Фізичні явища навколо нас. 7 клас. Годована

Людина під водою

Ми плануємо пірнати, тому розглянемо детальніше, що відбувається з рідиною і газами всередині нашого тіла. Під час занурення у воду зовнішній тиск зростає! Відповідно збільшується і тиск рідини в організмі. Так само і тиск повітря, що знаходиться в легенях, зростає, бо вони оточені м’якими тканинами, які стискаються самі й стискають повітря.

Дослід 1. «Як ми п'ємо?»

Чи вміємо ми пити? Що тут питати? Треба спробувати!

Виготовляємо пристрій для напоїв. У кришці від пластикової пляшки зробимо два отвори для трубочок і з’єднаємо їх герметично. Клей не є харчовим матеріалом, але це місце з напоєм контактувати не буде. Бажано, щоб одна соломинка була гофрована й гнучка, а інша — гладенька. Гладенька соломинка мас досягати нижньої частини пляшки.

Наповнимо пляшку питною водою приблизно до середини й щільно закриємо її кришкою з трубочками. Спробуємо пити через гнучку соломинку. Це нескладно. А тепер закриємо отвір другої трубки пальцем. Щось попити водички не дуже виходить.

Тепер беремо дві соломинки й тоненькою голкою робимо отвір на місці згину на одній із них. Можна починати експеримент. Воду або сік із чашки за допомогою цілої соломинки випити можна, а за допомогою «підготовленої» — ні.

І знову дві соломинки. Обидві беремо в рот, але одну занурюємо в напій, а іншу — ні. Вийшло випити що-небудь? Знову ні?

Відео

Розбір досліду

Коли людина п’є через соломинку, вона м’язовим зусиллям розширює грудну клітку й створює низький тиск в легенях, ротовій порожнині та соломинці. У першому експерименті, коли друга соломинка відкрита, вода піднімається, бо з іншого боку на неї тисне атмосфера. Якщо закрити другу соломинку, то різницю тисків створити вже не вийде.

У другому експерименті отвір у соломинці не дозволить зробити в ній низький тиск, бо з’єднує її з повітрям, тому «насос» не працюватиме.

У третьому експерименті зайва трубка також з’єднує ротову порожнину з атмосферою.

Отже, виявляється, що не так-то і легко «просто попити водички».

Задачі

  • 1. Розрахуй висоту стовпа морської води, який створює тиск, що дорівнює атмосферному. Густина морської води — 1025 кг/м3, а атмосферний тиск — 1,013 · 105 Па.
  • 2. У скільки разів тиск на глибині 50 метрів перевищує атмосферний?
  • 3. Чому має дорівнювати тиск повітря, яке вдихає дайвер, якщо людина перебуває на глибині 35 метрів?
  • 4. Порівняйте подані манометри. Яку максимальну глибину моря можна виміряти кожним із них?

Наш теплохід уже вийшов у Чорне море і прямує до Одеси. Якщо ми хочемо завітати там до дайвінг-клубу та спробувати поплавати з аквалангом, то маємо розібратися з фізичними та біологічними процесами, що відбуваються під водою.

Почнемо з легенів. Процес дихання схожий на процес пиття через соломинку: м’язове зусилля розширює грудну клітку і створює низький тиск в легенях та в дихальних шляхах, що призводить до вдиху. Легені оточені м’якими тканинами, які під дією зовнішнього тиску стискаються. Отже, якщо зовнішній тиск і тиск повітря, яким ми дихаємо, співпадають, то дихати можна. А от якщо пірнути, наприклад, на 5 метрів і взяти таку довгу трубку для дихання, щоб вона діставала повітря ззовні, то різниця тисків у легенях і на поверхні буде складати пів атмосфери. М’язових зусиль не вистачить, щоб зробити вдих.

Дослід 2. «Як ми дихаємо?»

Візьмемо повітряну кульку, вдягнемо її на горлечко пластикової пляшки й заправимо всередину. Тепер спробуємо надути кульку. Не виходить?

А якщо стиснути пляшку, то кулька, навпаки, вискочить назовні й трохи надується.

Тепер відріжемо від пляшки дно і замінимо його мембраною, зробленою з іншої кульки. Спробуємо знов надути першу кульку. Тепер це вдається, причому мембрана вигинається вниз. А під час спроби вдихнути втягується в середину пляшки.

Розбір досліду

Та що тут розбирати? Усередині пляшки вже є повітря, і його тиск не менший за атмосферний. Стискання пляшки імітує видих. А під час вдиху, навпаки, об’єм грудної порожнини збільшується, зменшуючи тиск. Це призводить до втягування повітря в легені.

Ми замінили дно пляшки пружною мембраною, і імітація процесу дихання стала точнішою. А мембрана — це модель діафрагми.

Дослід 3. «Який тиск можна створити на видиху?»

Нам потрібен манометр, причому це має бути прозора трубка довжиною не менше 4 метрів. Її можна прикріпити просто до стіни або до дверей, а потім налити води до середини та додати до системи лінійку або рулетку. Від цього рівня ми будемо позначати різницю тисків. Візьмемо вільний кінець трубки манометра в рот і з усієї сили різко подуємо туди. До якої максимальної відмітки підніметься вода в трубці? Чи зможемо ми «видути» воду з манометра?

Розбір досліду

Різниця тисків у трубках манометра визначить тиск, який наші легені створюють на видиху. Для цього показники шкали, як видно з рисунку, треба помножити на 2. У кожної людини результат буде свій, але дослід показує, що навіть якщо дуже постаратися, ми не зможемо видути воду з трубки. Тобто наші легені не можуть створити навіть тиск, що дорівнює 2 метрам водяного стовпчика, тобто 0,2 атмосфери.

Цей самий прилад допоможе виміряти тиск не тільки на видиху, а й на вдиху.

Отже, із цих дослідів зрозуміло, що апарат для дихання має подавати повітря під тиском, який дорівнює тиску оточуючого середовища. Як цього досягти?

Рішення знайшли Жак-Ів Кусто та Еміль Ганьян. У 1943 році вони виготовили апарат, який отримав назву акваланг і став найпопулярнішим апаратом для підводного плавання. Вони скористалися розробками пристрою для регулювання тиску під час подачі газу у двигун. Редуктор акваланга містить мембрану, яка вигинається під дією тиску води. Таку саму мембрану, яку ми використовували для виготовлення манометра (тільки зроблену не з повітряної кульки)!

Редуктор встановлюють на балони, у яких повітря знаходиться під великим тиском (200-300 атмосфер). Але не можна просто відкрутити вентиль такого балона та дихати, бо повітря розірве легені. Редуктор регулює тиск: під дією води мембрана вигинається й відкриває пристрій для подачі повітря. Коли тиски вирівнюються, мембрана повертається на місце та закриває балон.

Отже, акваланг дає можливість повітрю надходити в легені під таким самим тиском, що й тиск зовнішній. Його назва складається з двох слів: aqua (вода) і lung (легені), тобто підводні легені.

Усередині вуха також є порожнина з повітрям, яка відділена від зовнішнього середовища лише барабанною перетинкою завтовшки пів міліметра. Кістки черепа під впливом надлишкового тиску не деформуються, тому удар приймає на себе ніжна барабанна перетинка. Якщо під час занурення не вирівнювати тиск, можна отримати баротравму вуха, тобто розрив барабанної перетинки.

Діаметр барабанної перетинки дорівнює приблизно 0,9-1 см, тобто її площина S ≈ 0,7 мм2. Оскільки на поверхні Землі на один квадратний сантиметр «тисне» вантаж в 1 кг, то на барабанну перетинку «тисне» приблизно 700 г, причому з обох боків. Отже, під час занурення на глибину 3 м перепад тисків складає 0,3 атмосфери, а це додатковий вантаж масою 200 г. Біль у вухах сигналізує, що далі збільшувати тиск небезпечно.

А як же пірнають дайвери?

Слухова, або евстахієва, труба з’єднує вухо з носоглоткою. Зазвичай вона закрита, але під час ковтання відкривається, і тиск може зрівнятися із зовнішнім. Дайвери користуються спеціальною технікою «продування».

Під час вирівнювання тиску людина відчуває характерне клацання у вухах. До речі, в літаку на висоті також іноді «закладає» вуха. Для зрівнювання тиску можна смоктати льодяники або пити, особливо через соломинку.

Дослід 4. «Простий, але небезпечний»

Відкриємо пляшку із сильногазованою водою. У ній майже в усьому об’ємі будуть утворюватися бульбашки вуглекислого газу. Що ж тут небезпечного?

Розбір досліду

Розберемося, як бульбашки могли опинитися всередині рідини і чому стали виходити з неї лише після відкриття пляшки. Узагалі гази розчиняються у воді. Якщо в тебе є акваріум, ти знаєш про це. Рибам також необхідно дихати, і кисень вони беруть із води. Отже, щоб зробити воду газованою, через неї пропускають вуглекислий газ.

Зверніть увагу: пляшка сильногазованої води тверда, стиснути її майже неможливо, хоча над водою є трохи повітря. Чим більший тиск, тим більшу кількість газу можна розчинити в рідині. Коли ми відкриваємо пляшку, тиск зменшується до атмосферного і кількість розчиненого газу, яку може «втримати» вода, також зменшується. «Зайвий» газ стає бульбашками по всьому об’єму пляшки. Зовні цей процес нагадує кипіння.

Що ж такого небезпечного в цьому досліді? Майже нічого, якщо ти не дайвер або льотчик. Коли дайвер занурюється, він деякий час дихає повітрям, тиск якого суттєво більший за атмосферний. У його крові збільшується кількість розчиненого азоту, бо повітря складається з азоту на 78 %. Коли дайвер різко спливає, тиск падає і в крові утворюються такі самі бульбашки. Вони перекривають судини, що призводить до важкої кесонної хвороби або навіть спричиняє смерть.

Щоб уникнути такого захворювання, дайвер має підніматися з глибини повільно, зупиняючись на різних глибинах для декомпресії, тобто для того, щоб «зайвий» азот устиг вийти з крові. Якщо підйом був аварійним, людину відразу мають помістити в барокамеру, тобто в камеру з підвищеним тиском.

Якщо на великій висоті відбувається розгерметизація літака, льотчику загрожує така сама небезпека. Іноді помилково кажуть, що його кров «закипає».

Дослід 5. «Водолазний дзвін»

Водолазний дзвін — це відкрита камера, у якій людину або обладнання можна опустити під воду.

Відео

Для досліду нам знадобляться: велика прозора пластикова пляшка (5 літрів) із відрізаним верхом або акваріум (це буде наше море), невелика прозора посудина, пластикова кришка та серветка. Наповнимо велику посудину водою трохи не до верху, щоб залишилось місце для дзвона. Друга посудина буде нашим повітряним дзвоном.

Пластикову кришку покладемо на поверхню води, а зверху — маленьку суху серветку. Тепер зануримо дзвін до дна (відкритою частиною вниз!) так, щоб кришка опинилася всередині. Через прозорі стінки видно, що рівень води у дзвоні піднімається, а кришка плаває на поверхні. Вийнявши дзвін із води, ми бачимо, що паперова серветка навіть не намокла.

Цікаві факти

Під час зльоту літака тиск у салоні знижується, а під час заходу на посадку — зростає. Тому в польоті часто «закладає» вуха. Якщо в людини застуда або є запальний процес у вусі, то слиз і набряк можуть звузити або заблокувати слухову трубу. Це перешкоджатиме вільному проходу повітря. Із цієї причини небажано літати із закладеним носом і застудою.

У водолазному дзвоні людину можна опустити під воду. За рахунок повітря, яке нагнітають із поверхні, у ній підтримують тиск, достатній для компенсації зовнішнього тиску. Водолаз може покидати дзвін для виконання робіт через відкрите дно.

Ще Арістотель описував використання водолазного дзвона: «...Вони дозволяють нирцям добре дихати, опускаючи котел, тому що він не наповнюється водою, але затримує повітря, бо прямує вниз, у воду».

Винахідник акваланга Жак-Ів Кусто присвятив усе своє життя дослідженню Світового океану. Він став режисером багатьох науково-популярних фільмів, зокрема «Підводної Одіссеї», написав безліч книг про підводний світ. Друзі та знайомі називали його Капітаном Кусто. Він відкрив «блакитний континент» для багатьох людей.

Жак-Ів Кусто мріяв про підводні фото- і кінозйомки. З підручних матеріалів він зібрав першу водонепроникну відеокамеру для підводного плавання, розробив освітлювальний прилад, а пізніше — першу телевізійну систему, здатну знімати відео на великій глибині. Його документальна картина «У світі безмовності» була нагороджена найпрестижнішими кінематографічними преміями «Оскар» і «Золота пальмова гілка».

Протягом 31 року він був директором Океанографічного музею в Монако, відомого як «Храм моря». Тепер на подвір'ї музею стоїть своєрідний пам'ятник Кусто — глибоководний жовтий дослідницький човен (батискаф).

Вестибулярний апарат — це орган людини, розташований у середньому вусі. Він оцінює, наскільки різко ми нахиляємо чи повертаємо голову. Він містить три напівкруглі канали, розташовані перпендикулярно один до одного так само, як координатні осі х, у, z. Канали заповнені густою рідиною. Під час різкого повороту або нахилу голови через власну інертність ця рідина починає рухатись у протилежному напрямку. Рідина спричиняє тиск на війки клітин-рецепторів, а вони вже передають сигнали в мозок.

Відомий харківський біолог Андрій Утєвський, який неодноразово брав участь у підводних дослідженнях на українській станції «Академік Вернадський» в Антарктиді, у 2018 році розповів про це в інтерв'ю ВВС України.

Йому доводилося занурюватися на глибину до 60 метрів, потрапляти під льодові поля. При цьому часто виникала необхідність у тривалих декомпресіях. Так, після одного занурення йому довелося підніматися на поверхню майже 65 хвилин.

У таких складних умовах українські вчені збирають унікальний науковий матеріал, відкривають нові, невідомі науці види тварин.

До речі, масштабні підводні дослідження в Антарктиді проводять лише три країни: Британія, США та Україна.

У підводних мандрах людину очікують різні небезпеки. Баротравму можна отримати не тільки під час спуску під воду. Баротравма легенів виникає під час швидких підйомів дайвера з глибини, коли надлишкове повітря не встигає виходити назовні. При цьому воно розширюється, і альвеоли (маленькі комірки з повітрям, у яких власне й відбувається газообмін між повітрям і кров'ю) можуть розірватися. Щоб цього уникнути, не можна затримувати дихання під час підйому і треба підніматися з глибини не швидше за бульбашки повітря.