ, взвешенных частиц, которые рассеивают световые лучи. В мутной воде даже при ясной солнечной погоде видимость почти отсутствует. Глубина проникновения света в толщу воды зависит от угла падения лучей и состояния водной поверхности. Косые солнечные лучи, падающие на поверхность воды, проникают на малую глубину, и большая часть их отражается от поверхности воды. Слабая рябь или волна резко ухудшают видимость в воде.

На глубине 10 м освещенность в 4 раза меньше, чем на поверхности. На глубине 20 м освещенность уменьшается в 8 раз, а на глубине 50 м- в несколько десятков раз. Лучи с различной длиной волны поглощаются неравномерно. Длинноволновая часть видимого спектра (красные лучи) почти полностью поглощается поверхностными слоями воды. Коротковолновая часть (фиолетовые лучи) в наиболее прозрачной океанской воде может проникать на глубину до 1000 м. Зеленые лучи не проникают глубже 100 м.

Зрение под водой имеет свои особенности. Вода обладает примерно такой же преломляющей способностью, как и оптическая система глаза. Если пловец погружается без маски, то лучи света проходят через воду и попадают в глаз, почти не преломляясь. Пои этом лучи сходятся не у сетчатой оболочки, а значительно дальше, за ней. В результате острота зрения ухудшается к 100-200 раз, а поле зрения уменьшается, изображение предметов получается неясным, расплывчатым, и человек становится как бы дальнозорким.

При погружении пловца-подводника в маске световой луч из воды проходит слой воздуха в маске, попадает в глаз и преломляется в его оптической системе как обычно. Но пловец-подводник при этом видит изображение предмета несколько ближе и выше его действительного местоположения. Сами же предметы кажутся под водой значительно больше, чем в действительности. Но опытные пловцы приспосабливаются к этим особенностям зрения и не испытывают затруднений.

Резко ухудшается в воде цветоощущение. Особенно плохо воспринимаются синий и зеленый цвета, которые близки к естественной окраске воды, лучше всего – белый и оранжевый.

Ориентирование под водой представляет определенные трудности. На поверхности человек ориентируется в окружающей среде с помощью зрения, а равновесие его тела поддерживается с помощью вестибулярного аппарата, мышечно-суставного чувства и ощущений, возникающих во внутренних органах и коже при изменении положения тела. Он все время испытывает действие силы тяжести (чувство опоры) и воспринимает малейшее изменение положения тела в пространстве.

При плавании под водой человек лишен привычной опоры. В этих условиях из органов чувств, ориентирующих человека в пространстве, остается надежда лишь на вестибулярный аппарат, на отолиты которого продолжают действовать силы земного тяготения. Особенно затруднено ориентирование под водой человека с нулевой плавучестью. Под водой пловец с закрытыми глазами допускает ошибки в определении положения тела в пространстве на угол 10-25 градусов.

Больше значение для ориентирования под водой имеет положение человека. Наиболее неблагоприятным считается положение на спине с запрокинутой назад головой. При попадании в слуховой проход холодной воды вследствие раздражения вестибулярного аппарата у пловца появляется головокружение, затрудняется определение направления и ошибка часто достигает 180 градусов.

Для ориентирования под водой пловец вынужден использовать внешние факторы, сигнализирующие о положении тела в пространстве: движение пузырьков выдыхаемого воздуха, буйки и т.п. Большое значение для ориентирования под водой имеет тренировка.

Слышимость в воде ухудшается, так как звуки под водой воспринимаются преимущественно путем костной проводимости, которая на 40%: ниже воздушной. Дальность слышимости при костной проводимости зависит от тональности звука: чем выше тон, тем лучше слышен звук. Это имеет практическое значение для связи пловцов между собой и с поверхностью.

Звук в воде распространяется в 4,5 раза быстрее, чем в атмосфере, поэтому под водой сигнал от источника звука, расположенного сбоку, поступает в оба уха почти одновременно, разница составляет менее 0;00001 секунды. Столь незначительная разница по времени поступления сигнала плохо дифференцируется, и четкого пространственного восприятия звука не происходит. Следовательно, установить направление на источник звука под водой человеку трудно.

Охлаждение организма в воде протекает гораздо интенсивнее; чем на воздухе. Теплопроводность воды в 25 раз, а теплоемкость в 4 раза больше, чем воздуха. Если на воздухе при 4 градусах человек может без особой опасности для своего здоровья находиться в течение 6 часов и при этом температура тела у него почти не понижается, то в воде при такой же температуре незакаленный человек без защитной одежды в большинстве случаев погибает от переохлаждения уже спустя 30-40 минут. Охлаждение организма усиливается с понижением температуры воды и при наличии течения.

В воздушной среде интенсивные теплопотери при температуре воздуха 15-20 градусов происходят в результате излучения (40-45%) и испарения (20-25%), а на долю теплоотдачи с помощью проведения приходится лишь 30-35%. В воде у человека без защитной одежды тепло в основном теряется в результате проведения. На воздухе теплопотери происходят с площади, составляющей около 75% поверхности тела, так как между соприкасающимися поверхностями ног, рук и соответствующими областями туловища существует теплообмен. В воде же теплопотери происходят со всей поверхности тела.

Воздух, непосредственно соприкасающийся с кожей, быстро нагревается и фактически имеет более высокую температуру, чем окружающий. Даже ветер не может полностью удалить с кожи этот слой теплого воздуха. В воде с ее большой удельной теплоемкостью и большой теплопроводностью слой, прилегающий к телу, не успевает нагреваться и легко вытесняется холодной водой. Поэтому температура поверхности тела в воде понижается интенсивнее, чем на воздухе. Кроме того, вследствие неравномерного гидростатического давления воды нижние области тела, которые испытывают большее давление, охлаждаются быстрее и имеют температуру кожи ниже, чем верхние, менее обжатые водой.

Тепловые ощущения организма на воздухе и в воде при одной и той же температуре различны. Вследствие интенсивного охлаждения и обжатия гидростатическим давлением кожная чувствительность в воде понижается, болевые ощущения притупляются, поэтому могут оставаться незамеченными небольшие порезы и даже раны.

При спусках под воду в гидрозащитной одежде температура кожи понижается неравномерно. Наибольшее падение температуры кожи отмечается в конечностях.

Кровообращение под водой в силу неравномерного гидростатического давления на различные участки тела имеет свои особенности. Например, при вертикальном положении человека среднего роста (170 см) в воде независимо от глубины погружения его стопы будут испытывать гидростатическое давление на 0,17 кг/см2 больше, чем голова. К верхним областям тела, где давление меньше, кровь приливает (полнокровие), от нижних областей тела, где давление больше, отливает (частичное обескровливание). Такое перераспределение тока крови увеличивает нагрузку на сердце, которому приходится преодолевать большее сопротивление движению крови по сосудам.

При горизонтальном положении тела в воде разность гидростатического давления на грудь и спину невелика – всего 0,02-0,03 кг/см2 и нагрузка на сердце возрастает незначительно.

Дыхание под водой возможно лишь при том условии, что внешнее давление воды равно внутреннему давлению воздуха в системе «легкие – дыхательный аппарат». Несоблюдение этого равенства затрудняет дыхание или делает его вообще невозможным. Так, дыхание через трубку на глубине 1 метр при разности между внешним и внутренним давлением 0,1 кг/см2 требует большого напряжения дыхательных мышц и долго продолжаться не может, а на глубине 2 метра дыхательные мышцы уже не в состоянии преодолеть давление воды на грудную клетку.

Если считать площадь грудной клетки 6000 квадратных см, то на глубине 2 м (гидростатическое давление 0,2 кг/см2) усилие со стороны воды на грудную клетку составит 0,2 х 6000 = 1200 кг!

Человек в покое на поверхности делает 12-24 вдохов-выдохов в минуту, и его легочная вентиляция (минутный объем дыхания) составляет 6-12 л/мин.

В нормальных условиях при каждом вдохе-выдохе в легких обменивается не более 1/6 всего находящегося в них воздуха. Остальной воздух остается в альвеолах легких и является той средой, где происходит газообмен с кровью. Альвеолярный воздух имеет постоянный состав и в отличие от атмосферного содержит 14% кислорода, 5,6% углекислого газа и 6,2% водяных паров. Даже незначительные изменения в его составе приводят к физиологическим сдвигам, которые являются компенсаторной защитой организма. При значительных изменениях компенсаторная зашита не будет справляться, в результате возникнут болезненные (патологические) состояния.

Не весь воздух, попадающий в организм, достигает легочных альвеол, где происходит газообмен между кровью и легкими. Часть воздуха заполняет дыхательные пути организма (трахею, бронхи) и не участвует в процессе газообмена. При выдохе этот воздух удаляется, не достигнув альвеол. При вдохе в альвеолы вначале поступает воздух, который остался в дыхательных путях после выдоха (обедненный кислородом, с повышенным содержанием углекислого газа и водяных паров), а затем свежий воздух.

Объем дыхательных путей организма, в которых воздух увлажняется и согревается, но не участвует в газообмене, составляет примерно 175 см кубических. При плавании с дыхательным аппаратом (дыхательной трубкой) общий объем дыхательных путей (организма и аппарата) увеличивается почти в два раза. При этом вентиляция альвеол ухудшается и снижается работоспособность.

Интенсивные мышечные движения под водой требуют большого расхода кислорода, что приводит к усилению легочной вентиляции, в результате увеличивается скорость потока воздуха в дыхательных путях организма и аппарата (дыхательной трубки). При этом пропорционально квадрату скорости потока воздуха возрастает сопротивление дыханию. С увеличением плотности сжатого воздуха соответственно глубине погружения сопротивление дыханию также возрастает.

А это оказывает существенное влияние на длительность и скорость плавания под водой. Если сопротивление дыханию достигает 60-65 мм рт. ст., то дышать становится трудно и дыхательные мышцы быстро утомляются. Растягивая по времени фазу вдоха и выдоха, можно уменьшить скорость потока воздуха в дыхательных путях, что приводит к некоторому снижению легочной вентиляции, но в то же время заметно уменьшает сопротивление дыханию.

Окончание в следующем номере

Евгений Булах

Задачи по гидравлике с решениями.

Решение задач по гидравлике



Решение задач с использованием закона Архимеда

Задача

Баркас массой mб = 250 кг изготовлен в форме параллелепипеда шириной b = 1 м, длиной l = 3 м, высота бортов h = 0,3 м.

Определить, сколько человек могут разместиться в баркасе, не потопив его.

Средняя масса человека mч = 70 кг, плотность воды ρ = 1000 кг/м3.

Правильное решение:

Определим водоизмещение баркаса Мmax, которое равно массе воды, вытесненной им при полном погружении (по обрез бортов).

Для этого определим объем корпуса баркаса и умножим полученный результат на плотность воды:

Мmax = b×l×h×ρ = 1×3×0,3×1000 = 900 кг.

Чтобы найти грузоподъемность Мгр баркаса, необходимо из полученного результата вычесть массу самого баркаса:

Мгр = Мmax — mб = 900 — 250 = 650 кг.

Разделив полученную максимальную грузоподъемность на среднюю массу человека, и округлив результат до целого числа, получим допустимое количество пассажиров баркаса:

n = Мгр/mч = 650/70 = 9 человек.

Ответ: баркас может принять на борт не более 9 человек.

***

Задача

Медный шар диаметром d = 100 мм весит в воздухе G1 = 45,7 Н, а при погружении в жидкость его вес стал равен G2 = 40,6 Н.

Определить плотность жидкости.

Правильное решение:

Вес шара в жидкости меньше, чем его вес в воздухе, поскольку в жидкости на него действует выталкивающая архимедова сила, равная весу вытесненной шаром жидкости.

Очевидно, что вес вытесненной шаром жидкости будет равен разности между весом шара в воздухе и его весом в жидкости:

Gж = G1 – G2 = 45,7 – 40,6 = 5,1 Н.

Чтобы определить плотность жидкости, необходимо ее массу разделить на объем, который равен объему шара, определяемого по формуле:

Vш = πd3/6 = 3,14×0,13/6 = 0,00052 м3.

Массу жидкости можно определить, зная ее вес:

mж = Gж/g = 5,1/9,81 ≈ 0,52 кг.

Определив массу и объем, находим плотность жидкости:

ρ = mж/Vш = 0,52/0,00052 = 1000 кг/м3.

Ответ: плотность жидкости равна 1000 кг/м3 (судя по плотности, жидкость — вода).

***

Задача

Баржу, имеющую форму параллелепипеда, загрузили песком в количестве 18 тонн. Ее осадка (глубина погружения) составила h0 = 0,5 м.

Определить массу пустой баржи, если ее размеры: длина l = 12 м; ширина b = 4 м.

Какова полная грузоподъемность баржи, если высота ее бортов h = 1 м.

Плотность воды принять равной 1000 кг/м3.

Правильное решение:

В соответствии с законом Архимеда, на баржу со стороны воды действует выталкивающая сила, равная весу воды, вытесненной погруженной частью баржи. Этот вес (обозначим его GВ) можно определить, зная ширину, длину и осадку баржи, а также плотность воды:

GВ = mg = b×l×h0×ρ×g = 4×12×0,5×1000×9,81 = 235400 Н.

Итак, на баржу действует выталкивающая сила, равная 235400 Н, удерживая ее в равновесном состоянии на поверхности воды. Следовательно, вес GБГ баржи с грузом тоже равен 235400 Н, тогда масса баржи с грузом равна:

mБГ = GБГ/g = 235400/9,81 ≈ 24000 кг.

Чтобы найти массу пустой баржи, необходимо из массы груженой баржи вычесть массу груза:

mБ = mБГ — mГ = 24000 – 18000 = 6000 кг.

Очевидно, что при полном погружении баржи в воду (по самые борта), выталкивающая архимедова сила увеличится в два раза по сравнению с рассмотренным нами случаем, т. е. составит 2×235400 = 470800 Н.

Данная сила характеризует водоизмещение баржи, т. е. максимальное количество вытесняемой ее корпусом воды.

Однако, эта величина не характеризует полную грузоподъемность баржи, поскльку она сама имеет вес.

Исходя из этого, полная грузоподъемность баржи может быть подсчитана, как разница между массой вытесненной баржой воды и массой баржи:

Мmax = mВ — mБ = 47080 – 6000 = 41080 кг.

Ответ: пустая баржа весит 6 тонн, а ее полная грузоподъемность — 41 тонна.

***

Задача

Для переправы грузов через реку построен плот из 25 штук пустых железных бочек.

Размеры бочек: диаметр d = 0,8 м, высота h = 1,3 м.

Масса одной бочки m = 50 кг.

Определить грузоподъемность плота Мmax при условии его полного погружения.

Плотность воды принять равной ρ = 1000 кг/м3.

Правильное решение:

Определим объем бочек, из которых изготовлен плот:

V = 25 h πd2/4 = 25×1,3×3,14×0,82/4 = 16,33 м3.

Масса этих бочек: mБ = 25m = 25 × 50 = 1250 кг.

Масса воды, вытесняемой бочками при полном погружении плота, равна произведению плотности воды на объем бочек:

mВ = ρVБ = 1000×1,664 = 16330 кг.

Грузоподъемность плота равна массе вытесняемой бочками воды с учетом массы самих бочек:

Мmax = mВ – mБ = 16330 – 1250 = 15080 кг.

Ответ: максимальная грузоподъемность плота равна 15080 кг.

***



Решение задач с применением основного уравнения гидростатики

Задача

На рисунке изображены три сосуда разной формы, в каждый из которых налита вода на одинаковую высоту Н.

Площадь свободной поверхности в сосуде а больше площади свободной поверхности в сосуде в в два раза, но в два раза меньше площади свободной поверхности в сосуде б.

Площадь дна во всех трех сосудах одинакова и равна S.

Во сколько раз сила давления на дно в сосуде а будет отличаться от силы давления на дно в сосуде в?

Ответ обоснуйте основным уравнением гидростатики.

Решение:

В соответствии с основным уравнением гидростатики p = p0 + γ(z0 – z), т. е. давление в любой точке объема жидкости зависит от внешнего давления p0 и глубины погружения рассматриваемой точки.

Поскольку внешнее давление для всех трех сосудов равно атмосферному давлению, т. е. одинаково, то давление на каждую из точек поверхности дна зависит только от уровня Н (т. е. глубины, равной z0 — z). Очевидно, что для всех трех сосудов, уровень жидкости в которых одинаков, давление на дно тоже будет одинаково.

Тогда и сила давления на дно, определяемая, как произведение площади дна на величину давления, во всех трех сосудах будет одинакова, несмотря на то, что они имеют разную форму.

***

Задача

Определить избыточное давление в забое скважины глубиной h = 85 м, которая заполнена глинистым раствором плотностью ρ = 1250 кг/м3.

Правильное решение:

Избыточное давление – это давление, которое оказывает столб жидкости на единицу площади на данной глубине без учета внешнего давления (атмосферы) на поверхности жидкости, и определяется, как произведение удельной плотности жидкости на высоту столба (глубины погружения).

Удельная плотность жидкости определяется, как произведение абсолютной плотности на ускорение свободного падения.

Тогда избыточное давление в скважине исходя из условий задачи можно записать так:

pизб = γh = ρgh = 1250×9,81×85 = 1040000 Па ≈ 1 МПа.

Ответ: избыточное давление в забое скважины составляет примерно 1 МПа.

***

Задача

Водолазы при подъеме затонувшего судна работали в море на глубине h = 50 м.

Определите давление воды на этой глубине и силу давления на скафандр водолаза, если площадь поверхности S скафандра равна 2,5 м2.

Атмосферное давление считать равным p0 = 1,013×105 Па, плотность воды ρ = 1000 кг/м3.

Правильное решение:

Давление воды на глубине 50 м складывается из атмосферного давления p0 и избыточного давления, обусловленного столбом воды высотой 50 м:

p = p0 + ρgh = 1,013×105 + 1000×9,81×50 = 5,918×105 Па.

Сила давления воды на скафандр водолаза равна произведению площади скафандра на избыточное давление (внутри скафандра давление равно атмосферному, поэтому p0 не учитывается) и определяется по формуле:

F = ρgh×S = 1000×9,81×50×2,5 = 1226250 Н ≈ 1226 кН.

Ответ: давление воды на глубине 50 м равно 591 МПа, а сила давления на скафандр равна 1226 кН.

***

Задача

После сжатия воды в цилиндре под поршнем давление в ней увеличилось на 3 кПа.

Необходимо определить конечный объем V2 воды в цилиндре, если ее первоначальный объем составлял V1 = 2,55 л.

Коэффициент объемного сжатия воды βV = 4,75 • 10-10 Па-1.

Правильное решение:

Приведем исходные данные задачи к системе единиц СИ: V1 = 2,55л = 2,25х10-3 м3, Δp = 3 кПа = 3000 Па.

Тогда конечный объем воды в цилиндре будет равен сумме первоначального объема V1 и уменьшения объема ΔV в результате сжатия:

V2 = V1 + ΔV = (2,25×10-3) + (2,25×10-3×3000×4,75×10-10) = 2,25000320625×10-3 м3 = 2,2500032625 л.

Ответ: конечный объем воды 2,2500032625 л, т. е. изменился ничтожно мало.

***

Задачи по гидродинамике и определению параметров насосов

Скачать задачи по гидравлике с вариантами решений
(в формате Word, размер файла 324 кБ — 27 задач с решениями и вопросы по насосам)

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам по дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники»
(в формате Word, размер файла 68 кБ)



Главная страница
Дистанционное образование

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

Давление воды в глубинах океана. Давление воды в глубинах океана Изменение давления в жидкости с глубиной

Существуют легенды, что затонувшие в океане корабли не ложатся на дно, а повисают на некоторой глубине, путешествуя вместе с океанскими течениями. Справедливо ли это? Давление воды в глубинах океана
действительно достигает огромных величин. На глубине 10 м давит с силой 10Н на 1 см 2 погруженного тела, на глубине 100 м – 0,1 кН, 1 000 м – 1 кН и т. д. На глубине Марианского желоба – 11,5 км – давление воды достигает почти 120 МПа. При таком давлении в глубинах океана куски дерева после извлечения на поверхность оказались настолько спрессованными, что тонули в воде, а крепко закупоренные бутылки были раздавлены давлением воды. Существует мнение, что из огнестрельного оружия, опущенного на такую глубину, нельзя выстрелить.

Можно предположить, что чудовищное давление воды в глубинах океана так уплотнит воду, что корабли и прочие тяжелые предметы зависнут в ней, и не будут тонуть. Но вода, как и все жидкости, мало поддается сжатию. Если сжать воду до такой плотности, чтобы в ней плавало , необходимо было бы уплотнить ее в 8 раз. Между тем для уплотнения только вдвое, то есть сокращения объема наполовину, необходимо давление 1100 МПа. Это соответствует глубине 110 км, что не реально!

В самом глубоком месте океана вода уплотнена на 5%. Это почти не может повлиять на условия плавания в ней различных тел, тем более что твердые предметы, погруженные в такую воду, также подвергаются этому давлению и, следовательно, тоже уплотняются. Поэтому можно сделать вывод о том, что покоятся на дне океана. Не оставляется шанса даже для перевернутых килем вверх кораблей, несмотря на то, что в некоторых помещениях судна воздух окажется плотно запертым. Возможно, что некоторые из них так и не достигают дна, оставаясь висеть в темных глубинах океана? Достаточно было бы легкого толчка, чтобы вывести такое судно из равновесия, перевернуть, наполнить водой и заставить упасть на дно. Но откуда взяться толчкам в глубине океана, где вечно царит тишина и спокойствие и куда не проникают даже отголоски бурь?

Все эти доводы основаны на физической ошибке. Опрокинутый килем вверх корабль вовсе не начнет тонуть, а останется на поверхности воды. Оказаться на полпути между уровнем океана и его дном он никак не может.

В виду того, что подобное явление никогда не наблюдалось и не проверялось с затонувшими кораблями, серьезный ученый должен оставить хоть малейшее сомнение в чем бы то ни было. Тем более что мнение о зависших кораблях разделяют многие моряки. Дело в том, что на кораблях часто имеются герметичные отсеки. И если эти отсеки не повреждены и в них остался воздух, то его давление воды в глубинах океана не сжимает, и он остается прежнего объема. Поэтому корабль, имея общую плотность выше поверхностной плотности воды океанов (почти всегда менее плотной – по причине и более высокой температуры, и меньшей солености), начинает погружаться, и когда достигает холодных (в глубине океанов температура +4 0 С, при этом плотность ее максимальна) и более соленых ее слоев, зависает на неопределенное время…

Оказывается, разбивая сосуд о борт , при его спуске на воду, мы, тем самым, нарекаем его судьбу. Она неотступно ведет его через моря и океаны, где ему суждено побывать. И если случится так, что корабль затонет – это еще не конец. Давление воды в глубинах океана может дать начало новой легенде о блуждающих зависших затонувших кораблях!

Напомним, что давление p определяется соотношением

где F – модуль силы давления, S – площадь поверхности, на которую действует сила давления. Сила давления направлена перпендикулярно поверхности.

Давление является скалярной величиной. Его измеряют в Н паскалях (Па): 1 Па = 1 Н/м 2 . Атмосферное давление равно прим мерно 10 5 Па. Вышележащие слои жидкости давят своим весом на нижележащие слои. Поэтому давление в жидкости с глубиной возрастает. Зависимость давления жидкости от глубины можно вывести, найдя силу давления на дно цилиндрического сосуда.

1. Покажите, что давление жидкости плотностью ρ на глубине h (без учета атмосферного давления) выражается формулой

Подсказка. Найдите силу давления жидкости на дно цилиндрического сосуда и воспользуйтесь формулой (1).

Если на поверхность жидкости оказывается внешнее давление pвнеш (например, давление поршня или давление атмосферы), то давление жидкости на глубине h выражается формулой

p = p внеш + ρgh.

2. На какой глубине давление в озере в 2 раза больше атмосферного? Во многих задачах (например, при нахождении силы Архимеда) имеет значение лишь разность давлений жидкости на различных глубинах, а в этой разности вклад атмосферного давления сокращается. Поэтому в таких случаях атмосферное давление не учитывают, то есть давление на глубине h находят по формуле (2). Мы тоже будем так поступать, не оговаривая этого каждый раз особо.

Если в сосуде находятся несколько несмешивающихся жидкостей с различной плотностью, то создаваемое ими давление равно сумме давлений, создаваемых слоем каждой жидкости.

3. В цилиндрическом сосуде с площадью дна 1 дм 2 находятся вода и керосин (эти жидкости не смешиваются). Общая масса жидкостей 2,8 кг, верхний уровень керосина находится на высоте 30 см от дна. Плотность керосина составляет 0,8 от плотности воды.
а) На какой высоте от дна находится граница раздела жидкостей?
б) Чему равна масса керосина?

4. В U-образной трубке с одинаковыми коленами, площадью поперечного сечения 10 -3 м 2 каждое, находится вода (рис. 37.1). В левое колено наливают 0,1 кг керосина.

А) Изобразите на чертеже положение жидкостей в коленах трубки.
б) Чему равна высота столба керосина?
в) Чему равно давление жидкостей на уровне границы раздела жидкостей?
г) Чему равна высота столба воды в правом колене над уровнем раздела жидкостей?
д) Насколько поднялся уровень воды в правом колене по сравнению с начальным положением?
Подсказка. В правом колене уровень воды поднялся настолько же, насколько он опустился в левом колене (поскольку объем воды не изменился).

2. Закон Архимеда

Рассмотрим силы давления жидкости на погруженный в жидкость куб (рис. 37.2).

Силы давления на боковые грани куба взаимно уравновешиваются. Но силы давления на верхнюю и нижнюю грани не уравновешиваются: поскольку давление жидкости увеличивается с глубиной, на нижнюю грань куба действует большая сила давления, чем на верхнюю.

Следовательно, равнодействующая сил давления, действующих на все участки поверхности куба, направлена вверх. Это – выталкивающая сила, или сила Архимеда, знакомая вам из курса физики основной школы.

5. Чему равна сила Архимеда, действующая на куб с длиной ребра a, погруженный в жидкость плотностью ρ?

Найдем, чему равен модуль силы Архимеда, действующей на тело произвольной формы, куда эта сила направлена и в какой точке приложена. На рисунке 37.3, а красными стрелками схематически изображены силы давления жидкости, действующие на участки тела одинаковой площади. С увеличением глубины эти силы увеличиваются.

Мысленно заменим погруженное в жидкость тело этой же жидкостью. На участки поверхности этого «жидкого» тела будут действовать такие же силы давления, что и на данное тело (рис. 37.3, б). Следовательно, равнодействующая сил давления, действующая на жидкость в объеме данного тела, будет такой же, как и сила Архимеда, действующая на само данное тело.

Заметим теперь, что выделенный объем жидкости находится внутри той же жидкости в равновесии. Следовательно, действующие на него сила тяжести т и сила Архимеда А уравновешивают друг друга, то есть они равны по модулю и направлены противоположно (рис. 37.3, в). Отсюда следует, что
на погруженное в жидкость тело действует направленная вверх сила Архимеда А, равная по модулю весу жидкости в объеме погруженной в жидкость части тела:

F A = ρgV погр. (3)

Приведенный вывод показывает, что сила Архимеда приложена в центре тяжести вытесненного телом объема жидкости (рис. 32.3, в).

Полученное выражение для силы Архимеда и утверждение о точке ее приложения справедливы и тогда, когда тело погружено в жидкость лишь частично.

6. На концах легкого стержня длиной (подвешены алюминиевый и латунный шары равной массы. Система находится в равновесии. Стержень вместе с шарами погружают в воду.
а) Сохранится ли равновесие стержня? И если нет, то какой шар в воде перевесит?
б) В сторону какого шара надо передвинуть точку подвеса стержня, чтобы он в воде находился в равновесии?
в) Обозначим длину стержня l, массы шаров m, плотности воды, алюминия и латуни ρ в, ρ а и ρ л, а объемы шаров V а и V л. Модуль смещения точки подвеса обозначим x. Объясните, почему справедливо уравнение:

г) Насколько надо передвинуть точку подвеса стержня, чтобы он в воде находился в равновесии, если l = 1 м, плотность латуни в 3 раза больше плотности алюминия, а плотность алюминия в 2,7 раза больше плотности воды?

7. Ко дну аквариума прикреплена пружина, к верхнему концу которой прикреплен деревянный шар (рис. 37.4). Чему равна плотность дерева, если энергия упругой деформации пружины не изменилась после того, как в аквариум налили воду? Считайте, что шар полностью погружен в воду.

8. Подвешенная за один конец тонкая пластмассовая палочка массой m и длиной l частично погружена в воду и находится в равновесии в наклонном положении (рис. 37.5). При этом длина погруженной в воду части палочки равна l 1 . Обозначим площадь поперечного сечения палочки S, плотность пластмассы ρ п, плотность воды ρ в.

а) Изобразите на чертеже действующие на палочку силу тяжести и силу Архимеда. Объясните, почему справедливы уравнения:

б) Чему равна плотность пластмассы, если l 1 = 0,5l?

Палочка в стакане с водой

Вернемся к палочке в стакане, рассмотренной в § 36. Но пусть теперь стакан доверху наполнен водой (рис. 37.6). Будем считать, что при этом положение палочки не изменилось.

? 9. Как и почему изменилась сила давления края стакана на палочку после заполнения стакана водой?
Введем обозначения:
l – длина палочки,
S – площадь ее поперечного сечения,
m – масса палочки,
ρ – плотность палочки,
ρ в – плотность воды,
h – высота стакана,
d – его диаметр.

Для упрощения формул удобно обозначить α угол между палочкой и вертикалью, а длину находящейся в стакане части палочки b (α и b можно выразить через h и d, но удобнее ввести для них свои обозначения, чтобы упростить формулы).

Силу, действующую на палочку со стороны края стакана, обозначим к, а силу Архимеда – A .

10. Обозначьте на чертеже в тетради все действующие на палочку силы и объясните, почему справедливы уравнения:

11. В гладком цилиндрическом стакане диаметром 6 см и высотой 8 см находится тонкая палочка длиной 15 см. Плотность палочки в 2 раза больше плотности воды. Во сколько раз уменьшится сила давления палочки на край стакана после того, как его наполнят водой?

3. Плавание тел

Условие плавания тел

Когда тело плавает, действующая на него сила Архимеда A уравновешивает силу тяжести т. Следовательно,

Это справедливо для любого тела и любой жидкости, причем независимо от того, погружено тело в жидкость полностью (рис. 37.7, а) или частично (рис. 37.7, б).

(Точка приложения силы Архимеда может не совпадать с точкой приложения силы тяжести. Но поскольку здесь используется только первое условие равновесия, мы изображаем на чертеже эти силы приложенными в одной точке.)

? 12. В воде и керосине плавают одинаковые деревянные шарики. На какой шарик действует большая сила Архимеда?

Плавание однородных тел

Масса m однородного тела связана с его плотностью ρт и объемом V соотношением

m = ρ т V. (5)

А сила Архимеда равна весу жидкости в объеме погруженной части тела. Обозначим плотность жидкости ρж, а объем погруженной в жидкость части тела V погр. Тогда

F А = ρ ж gV погр. (6)

13. Объясните, почему справедливо соотношение

V погр /V = ρ т /ρ ж. (7)

Подсказка. Воспользуйтесь формулами (4), (5), (6).

14.Вернемся к двум одинаковым деревянным шарикам, первый из которых плавает в воде, а второй – в керосине. Масса каждого шарика 100 г.
а) Для какого шарика объем погруженной части больше?
б) Насколько объем погруженной части одного шарика больше, чем другого?

Пусть теперь тело плавает на границе двух жидкостей (рис. 37.8). Как найти объем погруженной в каждую жидкость части тела?

Рассуждая как и при выводе выражения (3) для силы Архимеда, заменим части тела, находящиеся в разных жидкостях, двумя «телами» того же объема и формы, состоящими из соответствующих жидкостей. (При этом надо считать погруженной в верхнюю жидкость часть тела, находящуюся выше границы раздела жидкостей (пунктир на рисунке 37.10), а в нижнюю – ниже этой границы.)

Эти тела будут находиться в равновесии в «своих» жидкостях. Следовательно, равнодействующая сил давления, приложенных ко всем частям поверхности тела, направлена вверх и равна по модулю суммарному весу жидкостей в объеме, вытесненном телом.

15. Когда брусок плавает на границе двух жидкостей, К. верхняя (более легкая) жидкость давит на него вниз (рис. 37.9)! Почему же при нахождении действующей на брусок выталкивающей силы нужно считать, что сила Архимеда, действующая на него со стороны более легкой жидкости, направлена вверх?

16. Тело объемом V и плотностью ρт плавает на границе двух жидкостей, плотности которых ρ 1 и ρ 2 . Обозначим объемы частей тела, погруженных в каждую жидкость, V 1 и V 2 . Объясните, почему справедливо следующее уравнение:

ρ 1 V 1 + ρ 2 V 2 = ρтV.

17. Пластмассовый брусок высотой 10 см плавает на границе воды и керосина, причем брусок погружен в воду на 4 см. Чему равна плотность бруска?

Плавание неоднородных тел

Если тело неоднородно (например, изготовлено из различных материалов или имеет полость), то объем погруженной в жидкость части тела также можно найти, используя формулу (4). Напомним: она утверждает, что действующая на плавающее тело сила Архимеда уравновешивает силу тяжести.

18. Полый медный шар плавает на поверхности воды. Радиус шара 10 см, а толщина стенок – 1 мм. Какая часть объема шара погружена в воду?
Подсказка. Объем шара радиусом r и площадь его поверхности выражаются формулами V = (4πr 3)/3, S = 4πr 2 . Если толщина стенок шара d намного меньше его радиуса, объем его стенок (оболочки) с хорошей степенью точности выражается формулой V об = Sd, где S – площадь поверхности шара.

19. На поверхности воды плавает плоская льдина площадью 5 м 2 и толщиной 10 см. Плотность льда составляет 0,9 от плотности воды.
а) Груз какой наименьшей массы надо поставить на льдину, чтобы она полностью погрузилась в воду?
б) Какую минимальную работу надо совершить, чтобы полностью погрузить льдину в воду?

Подсказка. В данном случае при нахождении работы по подъему или погружению тела можно брать среднее арифметическое значений силы Архимеда, действующей на тело в начальном и конечном состояниях.

Теряет ли в весе погруженное в воду тело?

Поставим опыт

Взвесим цилиндр из легкого металлического сплава и стакан, наполовину наполненный водой (рис. 37.10, а), А затем погрузим подвешенный к динамометру цилиндр в стакан с водой (рис. 37.10, б).

Мы увидим, что показания динамометра уменьшились. Это легко объяснить: на погруженный в воду цилиндр действует сила Архимеда.
Означает ли это, что вес погруженного в жидкость тела уменьшается на величину, равную выталкивающей силе?

Нет, не означает! Вспомним, что вес – это сила, с которой тело растягивает подвес или давит на опору. При погружении цилиндра в воду его вес не уменьшился, а перераспределился: на подвес (динамометр) приходится теперь только часть веса цилиндра, а оставшаяся часть веса приходится на опору (воду). В этом легко убедиться: при погружении цилиндра в воду показания весов, на которых стоит стакан с водой, увеличились настолько же, насколько уменьшились показания динамометра, к которому подвешен цилиндр.

Когда человек лежит на воде (рис. 37.11), действующая на него сила Архимеда уравновешивает силу тяжести. Но этот человек не находится в невесомости: вода служит ему очень мягкой, но все-таки опорой, Вес человека приложен к воде и равен силе тяжести (как для любого покоящегося тела).

? 20. Находится ли в состоянии невесомости рыба в воде?

Дополнительные вопросы и задания

21. Когда подвешенное к динамометру тело погружено в воду, показания динамометра равны P в, а когда это же тело погружено в керосин, показания динамометра равны P к. Чему будут равны показания P динамометра, если тело будет находиться в воздухе? Считайте, что плотность тела больше плотности воды, а плотность керосина составляет 0,8 от плотности воды.

22. В сосуде с водой плавает куб плотностью 900 кг/м 3 . Длина ребра куба 10 см. Поверх воды наливают слой керосина так, что верхний уровень керосина оказывается вровень с верхней гранью куба.
а) Какова толщина слоя керосина?
б) Насколько изменилась глубина погружения куба в воду?

23. На концах легкого стержня длиной 1 м уравновешены алюминиевый и латунный шары равного объема. Стержень вместе с шарами погружают в воду. Сохранится ли равновесие стержня? И если нет, то какой шар в воде перевесит?

24. К деревянному шару массой 20 кг и плотностью 400 кг/м 3 прикреплена длинная стальная цепь. Масса 1 м цепи равна 1 кг. Плотность стали примите равной 8 * 10 3 кг/м 3 . Шар с цепью опускают в озеро так, что часть цепи лежит на дне. На какой высоте от дна будет находиться в равновесии шар, если он полностью погружен в воду? Считайте, что радиусом шара по сравнению с глубиной погружения можно пренебречь.

25. В высоком гладком цилиндрическом стакане диаметром 6 см находится тонкая палочка длиной 10 см и массой 100 г (рис. 37.12). Плотность палочки в 2 раза больше плотности воды. С какой силой давит верхний конец палочки на стенку стакана, когда в стакан налита вода до середины палочки?

Подсказка. Искомая сила направлена горизонтально. Примените второе условие равновесия относительно нижнего конца палочки.

Пребывание человека под водой в непривычной для
него среде имеет существенные особенности. Погружаясь
в воду, человек кроме атмосферного давления воздуха,
которое действует на поверхность воды, дополнительно
испытывает гидростатическое (избыточное) давление. Общее
(абсолютное) давление, измеряемое от нуля — полного
вакуума, которое фактически испытывает человек под водой:


или приближенно для пресной воды

Pa — где абсолютное давление воды, кгс/см² ;

Pв — атмосферное давление воздуха, кгс/см²;

Ри — избыточное давление воды, кгс/см²;

Б — барометрическое давление воздуха, мм рт. ст.;

Y — удельный вес воды, кгс/м³;

H — глубина погружения, м.

Пример 1.1.
Определить абсолютное давление воды, действующее
на пловца-подводника на глубине 40 м:

1) в море, если атмосферное (барометрическое) давление
760 мм рт. ст. и удельный вес морской воды 1025 кгс/м³;

2) в горном озере, если атмосферное давление 600 мм рт. ст.
и удельный вес пресной воды 1000 кгс/м³;

3) в равнинном водоеме с пресной водой, если атмосферное
давление 750 мм рт. ст.

Решение.

Абсолютное давление воды:
1) в море по (1.1)

2) в горном озере по (1.1)

3) в равнинном водоеме по (1.1)

или по (1.2)

Результаты примера показывают, что с достаточной для практики
точностью в большинстве случаев для расчетов можно использовать
приближенную формулу (1.2).

Абсолютное давление воды на человека значительно
увеличивается с глубиной погружения. Так, на глубине
10 м по сравнению с атмосферным давлением оно удваивается
и равно 2 кгс/см² (200 кПа), на глубине 20 м —
утраивается и т. д. Однако относительный прирост давления
с увеличением глубины уменьшается.

Как видно из табл. 1.1, наибольший относительный прирост
давления приходится на зону первых десяти метров
погружения. В этой критической зоне наблюдаются значительные
физиологические перегрузки, о которых не следует
забывать, особенно начинающим пловцам-подводникам
(см. 10.2).

Кровообращение
под водой в силу неравномерного
гидростатического давления на различные участки
тела имеет свои особенности. Например, при вертикальном
положении человека среднего роста (170 см) в воде независимо
от глубины погружения его стопы будут испытывать
гидростатическое давление на 0,17 кгс/см² (17 кПа) больше, чем голова.

Таблица 1.1. Изменение давления воды в зависимости от глубины погружения

К верхним областям тела, где давление
меньше, кровь приливает (полнокровие), от нижних
областей тела, где давление больше, отливает (частичное
обескровливание). Такое перераспределение тока крови несколько
увеличивает нагрузку на сердце, которому приходится
преодолевать большее сопротивление движению
крови по сосудам.

При горизонтальном положении тела в воде разность
гидростатического давления на грудь и спину невелика —
всего 0,02…0,03 кгс/см² (2…3 кПа) и нагрузка на сердце
возрастает незначительно.

Дыхание
под водой возможно, если внешнее давление
воды равно внутреннему давлению воздуха в системе
«легкие — дыхательный аппарат» (рис. 1.1). Несоблюдение
этого равенства затрудняет дыхание или делает
его вообще невозможным. Так, дыхание через трубку на
глубине 1 м при разности между внешним и внутренним
давлением 0,1 кгс/см² (10 кПа) требует большого напряжения
дыхательных мышц и долго продолжаться не может,
а на глубине 2 м дыхательные мышцы уже не в состоянии
преодолеть давление воды на грудную клетку .

Человек в покое на поверхности делает 12…24 дыхания
в минуту, и его легочная вентиляция (минутный объем
дыхания) составляет 6… 12 л/мин.

Рис. 1.1. График необходимого давления
воздуха в системе «легкие — дыхательный
аппарат» в зависимости от глубины
погружения:
1 — избыточное (по манометру) давление воздуха;
2 — абсолютное давление воздуха

В нормальных условиях при каждом вдохе-выдохе в
легких обменивается не более 1/6 всего находящегося в
них воздуха. Остальной воздух остается в альвеолах легких
и является той средой, где происходит газообмен с
кровью. Альвеолярный воздух имеет постоянный состав и
в отличие от атмосферного содержит 14% кислорода,
5,6% углекислого газа и 6,2% водяных паров (см. 1.2).

Даже незначительные изменения в его составе приводят
к физиологическим сдвигам, которые являются компенсаторной
защитой организма. При значительных изменениях
компенсаторная защита не будет справляться, в результате возникнут болезненные (патологические) состояния
(см. 10.5…10.8).

Не весь воздух, попадающий в организм, достигает легочных
альвеол, где происходит газообмен между кровью
и легкими. Часть воздуха заполняет дыхательные пути организма
(трахеи, бронхи) и не участвует в процессе газообмена.
При выдохе этот воздух удаляется, не достигнув
альвеол. При вдохе в альвеолы вначале поступает воздух,
который остался в дыхательных путях после выдоха
(обедненный кислородом, с повышенным содержанием углекислого
газа и водяных паров), а затем свежий
воздух.

Объем дыхательных путей организма, в которых воздух
увлажняется и согревается, но не участвует в газообмене,
составляет примерно 175 см³. При плавании с дыхательным
аппаратом (дыхательной трубкой) общий объем
дыхательных путей (организма и аппарата) увеличивается
почти в два раза. При этом вентиляция альвеол ухудшается
и снижается работоспособность.

Интенсивные мышечные движения под водой требуют
большого расхода кислорода, что приводит к усилению
легочной вентиляции, в результате увеличивается скорость
потока воздуха в дыхательных путях организма и аппарата
(дыхательной трубки). При этом пропорционально
квадрату скорости потока воздуха возрастает сопротивление
дыханию. С увеличением плотности сжатого воздуха
соответственно глубине погружения сопротивление дыханию
также возрастает.

Сопротивление дыханию оказывает существенное влияние
на длительность и скорость плавания под водой.

Если сопротивление дыханию достигает 60…65 мм рт. ст.
(8…9 кПа), дышать становится трудно и дыхательные
мышцы быстро утомляются. Растягивая по времени фазу
вдоха и выдоха, можно уменьшить скорость потока воздуха
в дыхательных путях. Это приводит к некоторому
снижению легочной вентиляции, но в то же время заметно
уменьшает сопротивление дыханию.

Плавучесть.
Вследствие большой плотности воды
человек, погружаясь в нее, находится в условиях, близких к состоянию невесомости. При выдохе средний удельный
вес человека находится в пределах 1020… 1060 кгс/м³
(10,2… 10,6 кН/м³) и наблюдается отрицательная плавучесть
1…2 кгс (10…20 Н) — разность между весом вытесненной
телом воды и его весом. При вдохе средний удельный
вес человека понижается до 970 кгс/м³ (9,7 кН/м³) и
появляется незначительная положительная плавучесть.

При плавании в гидрозащитной одежде за счет воздуха
в ее складках положительная плавучесть увеличивается,
что затрудняет погружение в воду. Плавучесть
можно отрегулировать с помощью грузов. Для плавания
под водой обычно создают незначительную отрицательную
плавучесть — 0,5… 1 кгс (5… 10 Н). Большая отрицательная
плавучесть требует постоянных активных движений
для удержания на нужной глубине и обычно создается
только при работах с опорой на грунт (объект).

Ориентирование
под водой представляет определенные
трудности. На поверхности человек ориентируется
в окружающей среде с помощью зрения, а равновесие
тела его поддерживается с помощью вестибулярного
аппарата, мышечно-суставного чувства и ощущений, возникающих
во внутренних органах и коже при изменении
положения тела. Он все время испытывает действие силы
тяжести (чувство опоры) и воспринимает малейшее изменение
положения тела в пространстве.

При плавании под водой человек лишен привычной
опоры. В этих условиях из органов чувств, ориентирующих
человека в пространстве, остается вестибулярный аппарат,
на отолиты которого продолжают действовать силы земного
тяготения. Особенно затруднено ориентирование под
водой человека с нулевой плавучестью. Под водой пловец
с закрытыми глазами допускает ошибки в определении
положения тела в пространстве на угол 10…25°.

Большое значение для ориентирования под водой имеет
положение человека. Наиболее неблагоприятным считается
положение на спине с запрокинутой назад головой.

При попадании в слуховой проход холодной воды вследствие
раздражения вестибулярного аппарата у пловца появляется головокружение, затрудняется определение направления
и ошибка часто достигает 180°.

Для ориентирования под водой пловец вынужден использовать
внешние факторы, сигнализирующие о положении
тела в пространстве: движение пузырьков выдыхаемого
воздуха из аппарата, буйки и т. п. Большое значение для ориентирования под водой имеет тренировка
пловца.

Сопротивление воды
оказывает заметное влияние
на скорость плавания. При плавании на поверхности
со скоростью 0,8… 1,7 м/с сопротивление движению тела
возрастает соответственно с 2,5 до 11,5 кгс (с 25 до
115 Н). При плавании под водой сопротивление движению
меньше, так как пловец-подводник занимает более горизонтальное
положение и ему не надо периодически поднимать
голову из воды, чтобы сделать вдох. Кроме того,
под водой меньше тормозящая сила волн и завихрений,
возникающих в результате движений пловца. Опыт в бассейне
показывает, что один и тот же человек, проплывающий дистанцию 50 м брассом за 37,1 с, под водой проплывает то же расстояние за 32,2 с.

Средняя скорость плавания под водой в гидроодежде
с аппаратом 0,3…0,5 м/с. На коротких дистанциях хорошо
подготовленные пловцы могут развивать скорость 0,7..,
1 м/с, отлично подготовленные — до 1,5 м/с.

Охлаждение организма
в воде протекает интенсивнее, чем на воздухе. Теплопроводность воды в 25 раз,
а теплоемкость в 4 раза больше, чем воздуха. Если на
воздухе при 4° С человек может без опасности для своего
здоровья находиться в течение 6 ч и при этом температуря
тела у него не понижается, то в воде при такой же температуре
незакаленный человек без защитной одежды в
большинстве случаев погибает от переохлаждения уже
спустя 30…60 мин. Охлаждение организма усиливается с
понижением температуры воды и при наличии течения.

В воздушной среде интенсивные теплопотери при температуре
воздуха 15…20° С происходят в результате излучения
(40…45%) и испарения (20…25%), а на долю теплоотдачи
с помощью проведения приходится лишь 30…35%.

В воде у человека без защитной одежды тепло в основном
теряется в результате проведения. На воздухе теплопотери
происходят с площади, составляющей около
75% поверхности тела, так как между соприкасающимися
поверхностями ног, рук и соответствующими областями
туловища существует теплообмен. В воде же теплопотери
происходят со всей поверхности тела.

Воздух, непосредственно соприкасающийся с кожей,
быстро нагревается
и фактически имеет более высокую
температуру, чем окружающий. Даже ветер не может
полностью удалить с кожи этот слой теплого воздуха. В
воде с ее большой удельной теплоемкостью и большой теплопроводностью
слой, прилегающий к телу, не успевает
нагреваться и легко вытесняется холодной водой. Поэтому
температура поверхности тела в воде понижается интенсивнее,
чем на воздухе. Кроме того, вследствие неравномерного
гидростатического давления воды нижние области
тела, которые испытывают большее давление, охлаждаются
больше и имеют температуру кожи ниже, чем верхние,
менее обжатые водой.

Тепловые ощущения организма на воздухе и в воде
при одной и той же температуре различны. В табл. 1.2
дана сравнительная характеристика ощущений человека
при одинаковой температуре воды и воздуха.

Таблица 1.2.
Тепловые ощущения организма на воздухе и в воде

Вследствие интенсивного охлаждения и обжатия гидростатическим
давлением кожная чувствительность в воде
понижается, болевые ощущения притупляются, поэтому
могут остаться незамеченными небольшие порезы и даже
раны.

При спусках под воду в гидрозащитной одежде температура
кожи понижается неравномерно. Наибольшее
падение температуры кожи отмечается в конечностях
(табл. 1.3).

Слышимость в воде
ухудшается, так как звуки
под водой воспринимаются преимущественно путем костной
проводимости, которая на 40% ниже воздушной.

Дальность слышимости при костной проводимости зависит
от тональности звука: чем выше тон, тем лучше слышен
звук. Это имеет практическое значение для связи пловцов
между собой и с поверхностью.

При погружении в снаряжении с объемным шлемом
воздушная проводимость сохраняется почти полностью.

Таблица 1.3.
Средняя температура кожных покровов пловца-подводника
после пребывания в холодной воде (1…9°С) в гидрозащитной одежде в течение 2 ч

Звук в воде распространяется в 4,5 раза быстрее, чем
в атмосфере, поэтому под водой сигнал от источника
звука, расположенного сбоку, поступает в оба уха почти
одновременно, разница составляет менее 0,00-001 с. Столь
незначительная разница во времени поступления сигнала
недостаточно хорошо дифференцируется, и четкого пространственного
восприятия звука не происходит. Следовательно,
установить направление на источник звука под
водой человеку трудно.

Видимость в воде
зависит от количества и состава
растворенных в ней веществ, взвешенных частиц, которые
рассеивают световые лучи. В мутной воде даже при
ясной солнечной погоде видимость почти отсутствует.

Глубина проникновения света в толщу воды зависит от
угла падения лучей и состояния водной поверхности.
Косые солнечные лучи, падающие на поверхность воды,
проникают на малую глубину, и большая часть их отражается
от поверхности воды. Слабая рябь или волна
резко ухудшают видимость в воде.

На глубине 10 м освещенность в 4 раза меньше, чем на
поверхности. На глубине 20 м освещенность уменьшается
в 8 раз, а на глубине 50 м — в несколько десятков раз.
Лучи с различной длиной волны поглощаются неравномерно. Длинноволновая часть видимого спектра (красные
лучи) почти полностью поглощается поверхностными слоями
воды. Коротковолновая часть (фиолетовые лучи) в
наиболее прозрачной океанской воде может проникать на
глубину не более 1000… 1500 м. Зеленые лучи не проникают
глубже 100 м.

Зрение под водой
имеет свои особенности. Вода
обладает примерно такой же преломляющей способностью,
как и оптическая система глаза. Если пловец погружается
без маски, лучи света проходят через воду и попадают в
глаз, почти не преломляясь. При этом лучи сходятся не
у сетчатой оболочки, а значительно дальше, за ней. В результате
острота зрения ухудшается в 100…200 раз, а
поле зрения уменьшается, изображение предметов получается
неясным, расплывчатым, и человек становится как
бы дальнозорким.

При погружении пловца-подводника в маске световой
луч из воды преходит слой воздуха в маске, попадает в
глаз и преломляется в его оптической системе как
обычно. Но пловец-подводник при этом видит изображение
предмета несколько ближе и выше его действительного
местоположения. Сами же предметы кажутся под водой
значительно больше, чем в действительности. Опытные
пловцы приспосабливаются к этим особенностям зрения и
не испытывают затруднений.

Резко ухудшается в воде и цветоощущение. Особенно
плохо воспринимаются синий и зеленый цвета, которые
близки к естественной окраске воды, лучше всего — белый
и оранжевый.

Вперед
Оглавление
Назад

В
§ 147было указано, что давление водяного столба высоты 10 метров равно одной атмосфере. Плотность морской соленой воды на 1-2% больше, чем плотность пресной
воды. Поэтому можно с достаточной точностью считать, что погружение в море на
каждые 10 метров дает увеличение гидростатического давления на одну атмосферу.
Например, подводная лодка, погрузившаяся на 100 м под воду, испытывает
давление, равное 10 атм (сверх атмосферного), что примерно соответствует
давлению внутри парового котла паровоза. Таким образом, каждой глубине под
поверхностью воды соответствует определенное гидростатическое давление. Подводные
лодки снабжают манометрами, измеряющими давление забортной воды; это позволяет
определять глубину погружения.

На
очень больших глубинах уже начинает быть заметной сжимаемость воды: вследствие
сжатия плотность воды в глубоких слоях больше, чем на поверхности, и поэтому
давление растет с глубиной несколько быстрее, чем по линейному закону, и график
давления несколько отклоняется от прямой линии. Добавка давления, обусловленная
сжатием воды, нарастает пропорционально квадрату глубины. На наибольшей глубине
океана, равной 11 км, она достигает почти 3% от полного давления на этой
глубине.

Для
исследования очень больших глубин применяют батисферы и батискафы. Батисфера —
это стальной полый шар, способный выдержать огромное давление воды в морских
глубинах. В стенке батисферы устраиваются иллюминаторы — отверстия,
герметически закрытые прочными стеклами. Прожектор освещает слои воды, куда уже
не может проникнуть солнечный свет. Батисферу, в которой помещается
исследователь, опускают с корабля на стальном тросе. Таким образом удавалось
достигнуть глубин около 1 км. Батискафы, состоящие из батисферы, которая
укреплена внизу большой стальной цистерны, заполненной бензином (рис. 254), опускаются
на еще большие глубины.

Рис. 254.
Батискаф

Так
как бензин легче воды, то такой батискаф, может плавать в глубине моря подобно
дирижаблю в воздухе. Роль легкого газа играет здесь бензин. Батискаф снабжается
запасом балласта и двигателями, при помощи которых он, в отличие от батисферы,
может самостоятельно передвигаться, не будучи связан с кораблем на поверхности
воды.

Вначале
батискаф плавает на поверхности воды, подобно всплывшей подводной лодке. Для
погружения в пустые балластные отсеки впускается забортная вода, и батискаф
уходит под воду, опускаясь все глубже и глубже, до самого дна. Для всплытия
сбрасывают балласт и облегченный батискаф всплывает снова на поверхность.
Наиболее глубокое погружение было совершено 23 января 1960 г., когда батискаф пролежал 20 минут на дне Марианской впадины в Тихом океане, на глубине 10919
м под поверхностью воды, где давление воды (рассчитанное с учетом повышения
плотности воды вследствие солености и вследствие сжатия) составляло свыше 1150
атм. Исследователями, опускавшимися в батискафе, были обнаружены живые существа
даже на этой наибольшей глубине мирового океана.

Пловец
или аквалангист, нырнувший под воду, испытывает на всей поверхности своего тела
гидростатическое давление окружающей воды сверх действующего постоянно
атмосферного давления. Хотя тело водолаза (рис. 255), работающего в резиновом
костюме (скафандре), не соприкасается с водой непосредственно, оно испытывает
такое же давление, как и тело пловца, так как воздух в скафандре должен быть
сжат до давления окружающей воды. По этой же причине и воздух, подаваемый по
шлангу водолазу для дыхания, должен накачиваться под давлением, равным давлению
воды на глубине погружения водолаза. Такое же давление должно быть у воздуха,
поступающего из баллонов со сжатым воздухом в маску аквалангиста. Под водой
приходится дышать воздухом повышенного давления.

Рис. 255.
Водолаз в резиновом костюме с металлическим шлемом. Воздух водолазу подается по
трубке

Рис. 256.
Водолазный колокол

Не
спасает подводника от повышенного давления и водолазный колокол (рис. 256), или
кессон, так как и в них воздух должен быть сжат настолько, чтобы не допустить
воду в колокол, т. е. до давления окружающей воды. Поэтому при постепенном
погружении колокола в него все время подкачивают воздух с тем расчетом, чтобы
давление воздуха было равно давлению воды на данной глубине. Повышенное
давление вредно отражается на здоровье человека, и это ставит предел глубине,
на которой возможна безопасная работа водолаза. Обычная глубина погружения водолаза
в резиновом скафандре не превосходит 40 м: на этой глубине давление увеличено
на 4 атм. Работа водолаза на большей глубине возможна только в жестком
(«панцирном») скафандре, принимающем на себя давление воды. В таком скафандре
можно безопасно находиться на глубине до 200 м. Воздух в такой скафандр
подается при атмосферном давлении.

При
длительном пребывании под водой при давлении, значительно превышающем
атмосферное, большое количество воздуха оказывается растворенным в крови и
других жидкостях организма водолаза. Если водолаз быстро поднимается на
поверхность, то воздух, растворенный под большим давлением, начинает выделяться
из крови в виде пузырьков (так же, как выделяется в виде пузырьков воздух,
растворенный в лимонаде, находящемся в закупоренной бутылке под повышенным
давлением, при вытаскивании пробки). Выделяющиеся пузырьки причиняют резкую
боль во всем теле и могут вызвать тяжелое заболевание («кессонная болезнь»).
Поэтому водолаза, долго пробывшего на большой глубине, следует поднимать на
поверхность медленно (часами!), чтобы растворенные газы успевали выделяться
постепенно, не образуя пузырьков.

Готовые работы

ДИПЛОМНЫЕ РАБОТЫ

Многое уже позади и теперь ты — выпускник, если, конечно, вовремя напишешь дипломную работу. Но жизнь — такая штука, что только сейчас тебе становится понятно, что, перестав быть студентом, ты потеряешь все студенческие радости, многие из которых, ты так и не попробовал, всё откладывая и откладывая на потом. И теперь, вместо того, чтобы навёрстывать упущенное, ты корпишь над дипломной работой? Есть отличный выход: скачать нужную тебе дипломную работу с нашего сайта — и у тебя мигом появится масса свободного времени!
Дипломные работы успешно защищены в ведущих Университетах РК.
Стоимость работы от 20 000 тенге

КУРСОВЫЕ РАБОТЫ

Курсовой проект — это первая серьезная практическая работа. Именно с написания курсовой начинается подготовка к разработке дипломных проектов. Если студент научиться правильно излагать содержание темы в курсовом проекте и грамотно его оформлять, то в последующем у него не возникнет проблем ни с написанием отчетов, ни с составлением дипломных работ, ни с выполнением других практических заданий. Чтобы оказать помощь студентам в написании этого типа студенческой работы и разъяснить возникающие по ходу ее составления вопросы, собственно говоря, и был создан данный информационный раздел.
Стоимость работы от 2 500 тенге

МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В настоящее время в высших учебных заведениях Казахстана и стран СНГ очень распространена ступень высшего профессионального образования, которая следует после бакалавриата — магистратура. В магистратуре обучаются с целью получения диплома магистра, признаваемого в большинстве стран мира больше, чем диплом бакалавра, а также признаётся зарубежными работодателями. Итогом обучения в магистратуре является защита магистерской диссертации.
Мы предоставим Вам актуальный аналитический и текстовый материал, в стоимость включены 2 научные статьи и автореферат.
Стоимость работы от 35 000 тенге

ОТЧЕТЫ ПО ПРАКТИКЕ

После прохождения любого типа студенческой практики (учебной, производственной, преддипломной) требуется составить отчёт. Этот документ будет подтверждением практической работы студента и основой формирования оценки за практику. Обычно, чтобы составить отчёт по практике, требуется собрать и проанализировать информацию о предприятии, рассмотреть структуру и распорядок работы организации, в которой проходится практика, составить календарный план и описать свою практическую деятельность.
Мы поможет написать отчёт о прохождении практики с учетом специфики деятельности конкретного предприятия.

Контрольная работа для 7 класса (по теме 3) | Материал (физика, 7 класс) по теме:

Вариант 1.

1.Глыба из гранита при полном погружении в воду вытесняет 1,6 м3 воды. Определите архимедову силу, действующую на глыбу. Плотность воды – 1000 кг/м3.

2.Под каким давлением находится дно сосуда, если в сосуд налит керосин, высота которого 2 м? Плотность керосина – 800 кг/м3.

3.Масса стола 2 кг. Определите давление его на пол, если площадь каждой из его ножек 4 см2.

4.Какова сила давления, с которой действует на батискаф морская вода на глубине 100 м, если площадь поверхности батискафа 10 м2. Плотность морской воды – 1030 кг/м3.

5.Камень объёмом 0,001 м3 имеет массу 13 кг. Какая сила потребуется, чтобы удержать погруженный целиком в воду камень?

Вариант 2.

1.Определите выталкивающую силу, действующую на погруженное в воду тело, если оно вытесняет 0,85 м3 воды.

2.Под каким давление вытекает вода из летнего душа, если высота столба воды в баке 3 м? Плотность воды – 1000 кг/м3.

3.Молотком вбивают гвоздь в стену, ударяя по шляпке с силой 50 Н. Какое давление производит молоток на шляпку гвоздя, если ее площадь поверхности 0,5 см2?

4.В цистерне, заполненной нефтью, на глубине 4 м поставлен кран, площадь которого 30 см2. С какой силой нефть давит на кран? Плотность нефти – 800 кг/м3.

5.Камень в воздухе весит 12 Н, а в воде он же весит 7 Н. Определите плотность камня.

Вариант 3.

1.Железобетонная плита объёмом 0,4 м3 погружена в воду на половину своего объёма. Какая архимедова сила действует на нее?

2.Под каким давлением вытекает вода из крана питьевого бачка, если высота столба воды 0,5 м? Плотность воды – 1000 кг/м3.

3.На опору площадью 0,6 м2 действует сила 1000 Н. Чему равно давление на опору?

4.В цистерне с нефтью на глубине 4 м имеется отверстие, закрытое пробкой, площадь которой равна 0,003 м2. С какой силой нефть давит на пробку? Плотность нефти – 800 кг/м3.

5.Определите, что покажут пружинные весы, если тело из железа

 объёмом 100 см3 взвешивать в воде?

 Плотность железа – 7800 кг/м3.

        

Вариант 4.

1.Тело объёмом 1,05 м3 погружено в керосин. Определите выталкивающую силу, действующую на это тело.

Плотность керосина- 810 кг/м3.

2.Под каким давлением  поступает вода в водопровод из водонапорной башни, если высота столба воды в ней 10 м?

3.Человек вбивает гвоздь в стену, ударяя по нему молотком с силой 30 Н. Какое давление производит гвоздь при ударе, если площадь его острия 0,01 см2?

4.Какую силу испытывает каждый квадратный метр площади поверхности водолазного костюма при погружении в воду на глубину  7 м? Плотность воды – 1000 кг/м3.

5.Какую силу надо приложить, чтобы удержать под водой кусок пробкового дерева, масса которого 80 г?

Плотность пробки–240 кг/м3

Вариант 5.

1.Определите выталкивающую силу, действующую на льдину, у которой объём погруженной  в воду части равен 65 м3.

2.В цистерне, наполненной спиртом, на глубине 4 м поставлен кран. Определите давление на кран.

Плотность спирта –800 кг/м3.

3.Площадь лезвия лопаты 2 см2. Человек нажимает на лопату с силой 40 Н. Определите ее давление на почву.

4.Плоскодонная баржа получила пробоину в дне площадью 200 см2. С какой силой надо давить на пластырь, которым закрывают отверстие, чтобы сдержать давление воды на глубине 1,8 м?

5.Тело объёмом 0,0075 м3 имеет массу 20 кг. Какая сила потребуется, чтобы удержать это тело в воде?

 Плотность воды – 1000 кг/м3.  

Вариант 6.

1.Плавающий на воде деревянный брусок вытесняет объём воды  0,72  м3. Определите выталкивающую силу, действующую на него.

2.Жестяной сосуд имеет форму куба с ребром 0,1 м. Сосуд наполнен водой. Определите давление воды на дно сосуда. Плотность воды – 1000 кг/м3.

3.Игла при проигрывании грампластинок давит на нее силой 0,27 Н. Какое давление оказывает игла, если площадь её острия равна 0,0003 см2.

4.Площадь дна кастрюли 1300 см2. С какой силой давит на её  дно  вода, налитая до высоты  0,15 м?

5.Определите, что покажут пружинные весы, если тело из алюминия объёмом 0,01 м3 взвешивать в керосине?

Плотность керосина- 800 кг/м3.

Вариант 7.

1.Чему равна архимедова сила, действующая в воде на тело объёмом 0,0125 м3? Плотность воды – 1000 кг/м3.  

2.Какое давление испытывает плотина в реке на глубине 20 м?

3.Найти давление, которое производит на пол мальчик массой 48 кг, если площадь подошв его обуви 0,032  м2.

4.Определите силу давления керосина на квадратную пробку площадью сечения 16 см2, если высота столба керосина 0,4 м. Плотность керосина – 800 кг/м3.

5.Мраморная плита в воздухе весит 405 Н. Какую силу надо приложить, чтобы удержать её в воде?

Плотность мрамора –2700 кг/м3.

Вариант 8.

1.Булыжник имеет объём 0,004 м3. какая выталкивающая сила действует на него, если он погружен полностью в воду?

2.В сосуд налита вода. Найдите её давление на дно, если высота столба воды 25 см. Плотность воды – 1000 кг/м3.  

3.Спортсмен массой 70 кг стоит на лыжах. Площадь его опоры 0,2 м2

Какое давление оказывает спортсмен на снег?

4. Водолаз  в  жестком  скафандре  может погружаться в море на глубину 250 м. С какой силой действует вода на этой глубине на площадку в 0,05 м 2 ? Плотность морской воды –1030 кг/м3.

5.Кусок мрамора объёмом 0,009 м3 надо поднять со дна озера. Какая для этого потребуется сила, если масса этого куска 300 кг?

Разноуровневые карточки — задания по теме «Давление жидкостей и газов»

Разноуровневые карточки — задания

по теме «Давление жидкостей и газов»

Задания уровня «А»

1. В бутыль, заполненную водой, вставляют пробку, действуя на нее с силой 7,5 Н. Чему равно давление, передаваемое водой на дно и стенки бутыли, если площадь сечения пробки 0,013 м2?

2. Определите давление воды на самой большой глубине Тихого океана равной 11 035 м.

3. Каково давление вертикального столбика ртути высотой 760 мм?

4. Аквалангисты достигают глубины 40 м. Каково давление морской воды на этой глубине?

5. Какова сила давления на каждый квадратный дециметр поверхности тела водолаза, находящегося на глубине 100 м?

6. Б. Паскаль установил в г. Руане водяной барометр. Какой высоты столб воды в этом барометре при нормальном атмосферном давлении?

7. Определите давление и силу давления керосина на дно бака площадью 4,5 дм , если бак наполнен до высоты 25 см.

8. Чему равно давление на дно разливочного ковша, если высота уровня расплавленного металла в нем 56 см, а плотность металла 7200 кг/м ?

9. Какая сила давления воздуха сжимает в опыте О. Герике «магдебургские полушария», из которых выкачан воздух, если площадь поверхности полушарий 1500 см ? Атмосферное давление нормальное.

10. Вычислите давление воды на стенку плотины на глубине 2,5 м; 5 м.

11. Какова сила давления воздуха на поверхность стола, длина которого 1,5 м, ширина 80 см, если атмосферное давление 760 мм рт. ст.?

12. Давление, развиваемое насосом водонапорной башни, равно 500 кПа. На какую высоту сможет поднимать воду такой насос?

13. Какой высоты столбик спирта производит такое же давление, как и столбик бензина, высотой 16 см?

14. Бак наполнен бензином до высоты 20 см. Определите силу давления на дно бака площадью 4 дм . 56

15. Плоскодонная баржа получила пробоину в дне площадью 200 см». С какой силой нужно давить на пластырь, которым закрывают отверстие, чтобы сдержать напор воды на глубине 1,8 м?

16. В аквариум высотой 32 см, длиной 50 см и шириной 20 см налита вода, уровень которой ниже края на 2 см. Рассчитайте давление на дно и вес воды.

17. Рассчитайте силу давления атмосферы на крышу дома площадью 100 м . Атмосферное давление нормальное.

18. Рассчитайте, на какую высоту нужно подняться, чтобы показание барометра уменьшилось на 50 мм рт. ст.?

19. В баке с керосином имеется боковое отверстие площадью 5 см . Расстояние от центра отверстия до уровня жидкости 1,2 м. Вычислите силу давления на пробку, закрывающую отверстие.

20. Высота Москвы над уровнем моря 140 м. Определи- те, каково атмосферное давление в Москве, когда на уровне моря давление 760 мм рт. ст.?

Задания уровня «В»

1. Какова сила давления на каждый квадратный метр подводной лодки при погружении на глубину 400 м в морскую воду?

2. В гидравлической машине площади поршней равны 20 см и 200 см . На малый поршень поставили гирю массой 2 кг. Какую гирю нужно поставить на большой поршень, чтобы давления на поршни были одинаковыми?

3. Окраску подводной части судна при помощи краскораспылителя водолаз производит под водой. Определите, под каким давлением должна подаваться краска в распылитель, если работа производится на глубине 2,5 м.

4. Высота бака водонапорной башни составляет 50 м. Каково давление в водонапорном кране на последнем этаже пяти- этажного дома, если высоту одного этажа принять равной 3,5 м? 57

5. В цилиндрический сосуд с водой введен поршень, площадь которого 36 см . В поршне проделано отверстие в 100 мм . Какая сила выталкивает струю из этого отверстия, если сила давления поршня на воду 70 Н?

6. Рассчитайте, какой высоте столбика ртути в жидкостном барометре соответствует давление в 100 кПа?

7. Чему равна сила давления атмосферного воздуха на крышку стола длиной 4 м и шириной 1 м, если атмосферное давление равно 740 мм рт. ст.?

8. За поршнем насоса вода поднимается на высоту 10,3 м. На какую высоту поднимается за поршнем нефть?

9. Рассчитайте, какое давление испытывают стенки газового баллона, если манометр, присоединенный к баллону, показывает 15 МПа.?

10. Какова высота горы, если на ее вершине барометр показывает атмосферное давление 670 мм рт. ст.?

11. На какой высоте летит самолет, если показание барометра на его борту равно 674 мм рт. ст., а на поверхности земли 756 мм. рт. ст.?

12. В горизонтальную трубку с водой вводят поршень (рис. 16). С другого конца трубки имеется отверстие в 10 мм . Какой силой выталкивается струя воды из отверстия, если сечение поршня 25 см и на него действует сила в 10 Н?

13. Вычислите давление нефти на дно бака, если согласно показанию нефтемерного стекла Задания уровня нефти находится на высоте 10 м от дна. Чему равна общая сила давления нефти на дно бака, площадь которого равна 300 м ? 58

14. На какую высоту можно подать воду при помощи насоса, действуя, с силой в 600 Н на поршень, площадью в 120 см ?

15. Высота столба керосина в сосуде 10 см. Какой должна быть высота столба воды, налитой в сосуд вместо керосина, чтобы давление на дно осталось прежним?

16. Площадь поршней в гидравлической машине 29,4 см и 1,4 см2. Чему равна сила давления на малый поршень, если на большой действует сила 6300 Н?

17. Площадь дна кастрюли равна 1300 см2. Определите, на сколько увеличится давление кастрюли на стол, если в нее налить воду объемом 3,9 л.

18. Определите глубину погружения батискафа, если на его иллюминатор площадью 0,12 м2, давит вода с силой 1,9 МН.

19. Какой высоты столбик воды производит такое же давление, как и столбик ртути высотой 1 см?

20. Чему равно давление (с учетом атмосферного) при погружении под воду на глубину 10 м? Атмосферное давление нормальное.

Задания уровня «С»

1. Манометр, установленный на подводной лодке для измерения давления воды, показывает 250 Н/см . Какова глубина погружения лодки? С какой силой давит вода на крышку люка площадью 0,45 м ? 2. Определите силу давления на дно бутылки с серной кислотой, если площадь дна 543 см , а высота уровня 50 см?

3. В гидравлической машине на малый поршень действует сила 120 Н, а на больший поршень 1220 Н. Площадь большего поршня 488 см2. Какова площадь малого поршня?

4. На какой высоте находится вода в водонапорной водопроводной башне, если манометр, установленный у основания башни показывает 280 кПа? 59

5. На поршень ручного насоса площадью 4 см действует сила 30 Н. С какой силой давит воздух на внутреннюю поверхность велосипедной камеры площадью 20 дм ?

6. Бак объемом 1 м , имеющий форму куба, заполнен нефтью. Чему равна сила давления нефти на дно бака?

7. Площадь поверхности грудной клетки у человека 600 см . Определите силу давления на грудную клетку, когда аквалангист стоит на берегу моря и, когда он погрузился под воду на глубину 20 м. Атмосферное давление нормальное.

8. Два сообщающихся сосуда наполнены водой, площадью поперечного сечения узкого сосуда в 12 раз меньше, чем широкого. На поршень А поставили гирю массой 500 г (рис. 17). Какой массы груз надо положить на поршень В, чтобы давления, действующие на поверхность воды в обоих сосудах, стали равными?

9. До начала XX в. у здания Московского университета находился чашечный барометр, наполненный минеральным маслом (р = 850 кг/м ). Какой высоты был столб масла в таком барометре при нормальном атмосферном давлении?

10. Бак имеет форму куба со стороной 20 см. Какой жидкостью заполнен бак, если средняя сила давления на его боковую стенку равна 32 Н?

11. Горизонтально расположенная наполненная водой трубка (рис. 18) имеет в своей широкой части площадь по- перечного сечения 1 дм2, а в узкой 10 см . С какой силой надо действовать на малый поршень А, чтобы уравновесить силу в 100 Н, действующую на больший поршень?

12. Почему водолазы могут дышать под водой только таким воздухом, давление которого равно внешнему давлению? Под каким давлением нужно подавать воздух водолазу при погружении на глубину 10 м; 40 м? Одинаково ли это давление при погружении в пресную и морскую воду?

13. Ртуть и вода налиты в цилиндрический сосуд в равных по массе количествах. Общая высота двух слоев жидкости равна 29,2 см. Рассчитайте давление на дно этого сосуда.

14. В шприце при надавливании на поршень жидкость выталкивается наружу через тонкую иглу с узким каналом. Под действием какой силы выталкивается жидкость из иглы, если на поршень действует сила 2 Н? Площадь поршня и сечение канала в игле соответственно равны 1 см и 0,1 мм2.

15. В левом колене сообщающихся сосудов налит керосин, в правом — вода. Высота столба воды 4 см. Определите, на сколько уровень керосина в левом колене выше верхнего уровня воды.

16. В сосуд высотой 40 см налиты ртуть и вода. Определите давление, которое оказывают жидкости на дно сосуда, если их объемы равны.

17. Высота столба ртути, уравновешивающего атмосферное давление, равна 760 мм. Во сколько раз высота столба воды, уравновешивающего это же давление, будет больше?

18. В сообщающиеся сосуды налита ртуть. В одно из колен доливается вода. Какой высоты должен быть столбик воды, чтобы уровень ртути в другом колене поднялся на 2 см?

19. В стеклянном сосуде находятся один над другим три слоя несмешивающихся жидкостей: воды, минерального масла и ртути. Высота каждого слоя 5 см. Определите давление на глубине 7,5 см. Чему равно общее давление на дно сосуда?

20. В сообщающиеся сосуды налита вода (рис. 19). Высота столба жидкости в обоих коленах от уровня АВ равна 13,6 см. Сохранится ли равновесие жидкости в трубке, если в левом колене вместо столбика воды будет находиться столбик ртути такой же высоты? Какую высоту должен бы иметь столбик ртути в левом колене, чтобы равновесие не нарушалось?

Что мешает человеку проникнуть на глубину


   

Ткани человеческого организма построены из мельчайших клеток, которые заполнены жидкостью, на 80% состоящей из воды. При давлении, соответствующем глубинам, доступным для водолаза в мягком скафандре, вода, а следовательно и клетки тела, практически несжимаемы. Кстати, выражение «давление, соответствующее глубине», не случайно.

Известно, что давление даже на земле (например, давление, развиваемое насосом) измеряется в метрах водяного столба, причем с достаточной точностью можно считать, что давление, которое создает столб воды высотой 10 м, равно давлению в одну атмосферу — 1 атм. При погружении человека под воду на него, кроме воды, будет давить и атмосфера, т. е. воздух, давление которого равно 1 атм. Таким образом, абсолютное давление под водой на глубине 10 м будет равно 2 атм, на глубине 20 м — 3 атм и т. д.

Благодаря малой сжимаемости жидкости механическое действие давления воды на ткани человеческого тела не так уж опасно. Установлено, что механическое давление воды может привести к расстройству жизнедеятельности клеток организма человека только при давлениях порядка 300—400 атм, что соответствует погружению на глубины 3—4 км.

В самом деле, рыбы и другие животные встречаются на всех глубинах Мирового океана. Правда, это особые глубоководные животные, рождающиеся на этих глубинах, но их организмы также состоят из клеток, сходных с клетками наземных животных. Американец Вильям Биби, опустившийся в батисфере на 923 м, видел на этой глубине обыкновенного кита; французы Гуо и Вильм на глубине 4000 м обнаружили белоглазых акул, а Жак Пикар и Дон Уолш на глубине 10919 м видели креветку и рыбу.

Но если для человека не опасно давление, сжимающее части тела, не имеющие пустот (например, конечности), то сжатие полостей, заполненных газами или воздухом, может привести
к самым неприятным последствиям. При площади подвижной части грудной клетки и живота, равной у человека среднего роста 3000 см2, уже на глубине 1 м эти органы подвергаются давлению 3300 кг. При этом не следует забывать, что нормально, на поверхности, на эти органы уже действует нагрузка 3000 кг (которую, кстати, мы совершенно не ощущаем).

Для уравновешивания этой сжимающей внешней силы в легкие водолаза подается воздух под давлением, равным давлению окружающей среды; благодаря такому выравниванию давлений изнутри и снаружи сжатие будут испытывать только сами стенки грудной клетки.

Хуже обстоит дело при сжатии воздуха, заполняющего среднее ухо и лобные пазухи. При быстром нарастании давления происходит вдавливание барабанных перепонок и может наступить их разрыв. Чтобы избежать этого, водолазу при спуске необходимо делать глотательные движения; при этом сокращаются мышцы, раскрывающие устья евстахиевых труб¹, и происходит выравнивание давления. При работе водолаза на постоянной глубине давление в среднем ухе установится равным наружному. При быстром подъеме, когда барабанные перепонки будут растягиваться в сторону слухового прохода, выравнивание давления достигается тем же способом, что и при погружении.

Вообще, при подъеме водолаза с глубины могут произойти большие неприятности. При быстром подъеме водолаз может заболеть кессонной болезнью. Дело в том, что с увеличением глубины погружения увеличивается весовое количество воздуха,, вдыхаемое водолазом за один вдох. Это следствие закона Бойля — Мариотта, по которому удельный вес газа прямо пропорционален давлению. Одновременно увеличивается растворимость воздуха в крови. Кровь разносит воздух из легких по всему телу, постепенно насыщая все ткани газами в большем количестве, чем при атмосферном давлении. Степень такого насыщения тканей газами зависит от глубины спуска, от времени пребывания под водой и от характера работы водолаза; различные ткани человеческого организма насыщаются газами неодинаково.

При подъеме водолаза происходит выделение избыточного воздуха
через легкие. При быстром подъеме пузырьки воздуха, состоящие, главным образом,
из азота (примесь кислорода и углекислоты незначительна), выделяются прямо в
крови²; крупные пузырьки могут закупорить кровеносные сосуды и нарушить кровообращение отдельных частей организма. Кроме того, увеличение общего объема крови вследствие насыщения ее газовыми пузырьками может вызвать в разных частях тела растяжение и разрыв мелких кровеносных сосудов. Симптомы кессонной болезни таковы: головокружение, боли в суставах и мышцах, кожный зуд. В тяжелых случаях могут наступать параличи отдельных органов.

Но оказывается, что кессонную болезнь можно предупредить: чтобы выделение азота из крови не было столь бурным, подъем водолаза следует производить с остановками. Продолжительность и глубины остановок определяют по специальным таблицам.

Следует напомнить, что киты тоже дышат атмосферным воздухом; ныряя, они быстро меняют глубину и, конечно, не делают остановок для декомпрессии, т. е. выхода из крови сжатого воздуха. Однако киты не болеют кессонной болезнью. Объясняется это тем, что киты под водой не вдыхают сжатый воздух, а пользуются запасом воздуха в легких, который они вдохнули на поверхности; их кровь и ткани не перенасыщаются воздухом, а следовательно, отсутствует и причина, вызывающая кессонную болезнь.

Вредное действие азота не ограничивается кессонной болезнью. При спуске водолаза, начиная с глубин 30—50 м, азот вызывает опьянение³. Доказано, что азот при повышенном давлении является наркотиком. Изобретатель акваланга француз Кусто пишет, что уже с глубины 30 м у него наблюдается головокружение, после которого наступает необыкновенный подъем духа, когда все препятствия кажутся легко преодолимыми. Затем наступает вялость и сонливость. У некоторых людей азотное опьянение вызывает обморочное состояние и может привести к гибели.

Чтобы избавиться от вредных последствий вдыхания азота, казалось бы, следовало исключить его из состава воздуха, подаваемого водолазу, т. е. подавать чистый кислород, действительно необходимый для дыхания. Но, оказывается, организм человека не приспособлен к длительному вдыханию чистого кислорода. Продолжительное вдыхание чистого кислорода даже при атмосферном давлении может вызвать заболевание воспалением легких. При абсолютном же давлении 3 атм кислород ядовит. У водолаза, пользующегося кислородным прибором, при спуске на глубину более 20 м могут возникнуть судороги.

Все перечисленные препятствия к достижению больших глубин при достаточной тренировке, хорошем здоровье и соблюдении правил спуска и подъема в какой-то мере преодолимы. По жалуй, самым серьезным препятствием следует считать трудность газообмена в легких при дыхании газовыми смесями, сжатыми под большим давлением. Так, при глубине погружения 150 м удельный вес воздуха в 16 раз больше атмосферного. При такой плотности воздух с большим трудом протекает через узкие легочные пути. Пожалуй, выражение «нужен, как воздух», уже не подходит для водолазов, работающих на больших глубинах, где нужна газовая смесь, не имеющая тех свойств воздуха, которые вредно действуют на организм водолаза.

В годы второй мировой войны было применено оборудование, позволяющее водолазу опускаться в мягком скафандре на глубину до 180 м. Достижению такой глубины способствовало, главным образом, применение для дыхания гелиево-кислородных смесей. В этих смесях гелий заменяет азот воздуха. Гелий — нейтральный газ без цвета, запаха и вкуса. Благодаря тому, что гелий диффундирует быстрее и менее растворим в крови, он более приемлем для дыхания и вызывает меньше осложнений при подъеме водолаза, хотя не избавляет от опасности кессонной болезни.

Нужно отметить, что гелием разбавляют кислород для того, чтобы понизить его парциальное давление (парциальное давление газа равно произведению давления смеси на процентное содержание газа в смеси). Как уже упоминалось, кислород при абсолютном давлении свыше 3 атм ядовит, поэтому процентное содержание кислорода в гелиево-кислородной смеси должно быть таким, чтобы его парциальное давление не превышало опасного предела. Это значит, что, например, на глубине 200 м нужно применять гелиево-кислородную смесь с 15 %-ным содержанием кислорода; с уменьшением глубины погружения содержание кислорода можно увеличивать.

Очень интересные опыты по глубоководным погружениям производит швейцарский математик Ганс Келлер. Он не только совершил необычное погружение в легководолазном снаряжении, перешагнув 200-метровый порог глубины, долгое время считавшийся предельным для человека, но и сломал все каноны, предписывающие длительные остановки при подъеме.

Как это удалось сделать? На этот вопрос очень трудно ответить. Те скудные сведения, которые просочились в печать, лишь в некоторой степени приподнимают завесу над тайной Келлера.

Для устранения глубинного опьянения, причиной которого, по мнению Келлера, является отравление организма углекислым
газом, водолаз должен вдыхать газовую смесь, образующую с углекислым газом безвредное соединение. В течение двух лет Ганс Келлер разрабатывал свою таблицу быстрого подъема (при этом было обработано около 250000 цифр), устанавливающую зависимость между скоростью подъема, глубиной погружения и химическим составом газовой смеси для дыхания.

Гораздо больше подробностей известно о результатах его опытов. И строгая засекреченность существа изобретения и широкая реклама самих погружений Келлера служат одной цели — исключив возможность конкуренции, как можно выгоднее продать секрет. Таковы звериные законы капиталистического мира, рабом которого остается Келлер. Вместе с тем нельзя не восхищаться его смелостью и точностью расчетов. Несомненно, что со временем его секрет станет широко известным, и человечество получит новое, совершенное средство для победы над глубинами.

Впервые имя Келлера появилось в печати в 1958 г. Тогда на Женевском озере он погрузился на глубину 96 м, причем подъем с этой глубины занял всего 28 минут.

23 августа 1960 г. на озере Лаго-Маджоре он погрузился в изобретенном им аппарате на глубину 155 м и всплыл всего за 45 минут (вместо 7 часов по существующим правилам). По сообщениям печати, его аппарат представлял собой простейший водолазный колокол из 200-литровой бензиновой бочки. Колокол был снабжен четырьмя баллонами с секретной газовой смесью.

Келлер одет в обычный водолазный костюм; без сомнения, при погружении давление. внутри колокола всегда остается равным наружному давлению воды, значит дело не в колоколе и не в костюме, а в том, что Келлер сумел найти особую газовую смесь, победившую глубинное опьянение и кессонную болезнь. Подтверждением чудесных свойств этой газовой смеси является «погружение» 25 апреля 1961 г., проделанное Келлером на поверхности (в декомпрессионной камере). За короткое время давление в камере было поднято до 30 атм, что соответствует глубине погружения 300 м. После выхода из камеры Келлер заявил о своем намерении погрузиться в море вначале на 250 м, а затем на 350 м\ Он уверен, что его газовая смесь позволит человеку опускаться даже на 1000 м\..

Затем последовал (29 июня 1961 г.) спуск на том же озере на глубину 222 м. Спуск занял 7 минут, а подъем около 60. Этот спуск Келлер совершил вместе с американцем, корреспондентом журнала «Лайф» Кеннетом Меклишем. Поэтому, естественно, пришлось познакомить Меклиша с некоторыми тайнами. Он узнал, что в начале и в конце спуска водолазам подается чистый
кислород; ниже 17 м. водолазы вдыхают последовательно три газовые смеси, содержание кислорода в которых уменьшается с глубиной. Одна из смесей Келлера содержит 95% азота и только 5% кислорода.

Келлер добился своего: благодаря рекламе «Лайфа» его изобретением заинтересовались в США.

В декабре 1962 г. Келлер объявил о своем намерении погрузиться в Калифорнийском заливе на глубину 1000 футов (302 м). В этом рекордном погружении принял участие 35-летний англичанин Смолл, известный подводный спортсмен и журналист. Спуск, как и все предыдущие, производился в стальном цилиндре, снизу открытом для воды (аппарат этот был назван «Атлантис»). Согласно программе, по достижении заданной глубины водолазы должны были выйти из аппарата и укрепить на дне швейцарский и американский флаги.

Однако на этот раз события развивались не по программе и приняли трагический оборот. Американский морской офицер, наблюдавший за спуском по телевизору, заметил, что один из водолазов, выйдя из аппарата, неожиданно выбросил флаги и быстро вернулся в него. Тотчас же была дана команда о подъеме на сравнительно безопасную глубину — 60 м. Через 17 минут эта глубина была достигнута. На поверхности воды появились большие пузыри; это показывало, что, видимо, герметичность аппарата была нарушена. Телефон молчал. На помощь Келлеру и его спутнику нырнули двое опытных пловцов. Достигнув аппарата, они обнаружили, что его крышка закрыта неплотно из-за попавшего под нее резинового ласта. Ласт удалось протолкнуть внутрь аппарата ножом, после чего крышка закрылась и утечка газа прекратилась. Но из двух нырнувших на помощь пловцов на поверхность всплыл только один: по неизвестным причинам погиб Крис Уиттекер — 22-летний лондонский студент.

Когда через 20 минут аппарат был поднят на борт судна, Келлер и Смолл были без сознания. Келлер скоро пришел в себя
и, ко всеобщему изумлению, первым делом выпустил секретную газовую смесь из баллонов. Тем временем Смоллу становилось все хуже. На морской станции Лонг-Бич его ждала карета скорой помощи, однако помощь береговых врачей Смоллу не потребовалась— он был мертв.

Последнее погружение в аппарате Келлера стоило двух человеческих жизней. Этому немало способствовали атмосфера секретности и рекламная шумиха при нарочитой примитивности водолазного оборудования. Знания и опыт помогли самому Келлеру выжить.

Таким образом, с развитием техники водолазного дела увеличивается глубина погружения даже в мягком скафандре. В этом заслуга не только инженеров и самих водолазов, но и ученых-физиологов. Недаром в опытах Келлера принимал участие профессор физиологии Альберт Бюльман.

 

1 — Евстахиева труба — узкий канал, соединяющий носоглотку со средним ухом.

2 — Это явление по характеру можно сравнить с выделением газов при открывании бутылок с шипучими напитками, например, шампанским.

3 — Строгой границы азотного опьянения нет. Существует индивидуальная выносливость к токсическому действию азота.

2.


Более

Филип П.
ответил • 03.02.18

Эффективный и терпеливый репетитор по математике

Формула давления:

P = h · ρ · g

  • P = давление
  • h = глубина = 50 м
  • ρ = плотность = 1000 кг / м 3
  • g = ускорение свободного падения = 10 м / с 2

Подставьте числа и вычислите ответ.

Все еще ищете помощь? Получите правильный ответ быстро.

ИЛИ

Найдите онлайн-репетитора сейчас

Выберите эксперта и познакомьтесь онлайн.
Никаких пакетов или подписок, платите только за необходимое время.


¢

£
¥

µ
·

§

SS


«
»
< >




¯

¤
¦
¨
¡
¿
ˆ
˜
°

±
÷

×
ƒ















¬







*


´
¸
ª
º


А
Á
Â
Ã
Ä
Å
Æ
Ç
È
É
Ê
Ë
Я
Я
Я
Я
Ð
Ñ
Ò
Ó
Ô
Õ
Ö
Ø
Œ
Š
Ù
Ú
Û
Ü
Ý
Ÿ
Þ
à
á
â
ã
ä
å
æ
ç
è
é
ê
ë
я
я
я
я
ð
ñ
ò
ó
ô
х
ö
ø
œ
š
ù
ú
û
ü
ý
þ
ÿ
Α
Β
Γ
Δ
Ε
Ζ
Η
Θ
Ι
Κ
Λ
Μ
Ν
Ξ
Ο
Π
Ρ
Σ
Τ
Υ
Φ
Χ
Ψ
Ω
α
β
γ
δ
ε
ζ
η
θ
ι
κ
λ
μ
ν
ξ
ο
π
ρ
ς
σ
τ
υ
φ
χ
ψ
ω

ϖ

ϒ





























Влияние давления и глубины

В этой статье мы начнем рассматривать физику фридайвинга: давление и глубину, принципы, лежащие в основе того, что происходит с нашим телом при спуске, и как это влияет на наш фридайвинг.

Основы физики фридайвинга — Работа с давлением

Когда вы занимаетесь фридайвингом, даже на глубину нескольких метров, ваше тело подвергается давлению. Эти нагрузки намного сильнее, чем те, которые мы обычно испытываем в повседневной жизни, и без понимания того, как они влияют на организм и как с ними бороться, могут возникнуть серьезные травмы.

На уровне моря давление окружающего нас воздуха равно 1 бар, что иногда называют 1 атмосферой.Погрузитесь на глубину всего 10 метров, и это давление удвоится — поскольку вода намного плотнее воздуха, она оказывает на ваше тело гораздо большую сжимающую силу.

На каждые дополнительные 10 метров глубже, чем вы ныряете, давление на ваше тело увеличивается на 1 бар. Как видно из приведенной ниже таблицы, наши тела подвергаются давлению 3 бара или атмосферы на глубине 20 метров и 4 бара / атм на глубине 30 метров.

Глубина Бар / атмосферы (ATM) давления Объем воздуха в наших телах
0 метров (поверхность) 1 1
10 метров 2 1/2
20 метров 3 1/3
30 метров 4 1/4

Итак, зачем нам это знать?

Закон Бойля и фридайвинг

Из приведенной выше таблицы видно, что увеличение давления вызывает уменьшение объема воздушных пространств в нашем теле.Это известно как закон Бойля, который гласит, что «если температура остается постоянной, объем газа обратно пропорционален абсолютному давлению». Проще говоря, чем глубже вы погружаетесь, тем меньше объем воздуха в вашем теле.

Это становится очевидным сразу при снижении, обычно по ощущению давления в ушах, как если бы вы приземлились в самолете. При фридайвинге в маске необходимо уравнять четыре воздушных пространства: уши, маска, носовые пазухи и легкие.Если вы достаточно гибки или не ныряете очень глубоко, ваши легкие просто уменьшаются в объеме по мере того, как вы опускаетесь. Поэтому обычно вам нужно только выровнять давление в ушах, носовых пазухах и маске.

К тому времени, когда вы спуститесь на 10 метров, объем воздуха в вашей маске и ушах уменьшится на 50%, поэтому очень важно часто выравнивать эти пространства, иначе вы рискуете перфорировать или разорвать барабанные перепонки или разорвать капилляры в ваших глазных яблоках. . Как уравнять, будет рассмотрено в следующей статье.

Это уменьшение объема наших воздушных пространств также влияет на нашу плавучесть. Принцип Архимеда гласит, что

«восходящая выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в жидкость, полностью или частично погруженную в воду, равна весу жидкости, которую вытесняет тело».

На практике это означает, что по мере уменьшения объема воздуха внутри нашего тела и маски мы теряем плавучесть.

Это важно с точки зрения взвешивания и безопасности.Взвешивание для фридайвинга будет рассмотрено в отдельной статье, однако вам нужно знать, что вы должны иметь положительную плавучесть на поверхности и на глубине не менее 10 метров. Это связано с тем, что во время последней фазы вашего погружения, когда ваши запасы минимальны, вы не хотите изо всех сил возвращаться на поверхность.

Кроме того, наибольший риск отключения электроэнергии на мелководье возникает в последние 10 метров, поскольку объем воздуха в легких увеличивается на 100%, вытягивая кислород из кровотока.Если вы потеряли сознание, вам нужно сохранять жизнерадостность, чтобы вашему приятелю было легче вас спасти.

Закон Генри и фридайвинг

Как мы видели, когда вы погружаетесь во время погружения, повышенное давление вызывает уменьшение объема воздуха в легких. Но когда это происходит, парциальное давление воздуха в легких увеличивается. Это означает, что в наших легких концентрация кислорода и других газов выше, чем в крови. Это объясняется в другом законе — Законе Генри:

.

«При постоянной температуре количество данного газа, которое растворяется в данном типе и объеме жидкости, прямо пропорционально парциальному давлению этого газа, находящегося в равновесии с этой жидкостью.”

Диффузия — это движение молекул газа из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией до тех пор, пока они не станут равными. Это означает, что чем глубже вы погружаетесь, тем больше кислорода растворяется в вашей крови. Затем, когда вы поднимаетесь, объем воздуха в легких увеличивается, кислород выходит из крови обратно в легкие.

Поскольку наибольшие перепады давления происходят между поверхностью и глубиной 10 м, именно здесь пропорционально больше кислорода выходит из крови.Следовательно, именно поэтому вы подвергаетесь наибольшему риску потери сознания, особенно когда у вас уже заканчивается кислород в конце погружения.

Азотный наркоз и фридайвинг

При погружении в крови становится больше не только кислорода. По мере того, как вы спускаетесь, парциальное давление азота в легких также увеличивается. Азот является причиной декомпрессионной болезни, или ДКБ, о которой будет рассказано в другой статье, но он также вызывает так называемый азотный наркоз.Иногда это называют «восторгом бездны» или «навязчивостью». Эффект может проявиться на глубине до 30 м и нарушить ваши умственные функции и вызвать перепады настроения.

Азотный наркоз часто сравнивают с пьянством, которое может быть как приятным, так и неприятным. Известно, что фридайверов на глубине отвлекает красивая рыба или видение русалки, или их беспокоят негативные мысли. И то, и другое может быть фатальным, поскольку мешает фридайверу принимать безопасные и рациональные решения.

Наркоз замедляет мыслительные процессы фридайвера и может полностью изменить его взгляд на ситуацию до такой степени, что он ныряет глубже под впечатлением, что движется к поверхности. Это также негативно влияет на физическую координацию и контроль температуры, заставляя фридайвера чувствовать себя теплее, чем на самом деле, что увеличивает риск переохлаждения.

Наркоз действует на каждого дайвера по-разному и на разной глубине. Фридайверы сообщают, что эффекты наркоза проявляются раньше или становятся более выраженными в холодной или темной воде и если они находятся в плохом настроении до погружения.Самая важная вещь (как и во всем, что связано с фридайвингом) — всегда погружаться в хорошей форме, в хорошем настроении, с установленными системами безопасности и только постепенно увеличивать глубину.

Почему эффект от подводного плавания с аквалангом отличается от фридайвинга?

Азотный наркоз повлияет на фридайверов так же, как и на аквалангистов, поскольку парциальное давление азота в легких будет таким же, если аквалангист или фридайвер погрузились на ту же глубину. Однако закон Бойля и закон Генри не влияют на аквалангистов так, как они имеют постоянный приток воздуха.

Поскольку воздушные пространства уменьшаются при спуске с аквалангом, у них есть постоянный и готовый запас воздуха для выравнивания, и поэтому они не ограничиваются воздухом в легких. Объем воздуха в легких также остается постоянным, поэтому они должны использовать устройство контроля плавучести (BCD) и техники дыхания, чтобы контролировать свою плавучесть, в то время как фридайвер проходит точку нейтральной плавучести и затем тонет.

Однако аквалангисты должны непрерывно выдыхать во время подъема после погружения.В противном случае воздух, которым они дышали на глубине, расширялся бы в их легких по мере их подъема, вызывая травмы расширения легких и риск смерти.

Закон Генри не действует на аквалангистов так же, как на фридайверов, потому что у них есть постоянный запас кислорода для своих нужд. Однако из-за того, что их тело поглощает большее количество азота из-за вдыхания сжатого воздуха на глубине, аквалангисты подвергаются большему риску заболеть декомпрессионной болезнью.

Напомним: увеличенная глубина в воде означает увеличение давления, уменьшение объема воздушных пространств в вашем теле, уменьшение плавучести и увеличение количества кислорода и азота в крови.Это означает, что фридайверам необходимо:

  • Уравнять давление в своих воздушных пространствах
  • Отрегулируйте их вес, чтобы они оставались плавучими на последних этапах погружения
  • Увеличивайте глубину постепенно и безопасно для борьбы с последствиями низкого уровня кислорода в конце погружения и повышенным риском наркоза

В следующих статьях мы рассмотрим безопасность фридайвинга и минимизацию рисков.

Продолжайте читать больше от DeeperBlue.com Руководство по фридайвингу для начинающих.

Законы о подводном плавании с аквалангом и газе

Полли Дорнетт
Разработчик продукта и бывший инструктор по подводному плаванию

Студенты часто увлекаются экстремальными видами спорта, такими как подводное плавание с аквалангом (автономный подводный дыхательный аппарат). Этот интерес можно использовать, чтобы преподать увлекательный урок о законах газа и их важности для подводного плавания с аквалангом. Примечание: Подводное плавание с аквалангом — это вид спорта, который сопряжен со многими опасностями и требует специальной подготовки и оборудования.Не пытайтесь заниматься дайвингом без надлежащей подготовки и сертификации.

© Дж. Роберт Патрик

Основы подводного плавания с аквалангом

Сухой воздух, которым мы дышим каждый день, состоит из 21% кислорода, 78% азота и <1% других газов. Его среднее давление на уровне моря составляет 1 атм (14,7 фунтов на квадратный дюйм). Для акваланга этот воздух сжимается в цилиндр или «резервуар» для акваланга. Баки для акваланга могут быть стальными или алюминиевыми; У каждого из этих материалов есть свои плюсы и минусы, которые влияют на решение дайвера, какой тип использовать.

Сжатый воздух в баллоне подводится к водолазу через регулятор, который снижает давление в баллоне до уровня давления окружающей среды. На поверхности давление окружающей среды составляет 1 атм, и оно увеличивается на 1 атм на каждые 10 м глубины, через которые ныряльщик спускается. Примечание: Другие газовые смеси, такие как нитрокс (смесь кислорода / азота с большим количеством кислорода, чем воздух), гелиокс (смесь гелия и кислорода) и тримикс (смесь кислорода, азота и гелия) или даже чистый кислород также используется для технического дайвинга, но эти смеси выходят за рамки данного обсуждения.

Закон Бойля:

P 1 V 1 = P 2 V 2

Основное правило подводного плавания с аквалангом — «никогда не задерживать дыхание». Взгляд на закон Бойля объясняет, почему существует это правило. Когда дайвер вдыхает воздух из баллона с аквалангом, воздух, поступающий в легкие дайвера, находится под атмосферным давлением. Если дайвер вдохнет из баллона на поверхности, давление в ее легких составит 1 атм. Если она вдыхает воздух из своего баллона на глубине 30 м (~ 99 футов), давление в ее легких будет 4 атм (30 м / 10 м / атм = 3 атм от воды плюс 1 атм от воздуха на глубине). поверхность = 4 атм).Предполагая, что объем легких дайвера равен 1 л, мы можем заполнить левую часть уравнения для закона Бойля. Если у дайвера на 30 м имеется 1 л ( V 1 ) воздуха под давлением 4 атм ( P 1 ) в легких и он поднимается на поверхность ( P 2 ), а задерживая дыхание, применимо следующее уравнение:

4 атм × 1 L = 1 атм × В 2

Решая для V 2 , мы видим, что объем легких дайвера увеличится в 4 раза по сравнению с обычным объемом.Это увеличение приведет к серьезному повреждению легких, которое может быть фатальным. Увеличение объема с уменьшением давления также можно увидеть в пузырьках газа, выдыхаемых водолазом, когда он поднимается на поверхность. Пузырьки выдыхаемого воздуха маленькие по глубине и увеличиваются в размерах по мере продвижения к поверхности. Смотрите фото.

© Джон Симон

Проработав этот пример, студенты часто спрашивают, почему фридайверы могут нырять на такие экстремальные глубины. Фри-дайверы наполняют легкие на поверхности воздухом при атмосферном давлении ( P 1 ), а затем спускаются, задерживая дыхание.Изменение давления оказывает противоположное влияние на объем легких. У фридайвера, ныряющего на глубину 30 м, легкие сжались бы до от их первоначального объема, который можно определить с помощью следующего уравнения:

1 атм × 1 L = 4 атм × В 2

Инструкторы по подводному плаванию иногда демонстрируют этот принцип своим ученикам, принося при погружении чашку с пеной. По мере того, как давление увеличивается с глубиной, пузырьки газа, захваченные пеной, уменьшаются в объеме, сжимая чашу.

Закон Бойля также влияет на количество воздуха, расходуемого из баллона с каждым вдохом. На высоте 10 м (2 атм) вдыхается вдвое больше молекул кислорода и азота с каждым вдохом. Более глубокие погружения требуют более тщательного контроля за запасом воздуха у дайвера, потому что дайвер использует его быстрее. Еще один вопрос, который студенты часто задают в этой дискуссии: «Как эти изменения давления влияют на баллон для акваланга?» Поскольку резервуар является жестким контейнером, его объем не изменяется с изменением внешнего давления, равно как и газ, который в нем содержится.

Закон Гей-Люссака:

P 1 / T 1 = P 2 / T 2

В подводном плавании с аквалангом наиболее важен закон Гей-Люссака (иногда называемый законом Амонтона о давлении и температуре) в отношении количества пригодного для дыхания воздуха в баллоне. Давление в «пустом» резервуаре низкое (около 500 фунтов на квадратный дюйм), а температура равна температуре окружающей среды. Баллоны для подводного плавания, сделанные из алюминия, обычно имеют номинальное давление наполнения 3000 фунтов на квадратный дюйм.

Акваланг — это жесткий контейнер, поэтому его объем поддерживается постоянным. Когда резервуар наполняется, в резервуар добавляются дополнительные молекулы кислорода и азота, а давление и температура повышаются. Если бак наполняется быстро до 3000 фунтов на квадратный дюйм ( P 1 ), его температура может подняться до 150 ° F (65,6 ° C). Поскольку во всех газовых законах используются абсолютные температуры, эту температуру необходимо преобразовать.

Большинство студентов знают, что они могут преобразовать температуру Цельсия в абсолютную температуру Кельвина, добавив 273.Однако они вряд ли будут знать, что они могут добавить 460 к температуре по Фаренгейту, чтобы преобразовать ее в температуру Ренкина, которая основана на шкале Фаренгейта, но с нулем, представляющим абсолютный ноль. По мере охлаждения резервуара до температуры окружающей среды ( T 2 ) после быстрого заполнения давление газа в резервуаре также будет уменьшаться. Предполагая, что температура окружающей среды составляет 70 ° F (21 ° C), следующие уравнения можно использовать для определения давления при более низкой температуре:

По шкале Кельвина:
T 1 = 65.6 + 273 = 338,6 К
Т 2 = 21 + 273 = 294 К
3000 фунтов на квадратный дюйм / 338,6 K = P 2 /294 K
P 2 = 2604 фунтов на квадратный дюйм

По шкале Ренкина:
T 1 = 150 + 460 = 610 R
T 2 = 70 + 460 = 530 R
3000 фунтов на квадратный дюйм / 610 R = P 2 /530 R
P 2 = 2606 фунтов на квадратный дюйм

Закон Чарльза:

V 1 / T 1 = V 2 / T 2

Закон Чарльза редко имеет отношение к безопасности дайвера; однако последствия этого закона привели к интересному явлению для дайверов, использующих сухие костюмы.Сухой костюм — это водонепроницаемая одежда, которую носят дайверы (обычно поверх теплой одежды), которая согревает дайвера, удерживая слой воздуха между дайвером и костюмом. Сухие костюмы обычно носят при холодном воздухе и / или температуре воды.

Во время погружения дайверы могут добавлять и удалять воздух из своих сухих костюмов с помощью регуляторов. Это позволяет им приспосабливаться к изменениям объемов газа в их костюмах из-за изменений давления во время подъема и спуска. Если температура воздуха ниже, чем температура воды, когда дайверы всплывают в конце погружения, они могут стать «запечатанными вакуумом» в своих костюмах из-за уменьшения объемов газа в их костюмах.Дайверы могут наполнить костюмы воздухом из своих баллонов или расстегнуть молнии в костюмах, чтобы ослабить «сжатие».

Закон Дальтона:

P Итого = P 1 + P 2 + P 3 . . .

Этот закон, также известный как закон парциальных давлений Дальтона, гласит, что полное давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений составляющих ее газов. Как упоминалось ранее, сухой воздух представляет собой смесь, состоящую из 21% кислорода и 78% азота.Оба эти газа могут оказать негативное воздействие на дайвера при высоком давлении. Низкое парциальное давление кислорода также опасно, но является проблемой только для технического дайвинга, что выходит за рамки данного обсуждения.

Кислород может стать токсичным для дайвера, если парциальное давление вдыхаемого кислорода выше 1,6 атм. Симптомы кислородного отравления могут включать изменения зрения, головокружение / головокружение и судороги, которые могут быть проблематичными для дайвера и привести к смерти. Чтобы рассчитать, на какой глубине дайвер может начать испытывать симптомы кислородного отравления при погружении со сжатым воздухом, нам нужно сначала рассчитать, при каком давлении воздуха парциальное давление кислорода будет равно 1.6 атм или больше.

При общем давлении воздуха 1 атм у кислорода будет парциальное давление 0,21 атм. Следовательно, полное давление воздуха будет 7,6 атм (1,6 / 0,21 атм) для парциального давления кислорода 1,6 атм или выше. Помните, что на каждые 10 м глубины давление увеличивается на 1 атм, но давление на поверхности составляет 1 атм, поэтому парциальное давление кислорода в воздухе будет 1,6 атм на высоте 66 м (216 футов).

Азотный наркоз может возникнуть в результате воздействия на дайвера высокого парциального давления азота во время погружения.Симптомы азотного наркоза больше всего напоминают симптомы алкогольного опьянения. Эти симптомы проявляются более постепенно, чем симптомы кислородного отравления, но также усиливаются с глубиной.

Закон Генри

Закон Генри гласит, что концентрация газа, растворенного в жидкости при заданной температуре, прямо пропорциональна парциальному давлению газа над жидкостью. Значение этого закона для подводного плавания с аквалангом состоит в том, что по мере увеличения глубины (и, следовательно, давления) количество газа, растворенного в крови дайвера, также будет увеличиваться.Кислород потребляется физиологическими процессами организма, но азот физиологически инертен. Чем дольше дайвер остается на глубине, тем больше азота растворяется в его крови.

Во время длительных погружений значительное количество азота может растворяться в кровотоке дайвера. Когда водолаз поднимается, парциальное давление азота падает, и в соответствии с законом Генри растворенный азот начинает выходить из раствора. В кровотоке дайвера образуются пузырьки азота, что может привести к декомпрессионной болезни (ДКБ).

Симптомы ДКБ и их тяжесть зависят от того, где в теле дайвера мигрируют пузырьки, и могут варьироваться от болезненности суставов или волдырей под кожей до смерти. Лечение DCS обычно включает несколько сеансов в барокамере с кислородом. Во время обучения дайверов учат оставаться в пределах времени и глубины погружения, чтобы минимизировать риск ДКБ, и медленно подниматься после каждого погружения.

Связанные продукты

Для дальнейшего изучения газового законодательства мы рекомендуем следующие продукты:

Физика скалолазания | HowStuffWorks

Когда вы прыгаете со скалы, вы попадаете в свободное падение, и гравитация — единственная сила, действующая на ваше тело.Вы не сталкиваетесь с сопротивлением от трения о землю, как при беге или катании на лыжах, и испытываете незначительное сопротивление воздуха. Но гравитация — мощная сила. Когда вы падаете, он тянет вас к земле или, в случае ныряния со скалы, к воде со скоростью 32 фута в секунду в секунду (9,8 метра в секунду в секунду). Поскольку время играет важную роль в этой формуле, чем дольше вы проваливаетесь в пространстве, тем быстрее вы летите. Ускорение свободного падения означает, что каждая секунда вашего спуска имеет повышенную скорость по сравнению с предыдущей.

Высокие скалы не ускоряют ваше падение — ускорение постоянно во время свободного падения. Сила тяжести бесконечно уменьшается на больших высотах, но она тянет вас с равной силой с первой секунды вашего прыжка до тех пор, пока вы не замедлитесь при ударе о воду.

Высота, с которой вы прыгаете, влияет на скорость, с которой вы ударяетесь о воду. Если вы прыгнете с 10 футов (3 метров), вы будете двигаться со скоростью 17 миль в час (27 километров в час), когда достигнете воды.Если вы увеличите свой рост до 50 футов (15 метров), вы увеличите скорость удара до 38 миль в час (61 км в час). Это просто вертикальная скорость вашего падения в космосе, скорость, которую вы получаете от действия силы тяжести — если вы добавите немного горизонтальной скорости, ваша скорость удара возрастет. Джон Г. Крамер, профессор физики Вашингтонского университета, объясняет, что с той же высоты «[A] дайвер, который разбегается и развивает значительную скорость движения вперед, ударится о воду с большей чистой скоростью, чем ныряющий дайвер. прямо вниз без отталкивания.»

Затем, когда вы ударяетесь о воду, ваша скорость падает почти мгновенно. Примерно за секунду вы переходите от максимальной скорости к нулю [источник: Кастро].

Продолжайте читать, чтобы узнать о некоторых из самых известных в мире утесов. места для дайвинга

Экзамен по физике PADI — объяснение вопросов по давлению

Вопросы, перемещающиеся между двумя глубинами

Теперь мы рассмотрим вопросы, касающиеся двух разных глубин.До сих пор все сравнивалось с поверхностью.Когда нам задают вопрос, связанный с переходом от одной глубины ко второй. Нам просто нужно дважды проделать трехэтапный процесс с небольшим поворотом.

Есть еще один способ сделать это, я называю его методом первой глубины / второй глубины. Я покажу этот альтернативный метод позже в этой серии, но сейчас, вероятно, лучше всего придерживаться трехэтапного метода, с которым вы уже знакомы.

В этот раз я использую британское написание!

Давайте посмотрим на шаги.

Шаг 1a — Найдите единицу измерения.

· Посмотрите ответы; в конце концов, это множественный выбор.

· Является ли вопрос, требующий ответа, в минутах, фунтах на квадратный дюйм или БАР, литрах?

· Найдите число из вопроса, которое находится в той же единице, и запишите его.

Шаг 2a — Подумайте над вопросом.

· ПРОЙТИ ВТОРОЙ ГЛУБИНЫ ПРЯМО СЕЙЧАС. На этом этапе вы поднимаетесь на поверхность .Это БОЛЬШАЯ разница по сравнению с тем, как вы использовали трехэтапный процесс раньше.

· О чем вопрос? Ожидаете ли вы, что ответ будет более или менее конкретным.

Шаг 3a — Определение давления.

• Просмотрите вопрос и найдите ПЕРВУЮ или, что более важно и правильно, НАЧАЛЬНУЮ глубину (в метрах).

• Используйте таблицу, чтобы найти давление на этой глубине.

• Запишите давление.

Шаг 1b — Возьмите ответ из вышеперечисленных шагов.

Шаг 2b — Подумайте над вопросом еще раз.

· Помните, что в первых трех шагах вы рассчитали, что произойдет на поверхности. Итак, теперь вы собираетесь ВНИЗ на с поверхности .

· О чем вопрос? Вы ожидаете увеличения или уменьшения по сравнению с ПОВЕРХНОСТЬЮ?

· Выберите умножение или деление.

Step3b — Определение давления.

• Просмотрите вопрос и найдите ВТОРОЙ или, что более важно и правильно, КОНЕЧНУЮ глубину (в метрах.)

• Используйте таблицу, чтобы найти давление на этой глубине.

• Запишите давление.

Давление и дайвинг

Давление — это любая сила, приложенная к объекту. Когда вы нажимаете на объект, вы оказываете на него давление. Шины вашего автомобиля остаются прочными благодаря давлению сжатого воздуха, выходящего изнутри. Весы измеряют вес, считывая увеличение давления сверху. Как ныряльщики, мы измеряем давление, чтобы определить, насколько полны наши баллоны и насколько они глубоки.

Давление также является причиной многих травм при нырянии. Сдавливание ушей, чрезмерное расширение легких и декомпрессионная болезнь — вот лишь несколько примеров травм, вызванных изменениями давления. По этой причине важно понимать давление и то, как оно влияет на воздушные пространства.

В этом уроке вы узнаете об атмосферном давлении, давлении под водой и о том, как изменения давления влияют на объем и плотность воздуха.

Атмосферное давление

Вес воздуха над нами оказывает давление, и это называется атмосферным давлением.

Насколько сильно на нас оказывается давление, зависит от высоты. На большой высоте давление меньше всего, потому что над вами меньше воздуха. А на меньших высотах над вами больше воздуха, поэтому давление увеличивается.

В США для измерения давления мы используем фунты на квадратный дюйм (psi). PSI относится к величине давления, оказываемого на 1 квадратный дюйм поверхности.

Атмосферное давление равно весу столба воздуха в 1 квадратный дюйм, простирающегося до самой границы земной атмосферы.На уровне моря эта колонна весит 14,7 фунтов, поэтому атмосферное давление составляет 14,7 фунтов на квадратный дюйм. Чтобы упростить вычисления, используется единица измерения, называемая «атмосфера» или «ата». Давление в 1 атмосферу равно 14,7 фунтов на квадратный дюйм.

Манометрическое давление

Бывают случаи, когда вас беспокоит только давление, превышающее атмосферное. Для этих измерений мы используем манометрическое давление, которое игнорирует атмосферное давление 14,7 фунтов на квадратный дюйм, которое всегда существует на уровне моря.

Ваш погружной манометр — это пример устройства, считывающего манометрическое давление. «Пустой» баллон по-прежнему содержит давление 14,7 фунтов на квадратный дюйм на уровне моря. Но ваш погружной манометр игнорирует это давление 14,7 фунтов на квадратный дюйм и вместо этого показывает «0».

Ваш глубиномер — еще один пример. Как вы узнаете позже в этом уроке, давление, которому вы подвергаетесь во время погружения, представляет собой комбинацию атмосферного давления и давления воды. Ваш глубиномер откалиброван так, чтобы показывать «0» на уровне моря, поэтому атмосферное давление игнорируется и измеряются только изменения давления воды.

Абсолютное давление

Во время погружения и атмосфера, и вода над вами оказывают давление. Комбинация атмосферного давления и давления воды называется абсолютным давлением. А поскольку вода примерно в 800 раз плотнее воздуха, давление изменяется быстрее, чем на суше.

Скорость повышения давления зависит от того, ныряете ли вы в соленой или пресной воде. Поскольку соленая вода имеет большую плотность, чем пресная, давление увеличивается быстрее, когда вы спускаетесь в соленую воду.

Расчет изменений атмосферного давления затруднен, поскольку плотность воздуха уменьшается с увеличением высоты. К счастью для нас, вода не сжимается, как воздух, поэтому давление увеличивается с постоянной скоростью с глубиной.

Абсолютное давление в соленой воде

Столб соленой воды площадью 33 фута квадратного дюйма весит ровно 14,7 фунтов и создает давление в 1 атмосферу. Следовательно, абсолютное давление увеличивается на 1 атмосферу каждые 33 фута.

Как показывает график слева, давление на высоте 0 футов составляет 1 атмосферу.Поскольку 33 фута соленой воды составляют 1 атмосферу, абсолютное давление на 33 футах составляет 2 атмосферы. Давление продолжает увеличиваться на 1 атмосферу каждые 33 фута.

Обычная ошибка, которую делают дайверы при вычислении абсолютного давления, — это забывают о давлении на поверхности в 1 атмосферу. Помните, что абсолютное давление — это комбинация давления воды и воздуха.

Повышение давления в соленой воде

Абсолютное давление пресной воды

Пресная вода менее плотная, чем соленая, поэтому скорость увеличения давления немного отличается.Давление увеличивается на 1 атмосферу каждые 34 фута, по сравнению с 33 футами для соленой воды.

Как показано на графике слева, давление на глубине 34 футов пресной воды составляет 2 атмосферы, 3 атмосферы на высоте 68 футов и 4 атмосферы на высоте 102 футов. Давление продолжает увеличиваться на 1 атмосферу каждые 34 фута.

Повышение давления в пресной воде

Закон Бойля

Объем воздушного пространства изменяется при изменении давления вокруг него. Взаимосвязь между давлением и объемом лучше всего описывается законом Бойля, который гласит:

«Объем любого газа обратно пропорционален давлению.«

Это означает, что объем уменьшается при увеличении давления, а объем увеличивается при понижении давления. Этот закон также гласит, что отношения пропорциональны. Например, если давление увеличивается вдвое, объем воздуха уменьшается вдвое.

Объем открытого пространства, спуск

В примере слева открытое воздушное пространство заполнено воздухом и вытягивается на все большую глубину. Этот контейнер открыт, поэтому вода поступает по мере уменьшения объема воздуха. Это позволяет контейнеру сохранять свою первоначальную форму и размер.

Когда ведро опускается до давления в 2 атмосферы (глубина 33 фута в соленой воде), давление удваивается, так что объем составляет половину его объема на поверхности.

При давлении 3 атмосферы (66 футов в соленой воде) давление в 3 раза выше, чем на поверхности, поэтому объем воздуха составляет одну треть от его объема на поверхности.

При давлении 4 атмосферы объем уменьшается до четверти объема поверхности. Эта модель продолжается при спуске.Например, объем уменьшается до одной десятой объема поверхности при давлении 10 атмосфер.

Объем открытого пространства на спуске

Объем открытого пространства на восхождении

В этом примере ведро наполняется воздухом на глубине, а затем выпускается на поверхность. По мере подъема давление уменьшается, что позволяет увеличить объем.

Ведро наполняется под давлением 4 атмосферы или 99 футов соленой воды. Когда в ковше повышается давление до 3 атмосфер, объем увеличивается на 1 треть.При 2 атмосфере объем вдвое больше, чем был при 4 атмосфере. А на поверхности объем в 4 раза превышает исходный объем.

Так как это открытая система, воздух выходит при расширении. Это означает, что на форму и размер ковша не влияет расширяющийся объем воздуха при подъеме.

Объем открытого пространства на спуске

Давление и закрытые воздушные пространства

Дайверов больше беспокоит влияние давления на замкнутые воздушные пространства.Эти пространства могут изменяться в объеме или даже повреждаться при изменении давления.

Примером может служить гидрокостюм, который сжимается при спуске и расширяется при подъеме. В вашем теле также есть воздушные пространства, которые могут закрываться, если вы нездоровы или не соблюдаете меры безопасности. В следующей главе рассказывается об этих воздушных пространствах и о том, как защитить их от травм, связанных с давлением.

Наибольшая скорость изменения объема происходит от поверхности до глубины около 33 футов.Это потому, что давление удваивается всего на 33 футах глубины. По этой причине нужно быть особенно осторожным с воздушными прослойками на мелководье.

Расчет изменений объема воздуха

Вы можете рассчитать точные изменения объема воздуха, используя простой расчет. Это:

В примере слева воздушный шар содержит 8 кубических дюймов воздуха на высоте 33 фута. Затем он опускается до 99 футов, и мы хотим узнать новый объем.

Во-первых, нам нужно определить исходное и конечное давления.Так как это соленая вода, давление на высоте 33 фута составляет 2 ата, а на высоте 99 футов — 4 ата. Далее определяем исходный объем, который составляет 8 кубических дюймов. Итак, наша формула будет выглядеть так:

Отношение равно 1/2, а 1/2 от 8 равно 4. Таким образом, новый объем воздушного шара на высоте 99 футов будет 4 кубических дюйма.

Давление и плотность воздуха

Изменения абсолютного давления также влияют на плотность воздуха. Например, если давление увеличивается вдвое, объем уменьшается вдвое.Поскольку такое же количество воздуха теперь занимает половину пространства, плотность увеличивается вдвое.

Плотность воздуха прямо пропорциональна абсолютному давлению. Так что, если давление удваивается, удваивается и плотность. На диаграмме слева показано соотношение между давлением, объемом и плотностью.

По мере того, как воздух становится более плотным, он не так легко проходит через регулятор и дыхательные пути тела. Это увеличивает сопротивление дыханию, а это значит, что вам нужно работать больше, чтобы дышать, чем на суше.Хотя вы заметите изменение сопротивления дыханию, для большинства дайверов это не проблема, если они не напрягаются.

Глубина и расход воздуха

На потребление воздуха влияет несколько факторов. Физическая активность, температура, психологический комфорт и физическое состояние — вот лишь несколько примеров. Но наиболее важным фактором является ваша глубина, потому что плотность воздуха увеличивается с увеличением глубины.

Плотность воздуха определяет, на сколько хватит вашего запаса.Ваш воздух прослужит вдвое меньше при давлении в 2 атмосферы, чем на поверхности. Продолжайте понижать давление до 3 атмосфер, и ваш запас будет составлять треть от того, что было бы на поверхности.

Например, если дайвер потребляет 30 фунтов на квадратный дюйм в минуту на 33 футах соленой воды, тот же самый дайвер будет потреблять 45 фунтов на квадратный дюйм / мин на 66 футах и ​​60 фунтов на квадратный дюйм / мин на 99 футах. На поверхности или при давлении в 1 атмосферу дайвер потребляет 15 фунтов на квадратный дюйм / мин. Это называется уровнем расхода воздуха на поверхности, и он полезен для прогнозирования расхода воздуха на планируемых глубинах.

Глубина и расход воздуха

Плавучесть

Высокое давление в глубоком океане

Любимое времяпрепровождение на борту исследовательских и исследовательских судов, таких как исследовательское судно (E / V) Nautilus украшает чашки из пенопласта для размещения на ROV во время исследовательских погружений в глубокие океанские глубины (авторы этого учебного пособия). ресурс путешествовал на борту E / V Nautilus в 2015 году в качестве научных сотрудников по коммуникациям). На борту E / V Nautilus члены Исследовательского корпуса набивают каждую поролоновую чашку бумажными полотенцами, чтобы помочь им сохранять свою форму, затем кладут чашки в сетчатый мешок, привязанный к ящику для молока, прикрепленному к ROV Argus , который погружается в океан.После завершения исследовательского погружения ROV поднимается на палубу корабля, и чашки удаляются. Вместо того, чтобы вернуться на поверхность в том же размере, в котором они опустились, чашки стали намного меньше, но весят почти столько же. Почему чашки из пенопласта дают усадку?

R. Rayner и A. Zych Стаканы из пенополистирола

изготавливаются из пенополистирола (EPF). Как и большинство пенопластов, EPF состоит из крошечных пузырьков полистирола, склеенных вместе. Когда чашка из пенопласта опускается в океан, прикрепленная к ROV, воздух, наполняющий ее крошечные пузырьки полистирола, сжимается, и пузырьки полистирола раздавливаются.На дне океана давление воды настолько велико во всех направлениях, что шарики полистирола сжимаются равномерно, а чашки из пенопласта сжимаются до доли своего первоначального размера. На глубине 2000 м давление на чашку из пенопласта эквивалентно весу около 500 взрослых гигантских галапагосских черепах, давящих на нее, так что у них нет никаких шансов!

Изображение с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) кусков пены EPF до (слева) и после (справа) сжатия в глубоком море.Фотографии сделаны Аароном Смитом, Колледж науки, здоровья и инженерии, Сельская школа здравоохранения Ла Троб, Бендиго, Австралия.

Хотя сжимать поролоновые чашки — это развлечение для морских исследователей, для рыб и ROV следует избегать сжимаемости! ТПА на борту E / V Nautilus появляются из глубин того же размера, что и спускались, потому что они специально разработаны с использованием таких материалов, как алюминий, ПВХ, сталь и стекло, которые намного, намного менее сжимаемы, чем пена. Между тем, у рыб, которые путешествуют в глубокий океан, есть специально приспособленные тела, которые заполнены большей частью несжимаемой жидкостью, а не воздухом, так что при спуске их тела сохраняют свою форму и размер.

Моделирование условий давления в глубинах океана

Хотите попробовать свои силы в уплотнении давлением в домашних условиях? Вы можете воспроизвести давление глубин океана на EPF с помощью насоса или шприца.

Указание по безопасности: из-за высокого давления, создаваемого во время этой деятельности, существует риск того, что используемая бутылка может лопнуть или отсоединиться от насоса.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.