Природничі науки. 2 частина. 11 клас. Гільберг

На дні повітряного океану

«Повітряний океан» — так образно називають атмосферу. Люди на поверхні землі водночас перебувають на «дні» цього повітряного океану. Під дією земного тяжіння верхні шари атмосфери тиснуть на її нижні шари. Поверхня Землі й тіла на ній зазнають тиску всього повітряного шару (подібно до того, як тіла на дні водойм зазнають тиску води, до якого додається ще й атмосферний тиск). За допомогою дослідів установлено, що за температури 0 °С маса повітря об’ємом 1 м3 становить 1,29 кг. Маса всієї атмосфери приблизно дорівнює 5 • 1018 кг, а це одна мільйонна частина маси Землі. (До відома: за добу через легені людини проходить повітря масою 20-30 кг. Маса повітря в класній кімнаті становить приблизно 30-40 кг.) На поверхню площею 1 м2 тисне повітря масою близько 10 тонн (мал. 8.9), тобто тиск атмосфери становить 105 Па!

Мал. 8.9. 1. Остап Бендер у романі І. Ільфа1 та Є. Петрова2 «Золоте теля» журився: «На кожну людину, навіть партійну, тисне повітряний стовп вагою в 214 кг!

Це науково-медичний факт. І мені стало з недавнього часу важко. Ви тільки подумайте! Двісті чотирнадцять кіло! Тиснуть! Цілодобово! Особливо ночами! Я погано сплю!!. Так ось і живу, — продовжував Остап, з тремтінням у голосі». 2. Співвідношення тисків в організмі людини: атмосферний тиск 1 атм = 760 мм рт. ст; внутрішній тиск організму або тиск міжклітинної рідини (дорівнює атмосферному); серце подібно до насосу створює підвищений тиск крові (артеріальний тиск) для подолання опору в стінках судин; артеріальний тиск на 80-120 мм рт. ст. (10-16 %) вище від атмосферного.

1 Ілля Арнольдович Ільф, (1897-1937), Росія

2 Євген Петрович Петров, (1903-1942), Росія

Але великий комбінатор трохи помилявся (проаналізуйте й інші помилки в наведеному фрагменті). Доросла людина відчуває на собі тиск повітря масою 10-15 тонн! Чому ж люди не відчувають дії атмосферного тиску? Справа в тому, що кровоносні судини й інші порожнини організму, що заповнені рідинами або газами, чинять на стінки судин і порожнин такий самий тиск. Тому тканини організму не деформуються, а атмосферний тиск не відчувається. Якщо ж зовнішній атмосферний тиск змінюється, то людина відчуває певний дискомфорт.

Виміряти атмосферний тиск можна в спосіб, запропонований у XVII ст.

Торрічеллі (Еванджеліста Торрічеллі, (1608-1647), Італія), учнем Галілея (Галілео Галілей, (1564-1642), Італія). Дослід Торрічеллі (мал. 8.10) полягає ось у чому: скляну трубку завдовжки 1 м, запаяну з одного кінця, наповнюють ртуттю. Потім, щільно закривши інший кінець трубки, її перевертають, опускають у чашку з ртуттю і під ртуттю відкривають кінець трубки. Частина ртуті при цьому виливається в чашку, а частина залишається в трубці. Висота стовпчика ртуті, що залишилася в трубці, дорівнює 760 мм. У трубці над ртуттю повітря немає, там безповітряний простір.

Мал. 8.10. Дослід Торрічеллі

Торрічеллі, який запропонував описаний вище дослід, сам і пояснив його. Атмосфера тисне на поверхню ртуті в чашці. Створений стовпчиком ртуті тиск врівноважено атмосферним тиском, який не дає ртуті виливатися. Якби він був більшим за атмосферний, то ртуть виливалася б з трубки в чашку, а якби меншим, то піднімалася б у трубці вгору.

Звідси випливає, що атмосферний тиск дорівнює тиску стовпчика ртуті в трубці. Вимірявши висоту стовпчика ртуті, можна обчислити тиск, який чинить ртуть, — він і дорівнюватиме атмосферному тиску. Тому на практиці атмосферний тиск можна вимірювати висотою ртутного стовпчика (у міліметрах або сантиметрах). Якщо, наприклад, атмосферний тиск дорівнює 780 мм рт. ст, то це означає, що повітря чинить такий самий тиск, як і вертикальний стовпчик ртуті висотою 780 мм. Отже, у цьому разі за одиницю атмосферного тиску взято 1 мм ртутного стовпчика (1 мм рт. ст.).

Щоб з’ясувати, скільки це в Паскалях, визначимо тиск ртутного стовпчика висотою 1 мм за формулою р = pgh.

Підставивши числові значення, маємо:

Отже, 1 мм рт. ст. ≈ 133,3 Па.

На практиці використовують й інші одиниці:

1 бар = 100 000 Па;

1 атм (технічна) = 98 100 Па;

1 атм (фізична) = 101 325 Па.

Нормальний атмосферний тиск дорівнює 1 атм (фізична) або 1013 Па, або 0,01013 бар, або 760 мм рт. ст. У хімії IUPAC змінив значення стандартної температури і тиску (STP) у 1982 році: 273,15 К (0 °С) та 105 Па відповідно.

Оскільки густина атмосфери зменшується з висотою, то атмосферний тиск також зменшується зі зміною її. Зі збільшенням висоти на кожні 11 м тиск зменшується на 1 мм рт. ст. (або на 133 Па). Отже, за різницею тиску можна визначити висоту місцевості.

Указавши атмосферний тиск, додають, що це значення на рівні моря. Що таке «рівень моря»? Це положення вільної поверхні Світового океану. Висота якогось пункту відносно рівня моря є його абсолютною висотою. В Україні та в деяких інших європейських країнах висоту поверхні прийнято визначати за середнім багаторічним рівнем Балтійського моря, який зафіксований на Кронштадтському футштоці1. Це один з найстаріших водомірних постів у світі, який діє з 1707 р. У Швейцарії, Франції та деяких країнах Африки, зокрема й колишніх французьких колоніях, за точку відліку прийнято рівень Середземного моря біля міста Марселя. А ось у Великій Британії для відліку висот використовують рівень води в протоці Ла-Манш поблизу міста Ньюліна. У Німеччині теж свій рівень моря — Балтійського в голландському місті Амстердамі. У Китаї морем, за рівнем якого відмірюють висоту місцевості, є Жовте, а пост з мареографа розташований у місті Циндао. США та Канада також мають свій орієнтир для відліку, ним є рівень у річці Святого Лаврентія в районі канадського міста Рімускі. З цієї причини абсолютні висоти на картах, виданих у різних країнах, можуть відрізнятися на кілька метрів.

За законом Паскаля атмосферний тиск, створений усіма шарами повітря, біля поверхні Землі передається однаково в усіх напрямках. Тому тиск змінюється не тільки з висотою, а й з широтою. Нерівномірний розподіл атмосферного тиску зумовлює рух повітря — вітер.

На практиці досить часто потрібно враховувати дію атмосферного тиску.

Розгляньте малюнок 8.11 і визначте особливості дії атмосферного тиску в кожній ситуації.

Представники видів фауни та флори адаптувалися до умов довкілля, зокрема й до дії тиску: для наземних — атмосферного, для підводних — сумарного: атмосферного й гідростатичного. На глибоководних мешканців упливають умови навколишнього середовища: мала кількість світла й колосальний тиск. Деякі організми мають добре розвинуті органи зору величезних розмірів 30-50 % об’єму голови, а в інших — вони атрофовані. Більшість з них світиться. Скелет і мускулатура слабко розвинуті. Тиск усередині тіла риби дорівнює тиску в навколишньому середовищі (Ви можете уявити, що відбуватиметься з глибоководною рибою за швидкого її підняття?).

1 Футшток (від нім. Fußstock або нід. voetstok) — рейка (або жердина) з поділками на водомірному посту для спостережень за рівнем води в морі, річці, озері.

Мал. 8.10. Як людина використовує (створює) різницю тисків повітря — що міститься в ємкостях і зовнішнього атмосферного

Натомість за низького тиску тварини мають характерні пристосування, які допомагають їм у боротьбі за існування (великі копита, довге й пухнасте хутро тощо) (мал. 8.11).

Високо в горах, під час польотів на літальних апаратах без герметичної кабіни, від 2000 м та вище людина перебуває в больовому стані, унаслідок якого виникає кисневе голодування — висотна гіпоксія. Різновидом висотної гіпоксії є гірська хвороба, де додатковими чинниками, що її спричиняють, є втома, охолодження та зневоднення організму, ультрафіолетове випромінювання, різка зміна температури впродовж дня тощо.

У результаті відбуваються порушення в роботі серцево-судинної, дихальної, нервової та інших систем (слабкість, утома, аритмія, гостра серцева недостатність, набряк легень, мозку). Для зняття синдромів висотної хвороби необхідно якомога швидше спустити потерпілу людину та надати їй термінову лікарську допомогу. Тому під час підйому на висоту необхідно враховувати не лише кліматичні фактори, а й індивідуальні особливості організму (мал. 8.12).

Мал. 8.11. Організми в умовах різного тиску: а-в — на глибині; г — у горах

Мал. 8.12. Можливість виникнення висотної хвороби в людини: а — праця на рівні 124 поверху (м. Дубаї); б — сходження в горах

Кесонна хвороба — комплексні зміни, що розвиваються внаслідок переходу від високого атмосферного тиску до нормального або від нормального до зниженого. Назва походить від фр. caisson (ящик) — камери, для проведення роботи під водою в 40-х роках XIX ст. Ця хвороба властива тим фахівцям, які працюють в умовах кесонних камер, зокрема підводників, інколи — у пілотів. Унаслідок кесонної хвороби може виникнути біль у суглобах, кістках, м’язах, головний біль, запаморочення, підвищене потовиділення, нудота; порушення функціонування серцево-судинної та дихальної систем, що призводять до летальних наслідків. Для зняття симптомів кесонної хвороби реаніматологи, травматологи та низка інших фахових лікарів залежно від ступеня хвороби проводять повільну рекомпресію потерпілого, аби нормалізувати його стан.