Урок решения задач по теме "Архимедова сила. Плавание тел". Как найти глубину погружения тела в воду
Урок решения задач по теме "Архимедова сила. Плавание тел"
Разделы: Физика
Цели урока:
- отработка практических навыков при решении задач;
- применять теоретические положения и законы при решении задач;
- развитие самостоятельности учащихся в процессе решения задач и индивидуальной работы.
Тип урока: решение задач.
Оборудование:
- для учителя: весы учебные без чашек, 2 сосуда с водой, сосуд с растительным маслом или керосином (ацетоном) 2 груза массой по 100г или цилиндра, гиря массой 100г.
- для обучающихся: динамометр, мензурка, стакан с водой, груз на нити.
Оснащение урока:
- мультимедиа проектор, компьютер, экран.
- презентация (используется в течение всего урока) (Приложение).
Ход урока
I. Домашнее задание.
№№ 646, 648, 649, 658
Экспериментальная задача/
С помощью мерной кружки с водой определите выталкивающую силу, действующую на картофелину при полном ее погружении в воду.
II. Повторение изученного материала.
1) Фронтальный опрос.
1. Опишите действие жидкости или газа на тело, находящееся в них. Какова природа возникновения выталкивающей силы?
При погружении тела в жидкость на него со всех сторон начинает действовать давление. Т.к. давление зависит от высоты столба жидкости, то на точки тела, находящиеся на большей глубине давление больше, т.е. преобладает сила давления, направленная вверх.
2. Как называют силу, которая выталкивает тела, погруженные в жидкости или газы? Выталкивающая сила, или Архимедова сила.
3. Какими способами можно определить архимедову силу?
- по формуле FA = ρЖgVпчт
- опытным путем FА = Рвозд – Рж
4. От каких величин зависит архимедова сила? От каких величин она не зависит?
Зависит от ρж и от Vпчт не зависит от массы тела, глубины погружения, формы тела, плотности тела.
5. Опишите поведение твердых тел в жидкости.
Твердые тела в жидкости могут тонуть, плавать в жидкости и на ее поверхности, всплывать.
6. При каком условии тело, находящееся в жидкости тонет? Плавает? Всплывает?
Тело тонет, если Fт > Fж или ρт > ρжТело плавает, если Fт = Fж или ρт = ρжТело всплывает, если Fт < Fж или ρт < ρж
7. Сформулируйте закон Архимеда.
На тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная снизу вверх и равная весу жидкости в объеме погруженного в нее тела.
2) Решение качественных задач.
1. В сосуд погружены три железных шарика равных объемов. Одинаковы ли силы, выталкивающие шарики? (Плотность жидкости вследствие ничтожно малой сжимаемости на любой глубине примерно одинаковой).
Рис. 1
Да, т.к. объемы одинаковы, а архимедова сила зависит от объема погруженной части тела, а не от глубины.
2. На поверхности воды плавают бруски из дерева, пробки и льда. Укажите, какой брусок из пробки, т.е. пробковый, а какой изо льда? Какая существует зависимость между плотностью тела и объемом этого тела над водой?
Рис. 2
№ 1 из льда, №3 из пробки. Чем меньше плотность тела, тем большая часть его находится над водой.
3. Деревянный шар плавает в воде. Назовите силы, действующие на шар. Изобразите эти силы графически. Определите плотность данного деревянного шара.
Рис. 3
Сила тяжести и архимедова сила.
Fт = FА шарик плавает] Vпчт = 1/2V ] ρт = 1/2ρж] ρт = 500кг/м3
4. К весам подвешены два груза массой по 100г, имеющие разные объемы. Нарушится ли равновесие весов, если оба груза опустить в стаканы с водой?
Оборудование: Весы учебные без чашек, 2 сосуда с водой, гиря массой 100 г, груза массой по 100 г.
Равновесие нарушится. Справа объем тела больше, чем слева, следовательно, и сила Архимеда больше.
5. К весам подвешены два груза одинаковой массы и объема. Нарушится ли равновесие весов, если один из грузов опустить в стакан с водой, а другой в стакан с растительным маслом (керосином или ацетоном)
Оборудование: весы учебные без чашек, сосуд с водой, сосуд с растительным маслом или керосином (ацетоном) 2 груза массой по 100г или цилиндра.
Равновесие нарушится, т.к. плотность воды больше плотности масла, то и архимедова сила тоже больше.
Вывод: задачи № 3 и № 4 еще раз нам доказали, что
- архимедова сила зависит от объема погруженной части тела и плотности жидкости;
- чем больше объем погруженной части тела, тем больше архимедова сила;
- чем больше плотность жидкости, тем больше архимедова сила.
III. Решение задач
1. Решение экспериментальной задачи.
Оборудование. Стакан с водой, динамометр, мензурка, груз на нити. Определите объем груза.
– Какими способами можно определить объем тела?
- С помощью мензурки
- Измерить длину, ширину, высоту все перемножить (если тело имеет форму параллелепипеда)
- По формуле V = m/ρ
- C помощью отливного сосуда
- С помощью архимедовой силы, если тело целиком погружено в воду.
Мы можем воспользоваться только последним способом, т.е. через архимедову силу.
– Как мы можем найти архимедову силу?
по формуле FA = ρЖgVпчопытным путем FА = Рвозд - Рж
Итак, нам необходимо найти вес тела в воздухе и вес тела в жидкости (воде).
Проведем измерения и запишем в дано (Во время вычислений выдать мензурки).
Проверка результата.
Налить в мензурку 100мл воды.
Опустить груз в мензурку.
– На сколько делений поднялась вода? Чему равен объем тела? 25см3
– Какой получили ответ в задаче? При измерениях? Одинаковые.
2. Решение качественных задач.
№ 1. В каком порядке расположатся в одном сосуде три не смешивающиеся между собой жидкости: вода, керосин, ртуть. Сделайте соответствующий рисунок. Как в этом сосуде расположатся три сплошных шарика: 1 пробковый, 2 парафиновый, 3 стальной. Ответ обоснуйте. Сделайте рисунок.
|
Керосин 800 кг/м3Вода 1000 кг/м3 Ртуть 13600 кг/м3 |
пробка 240 кг/м3парафин 900 кг/м3сталь 7800 кг/м3 |
№ 2. Мальчик, масса тела которого 40 кг, держится на воде. Та часть тела, которая находится над поверхностью воды, имеет объем 2 дм3. Определите объем всего тела мальчика.
№ 3. Какую силу надо приложить, чтобы поднять под водой камень массой 30 кг, объем которого 0,012 м3.
Анализ задачи.
Какие силы действуют на тело, погруженное в жидкость? Куда они направлены?
Где находится камень?
Что можно сказать о силах тяжести и Архимеда в этом случае?
Что необходимо сделать с камнем?
Куда будет направлена сила, которую необходимо приложить к камню, для того чтобы его поднять?
Как же ее найти? Чему равна равнодействующая двух сил, направленных по одной в противоположные стороны?
Запись задачи.
Урок закончен. Спасибо за работу на уроке.
Приложение
xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai
Глубина погружения тела — найдите глубину погружения плота в воду — 22 ответа
В разделе Естественные науки на вопрос найдите глубину погружения плота в воду заданный автором Ђатьяна Григорьева лучший ответ это Ft=FaFt=m*g=p*H*S*g (1)Fa=P*h*S*g (2)(2/1) => 1=p*H/(P*h) =>h=...p=800 kg/m^3P=1000 kg/m^3.. |>.. |)=|-__7~~~~~~Zhelayu uspekhov !!!Vladimir Shchookin.
Ответ от 2 ответа[гуру]Привет! Вот подборка тем с ответами на Ваш вопрос: найдите глубину погружения плота в воду
Ответ от Павел Вибе[активный]От размеров не зависит, зависит от соотношения плотности воды и погружаемого тела.Плотность воды 1000 кг/м3., т. е. соотношение плотностей 800 к 1000 (0,8).При свободном погружении Архимедова сила уравновешивает силу тяжести плота. Т. е. в нашем случае плот погрузиться на 0,8 толщины плота.При толщине 40 см, плот погрузится на 40 * 0,8. 32 см.
Ответ от Павел Проскуряков[активный]Плот перестанет погружаться в воду, когда сила Архимеда уравновесит силу тяжести плота, то есть в данном случае - его вес.Сила Архимеда равна произведению плотности воды, ускорения свободного падения и объема погруженной части плота (то есть площади плота, умноженной на некую глубину h, которую и нужно найти), или Fa=?(воды) *g*S*h.Сила тяжести плота, или просто-напросто его вес равны произведению массы всего плота на ускорение свободного падения, а так как масса равна плотности, умноженной на объем, то вес равен произведению плотности плота, его объема (произведение длины, ширины и высоты) и ускорения свободного падения, или Fт=P=?(плота) *abc*g=?(плота) *S*c*g.Так как в конечном счете должны сравняться сила Архимеда и вес, то должны сравняться и произведения, которые их составляют: Fа=?(воды) *g*S*h=P=?(плота) *S*c*g. А дальше - простое уравнение:?(воды) *g*S*h=?(плота) *S*c*g, делим и ту, и другую часть на S*g:?(воды) *h=?(плота) *c, делим и ту, и другую часть на ?(воды):h=(?(плота) *c)/?(воды).Подставляем числа: h=(?(плота) *c)/?(воды) =(800*0,4)/1000=320/1000=0,32м=32 сантиметра.
Ответ от Дима Маркин[новичек]необходимо составить пропорциюРд: Рв=h:hдполучается 800:1000=0.80.8*0.4=0.32 м тоесть 32 смтеперь при человеке сила архимеда= 60 000 н а сила тяжести 48 500 н тело плаваетс человеком также 32 см
Ответ от 2 ответа[гуру]Привет! Вот еще темы с нужными ответами:
Ответить на вопрос:
22oa.ru
Движение тела в жидкости
Основные положения гидроаэромеханики
Жидкости являются телами с характерным ближайшим упорядочением структурной взаимосвязи молекул. Расстояние между молекулами жидкости мало, поэтому силы взаимодействия значительны, что приводит к малой сжимаемости жидкостей от действия внешних сил и вызывает появление значительных сил межмолекулярного отталкивания.
Молекулы жидкости колеблются около положения равновесия, однако эти положения не являются постоянными. По истечении некоторого времени, называемого «временем оседлой жизни», молекула скачком переходит в новое положение равновесия, равное среднему расстоянию между соседними молекулами. Например, для воды это расстояние составляет:
метра.
Подвижность молекул объясняет малую вязкость жидкости. С понижением температуры и давления подвижность молекул аморфных тел уменьшается и тела становятся твердыми.
Силы противодействия внешней силе, сжимающей жидкость, определяют упругие свойства жидкости. Особенностью упругих сил жидкости (сил давления) является то, что, будучи векторами, они не имеют определенной точки приложения. Для характеристики распределения сил давления вдоль поверхности введена скалярная характеристика – давление. Величина давления измеряется силой, действующей в направлении нормали на единицу поверхности:
Паскалем было определено, что жидкость или газ передают производимое на них давление по всем направлениям одинаково.
В сообщающихся сосудах, например, давление жидкости на одной горизонтальной плоскости будет одинаковым. При этом соотношение высот столбов установившейся жидкости в сообщающихся сосудах обратно соотношению плотностей этих жидкостей:
Давление в слое жидкости образованное от веса самой вышерасположенной жидкости называется гидростатическим и определяется по формуле:
или, преобразовав,
Разность гидростатических давлений на верхнюю и нижнюю поверхности тела обуславливает появление выталкивающей силы, действующей со стороны жидкости на погруженное в нее тело и равной:
где dж – удельный вес жидкости,
Vт – объем погруженной части тела.
Движущаяся жидкость может образовать два вида своего течения – неразрывное (ламинарное) и разрывное (турбулентное). Если соотношение скоростей струй жидкости в потоке остается постоянным по всему течению, то такое называется ламинарным в противном случае -течение турбулентное. Вязкость - это проявление взаимодействие слоев жидкости. Силы вязкости направлены касательно к слоям жидкости. Вязкость называют еще и внутренним трением жидкости.
Сила вязкости изменяется от изменения скорости жидкости, отнесенной к длине в направлении, перпендикулярном скорости течения:
где – коэффициент внутреннего трения или коэффициент динамической вязкости с размерностью [кг/м·с];
изменяется в широких пределах.
Например: для воды - 0,105 10-2,
для смазочных масел – 66·10-2,
для глицерина – 139, 3·10-2.
Это различие объясняется различием связей молекул - чем сложнее молекула. Тем крепче связи, тем больше вязкость.
Объем протекающей жидкости в выделенном ее сечении (S) радиуса R за 1 секунду был определен в 18 веке Пуазейлем:
.
В случае движения тела в жидкости с постоянной скоростью, сила трения со стороны жидкости, обладающей определенной вязкостью, находится по формуле Стокса:
где R – радиус тела, V – скорость движения.
Определителем характера движения жидкости (ламинарного или турбулентного) служит коэффициент, называемый числом Рейнольдса (Re):
где V – скорость течения; D – диаметр сечения объема жидкости.
Например, если для течения воды Re > 2300, то в ней возникает турбулентное движение, если Re меньше – ламинарное.
Бернулли было установлено, что в стационарном потоке жидкости полное давление, состоящее из статистического (p), динамического (ρ(V)2/2) и гидростатистического (ρgh) есть величина постоянная:
Движущаяся жидкость, обладая кинетической энергией, образует так называемую силу лобового сопротивления:
;
S – площадь поперечного сечения тела в направлении перпендикулярном вектору скорости движения потока (миделево сечения).
Контрольные вопросы по теории
Чем объясняется свойство текучести жидкости?
Что такое время оседлости молекул?
Что называется давлением жидкости?
Напишите формулу гидростатистического давления.
Сформулируйте закон Архимеда и напишите формулу.
Напишите формулу лобового сопротивления жидкости.
Напишите формулу Стокса величины вязкости жидкости.
В каком случае сила давления жидкости на стенку будет равно силе давления на дно сосуда?
Сформулируйте условия плавания тел.
Почему давление не векторная величина?
Напишите уравнение Бернулли для стационарного потока жидкости.
Дайте определение ламинарного и турбулентного течений жидкости.
Каков механизм подъемной силы крыла?
Сформулируйте закон Паскаля.
Каков принцип работы гидравлического пресса?
На поверхности воды в сосуде плавает лед. Изменится ли уровень воды, если лед растает?
Почему возникает выталкивающая сила в жидкостях и газе?
Как будут относиться высоты жидкостей различной плотности в сообщающихся сосудах?
Назовите основные механические свойства жидкости.
Российский государственный университет физической культуры,
спорта и туризма
Кафедра естественно-научных дисциплин
Движение тела в жидкости и газе
Вычисление глубины погружения спортсмена при прыжках в воду
РГР №2
по курсу физики
Вариант №43
Выполнил:
студент I курса I потока I группы
Иванов И.И.
Преподаватель:
доцент (профессор) кафедры ЕНД
Москва 2010 г.
Содержание:
Текст задания.
Алгоритм решения.
Иллюстрация.
Таблица исходных данных.
Таблица вычислений.
Таблица результатов.
Текст задания:
Спортсмен прыгает в воду с вышки высотой Н=10 м.
Масса тела спортсмена m.
Коэффициент обтекаемости тела спортсмена при погружении в воду C2.
Коэффициент обтекаемости тела спортсмена при всплытии C1.
Плотность тела ρ.
Плотность воздуха ρ1=1,29 кг/м3.
Плотность воды ρ2=103 кг/м3.
Коэффициент вязкости воды j=0,105·10-2 (Па·с).
Ускорение свободного падения g=9,8 м/с2.
Вычислить:
Глубину погружения спортсмена в бассейне h2.
Время погружения t2.
Время всплытия t3.
Время нахождения спортсмена под водой t4.
Величину инерционных перегрузок при входе в воду n.
Импульс силы при погружении в воду F·t.
Силу сопротивления воздуха F0.
Коэффициент обтекания в воздухе C1.
Построить:
График зависимости глубины погружения h от массы тела m по трём точкам: m; m-4; m+4 (кг).
2. Алгоритм решения:
2.1. Максимальная глубина погружения определяется из условия, что вся потенциальная энергия тела ПАС от уровня вышки до уровня погружения затрачена на работу против силы динамического (лобового) сопротивления воды (FЛС), гидростатической силы выталкивания (силы Архимеда FАр) и силы вязкости воды (FВ):
ПАС = АЛС + ААр + АВ.
2.2. Сделаем допущение, что скорость движения тела спортсмена в воде снижается равнозамедленно под действием всех приложенных сил, что допускает расчёт силы динамического (лобового) сопротивления с использованием значения квадрата средней скорости движения.
2.3. Коэффициент обтекаемости и плотность тела спортсмена на вдохе примем равными табличным значениям.
а
Faрх
Fлс
Fв
mg
mg
Fлс
Погружение
Всплытие
H
h2
Faрх
Графическая интерпретация
условий задачи.
mg
FВ
а
4. Таблица исходных данных
| № | Параметр | Обозначение | Величина | Единица измерения (СИ) |
| 1. | Масса тела | m | 48 | кг |
| 2. | Высота вышки | Н | 10 | м |
| 3. | Плотность тела | ρ | 996 | кг/м3 |
| 4. | Плотность воздуха | ρ1 | 1,29 | кг/м3 |
| 5. | Плотность воды | ρ2 | 1000 | кг/м3 |
| 6. | Коэффициент обтекаемости при погружении | C2 | 0,43 | – |
| 7. | Коэффициент обтекаемости при всплытии | C3 | 0,63 | – |
| 8. | Коэффициент вязкости воды | j | 0,105·10-2 | Па·с |
| 9. | Ускорение свободного падения | g | 9,8 | м/с2 |
| 10. | Время движения до воды | t1 | 1,44 | с |
| 11. | Обхват грудной клетки | L | 0,81 | м |
| 12. | Площадь сечения грудной клетки | S1 | 0,045 | м2 |
5. Таблица вычислений
| Параметр | Формула | Вычисления | Результат |
| 1. Движение тела в воздухе | |||
| 1.1. Ускорение движения от А до В с учётом сопротивления воздуха | 9,65 м/с2 | ||
| 1.2. Сила сопротивления воздуха F0 | 7,2 Н | ||
| 1.3. Скорость входа тела в воду (конечная скорость движения тела в воздухе) | при | 13,9 м/с | |
| 1.4. Коэффициент обтекаемости тела в воздухе C1. Силу сопротивления воздуха F0 запишем как силу динамического сопротивления движению тела в воздухе: , где – средняя скорость в воздухе | 2,57 | ||
| 2. Движение тела при погружении | |||
| 2.1. Среднее значение силы лобового сопротивления FЛС | 934,65 Н | ||
| 2.2. Сила вязкости воды FВ | 0,0177 Н |
| Параметр | Формула | Вычисления | Резуль- тат |
| 2.3. Сила Архимеда Fарх | 472,3 Н | ||
| 2.4. Глубину погружения h2 определим приравняв потенциальную энергию к алгебраической сумме работ сил сопротивления: | 5,023 м | ||
| 2.5. Время погружения t2 вычислим разделив глубину погружения h2 на среднюю скорость погружения | 0,72 с | ||
| 2.6. Инерционные перегрузки при вхождении в воду n с учётом ускорения торможения в воде: | 1,97 | ||
| 2.7. Импульс силы при погружении | 667,2 Н·с | ||
| 3. Движение тела при всплытии | |||
| 3.1. Ускорение при всплытии а3 найдём из уравнения: , т.к. FВ малó, то пренебрегаем, тогда: | 0,0159 м/с2 | ||
| 3.2. Время всплытия t3 определим из формулы: | 25,14 с | ||
| Параметр | Формула | Вычисления | Резуль- тат |
| 3.3. Время нахождения под водой t4 | 25,86 с |
6. Таблица результатов
| № | Параметр | Обозначение | Величина | Единица измерения (СИ) |
| 1. | Сила сопротивления воздуха | F0 | 7,2 | Н |
| 2. | Коэффициент обтекания в воздухе | C1 | 2,57 | – |
| 3. | Глубина погружения | h2 | 5,023 | м |
| 4. | Время погружения | t2 | 0,72 | с |
| 5. | Время всплытия | t3 | 25,14 | с |
| 6. | Время нахождения под водой | t4 | 25,86 | с |
| 7. | Инерционные перегрузки | n | 1,97 | |
| 8. | Импульс силы при погружении | F·t | 667,2 | Н·с |
Таблица вариантов исходных данных РГР №2
| Параметры | Номер варианта | ||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | ||
| 1. | Масса тела, m (кг) | 42 | 44 | 46 | 48 | 50 | 52 | 54 | 56 | 58 | 60 |
| 2. | Высота вышки, Н (м) | 10 | 10 | ||||||||
| 3. | Плотность тела, ρ (кг/м3) | 996 | 994 | ||||||||
| 4. | Плотность воздуха, ρ1 (кг/м3) | 1,29 | 1,29 | ||||||||
| 5. | Плотность воды, ρ2(кг/м3) | 1000 | 1000 | ||||||||
| 6. | Коэффициент обтекаемости при погружении, C2(–) | 0,40 | 0,41 | 0,42 | 0,43 | 0,44 | 0,45 | 0,46 | 0,47 | 0,48 | 0,49 |
| 7. | Коэффициент обтекаемости при всплытии, C1 (–) | 0,60 | 0,61 | 0,62 | 0,63 | 0,64 | 0,65 | 0,66 | 0,67 | 0,68 | 0,69 |
| 8. | Коэффициент вязкости воды, j(Па·с) | 0,105·10-2 | 0,105·10-2 | ||||||||
| 9. | Ускорение свободного падения, g (м/с2) | 9,8 | 9,8 | ||||||||
| 10. | Время движения до воды, t1 (с) | 1,44 | 1,44 | ||||||||
| 11. | Обхват грудной клетки, L (м) | 0,75 | 0,77 | 0,79 | 0,81 | 0,83 | 0,85 | 0,88 | 0,90 | 0,91 | 0,93 |
| 12. | Площадь сечения грудной клетки, S1 (м2) | 0,045 | 0,045 | 0,053 | |||||||
studfiles.net
Плавание тел
Закон Архимеда дает возможность разъяснить все вопросы, связанные с плаванием тел.
Пусть тело погружено в жидкость и предоставлено самому себе. Если вес тела больше веса вытесненной им жидкости, то оно будет тонуть — погружаться, пока не упадет на дне сосуда; если вес тела меньше веса вытесненной жидкости, то оно будет всплывать, поднимаясь к поверхности жидкости; только в том случае, если вес тела в точности равен весу вытесненной жидкости, оно будет находиться в равновесии внутри жидкости. Например, куриное яйцо тонет в пресной воде, но плавает в соленой. Можно сделать раствор соли, концентрация которого постепенно уменьшается кверху, так что выталкивающая сила внизу сосуда больше, а вверху меньше веса яйца. В таком растворе яйцо держится на такой глубине, где его вес в точности равен выталкивающей силе.
Если твердое тело однородно, т. е. во всех точках имеет одну и ту же плотность, то тело будет тонуть, всплывать или оставаться в равновесии внутри жидкости в зависимости от того, больше ли плотность тела плотности жидкости, меньше или равна ей. В случае неоднородных тел нужно сравнивать с плотностью жидкости среднюю плотность тела.
Рис. 265. Льдина плавает, погрузившись в воду глубоко. Сосновое полено погружается при плавании только наполовину
Если вес тела, погруженного в жидкость, меньше веса жидкости в объеме тела, то оно всплывает. Поднявшись на поверхность, оно плавает так, что часть его выступает из жидкости. Плавающие тела разных плотностей погружаются в жидкость на разную долю своего объема (рис. 265). Это объясняется тем, что при равновесии тела, плавающего на поверхности жидкости, вес вытесненного объема, жидкости (в данном, случае — объема части тела, находящейся под свободным уровнем жидкости) должен быть равен весу тела. Поэтому тело, плотность которого лишь незначительно меньше плотности жидкости (например, льдина в воде), погружается при плавании глубоко. У такого тела только при глубоком погружении выталкивающая сила делается равной весу тела. Если же плотность тела значительно меньше плотности жидкости, то тело погружается неглубоко. Сказанное можно проверить при помощи весов. Вместо одной из чашек подвесим ведерко, до краев наполненное водой, и уравновесим его гирями. Опустим в ведерко кусок дерева так, чтобы он свободно плавал, не касаясь дна ведерка. Из ведерка вытечет часть воды, вытесненная деревом, но равновесие не нарушится. Следовательно, вес вытекшей (вытесненной) воды равен весу плавающего куска дерева. В судостроении вес воды, вытесняемой судном, называется его водоизмещением. Очевидно, водоизмещение равно весу судна. При загрузке судно погружается глубже в воду и водоизмещение его возрастает на величину, равную весу груза.
Закон плавания тел положен в основу устройства ареометра. Ареометр представляет собой стеклянный сосуд с грузиком, снабженный длинным отростком, на котором нанесена шкала (рис. 266). При плавании в жидкости ареометр погружается на большую или на меньшую глубину в зависимости от плотности жидкости. Чем больше плотность жидкости, тем меньше погружается ареометр. На шкале отмечаются непосредственно значения плотности жидкости, отвечающей погружению ареометра до данного деления. Таким образом, отметки на шкале растут сверху вниз, Ареометр применяется обычно для точных измерений в жидкостях с близкими плотностями (например, в растворах разных концентраций). Точность измерения достигается благодаря тому, что отросток со шкалой делают тонким: тогда даже малым изменениям плотности отвечает заметное изменение глубины погружения.
Рис. 266. Ареометр (шкала в 
)
162.1. Где больше осадка судна при одной и той же нагрузке — в море или в реке?
162.2. Встакане с водой плавает кусок льда. Как изменится уровень воды, когда лед растает?
162.3. Ведро, доверху налитое водой, висит на пружинных весах. Если опустить в ведро кусок железа, подвешенный на нити, то часть воды выльется. Изменится ли показание весов?
162.4. Какая часть объема дубового полена находится под поверхностью воды, если плотность дуба равна 
?
162.5. Стальной шарик плавает в ртути. Какая часть его находится над ртутью? Изменится ли положение шарика, если сверху налить воду? Плотность стали равна 
, ртути — 
.
162.6. Льдина, имеющая форму призмы, плавает в воде, высовываясь наружу на 2 см. Какова масса льдины, если площадь ее основания 
? Плотность льда равна 
.
162.7. Однородное тело плавает на поверхности спирта так, что объем погруженной части составляет 0,92 всего объема тела. Найдите объем погруженной части при плавании этого тела на поверхности: а) воды; б) ртути. Плотность спирта равна 
.
sfiz.ru
Как рыба регулирует глубину погружения? Физика
Основная функция плавательного пузыря у рыбы — гидростатическая. Он помогает рыбе оставаться на определённой глубине, где вес вытесняемой рыбой воды равен весу самой рыбы. Когда же рыба активно опускается ниже этого уровня, тело её, испытывая большее наружное давление со стороны воды, сжимается, сдавливая плавательный пузырь. При этом вес вытесняемого объёма воды уменьшается и становится меньше веса рыбы и рыба падает вниз. Чем ниже она опускается, тем сильнее становится давление воды, тем больше сдавливается тело рыбы и тем стремительнее продолжается её падение. Наоборот, при всплытии ближе к поверхности газ в плавательном пузыре расширяется и уменьшает удельный вес рыбы, что ещё больше выталкивает рыбу к поверхности. Таким образом, основное назначение плавательного пузыря — обеспечивать нулевую плавучесть в зоне обычного обитания рыбы, где ей не надо тратить энергию на поддержание тела на этой глубине. Например, акулы, у которых плавательный пузырь отсутствует, вынуждены поддерживать глубину своего погружения постоянным активным движением.
Ошибаетесь... это скорее не физика, а биология... И тем не менее-у рыб сбоку есть боковая линия, которая помогает им ориентироваться в воде, ну и собственно при помощи этой линии она определяет глубину... как регулирует?? ? Рыба просто осознает, что глубже нельзя и просто туда не плывет... если к ней конечно камень не привязать...
Добавлю к ответу Aqua из учебника биологии 7 класса . Рыбы, у которых нет плавательного пузыря (акулы, например) , "регулирую глубину" с помощью плавников, особенного хвостового.
Пузырь имеет связь с плаванием рыб, так как рыбы, у которых пузырь был при опытах искусственно удален, могли держаться в воде, только усиленно работая плавниками, а при прекращении этой работы опускались на дно. У акул вообще нет пузыря, вот и приходится им постоянно работать плавниками, чтобы не «утонуть» – упасть на дно. Чтобы не «утонуть» , акула «плавает» даже во сне. Какова же истинная функция пузыря? Весьма ограниченная и пассивная: он лишь помогает рыбе оставаться на определенной глубине, а именно на той, где вес вытесняемой рыбой воды равен весу самой рыбы. Сжимать пузырь, изменяя плавучесть, рыба не в состоянии, так как стенки ее плавательного пузыря лишены мышечных волокон, которые могли бы изменять его объем.
Чо, тоже физику списываешь?
touch.otvet.mail.ru
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 находитсяприведенного 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
podlodka.info
Закон Архимеда для неподвижных т
Закон Архимеда для неподвижных тел
Любое тело, погруженное в жидкость, подвергается сжимающему и выталкивающему действию со стороны жидкости.
Представим такую ситуацию: ученый, владеющий современными приборами и мощным математическим аппаратом, решил вычислить силу, выталкивающую из жидкости погруженное в нее тело.
Он экспериментально установит, что на единицу поверхности тела, погруженного в жидкость с плотностью rдействует по нормали к поверхности сила гидростатического давления p, зависящая от глубины погружения h по определенному закону (rgh) и не зависящая от ориентации поверхности.
Он сложит векторы сил давления, действующих на различные элементы поверхности тела и направленные по нормали к ним; для этого потребуется вычислить так называемый поверхностный интеграл от некоторой векторной функции по поверхности тела сложной формы. С помощью современного математического аппарата и мощных компьютеров этот интеграл может быть вычислен. Но каково же будет изумление этого ученого, когда окажется, что полученный результат численно равен весу жидкости в объеме погруженной части тела! Этот результат был получен греческим ученым Архимедом 2200 лет назад, причем в общем виде - для тел любой формы!
Попробуем восстановить ход рассуждений Архимеда и вывести его закон.
На рис. 1, изображено тело, помещенное в жидкость. На это тело со стороны жидкости действует описанная выше сила гидростатического давления. Для нахождения этой силы вместо вычисления сложных интегралов проведем мысленный эксперимент: уберем тело и рассмотрим жидкость в объеме V, который занимала погруженная часть тела (рис. 2). На эту жидкость действует сила тяжести mg= Vg и сила гидростатического давления F. Выделенный объем находится в равновесии, следовательно, сила, действующих на жидкость в этом объеме, равны: F=rVg.
Отсюда следует выражение для силы гидростатического давления: F=rVg.
Мы нашли силу, действующую на поверхность жидкости, заполняющей объем V. Но поверхность тела, погруженного в жидкость, совпадает с поверхностью жидкости в нашем мысленном эксперименте, следовательно, найденное выражение и есть "выталкивающая" сила - сила Архимеда FАрх=rgV.
Это равенство и носит название закон Архимеда.
Сила Архимеда. Условие плавания тел.
|
1.В сосуде с водой плавает брусок из льда, на котором лежит деревянный шар. Плотность вещества шара меньше плотности воды. Изменится ли уровень воды в сосуде, если лед растает? |
|
|
2.В сосуде с водой плавает железный коробок, ко дну которого при помощи нити подвешен стальной шар. Шар не касается дна сосуда. Как изменится высота уровня воды в сосуде, если нить, удерживающая шар, оборвется? |
|
|
3.В сосуде с водой плавает деревянный диск, в центре которого укреплен шарик из свинца (см.рис.) Из-менится ли уровень воды в сосуде относительно его дна, если диск перевернуть? |
|
|
4.Кусок льда, внутри которого вморожен шарик из свинца, плавает в цилиндрическом сосуде с водой. Пло-щадь дна сосуда S. Какова масса шарика, если после полного таяния льда уровень воды в сосуде понизился на h? Плотность свинца r1, воды r2. |
|
|
5.На левой чаше весов находится сосуд с водой, а на правой—штатив, к перекладине которого подвешено на нити какое-нибудь тело. Пока тело не погружено в воду, весы находятся в равновесии (см. рис.). Затем нить удлиняют так, что тело полностью погружается в воду (не касаясь дна сосуда). При этом равновесие весов нарушается. Какой груз и на какую чашу весов нужно положить, чтобы восстановить равновесие? |
|
Решение задачи №1
Способ №1
Вспомним условие плавание тел: вес вытесненной жидкости равен весу плавающего тело. На основе этого в данной задаче можно утверждать, что:
- Когда в сосуд опустили лед с шариком, уровень воды в нем поднялся на столько, чтобы вытеснялся вес воды равный весу льда и шарика.
- Вес той части воды, которая вытеснялась за счет веса льда, имеет равный ему вес.
Поэтому:
- когда лед растает, и соответствующая часть воды уже не будет вытесняться, ее место займет равное количество талой воды.
- Вода, вытесненная за счет веса шарика, останется в прежнем количестве.
Следовательно, уровень воды останется прежним
Способ №2
Рассуждаем так:
- Уровень воды в сосуде определяет давление на дно по формуле:p=rgh.
- Давление определяет силу давления на дно сосуда по формуле:F=pS, где S – площадь дна сосуда.
- Сила давления на дно сосуда - это просто вес его содержимого.
Так как вес содержимого не изменился после того, как лед растаял, то сила давления на дно осталась прежней, и, следовательно, давление на дно осталось прежним, и, следовательно, уровень воды остался прежним.
Решение задачи №2
Так как тело плавает, вес вытесненной воды будет равен весу шарика с диском (условие плавания тел).
Будем считать, что при перевороте диска, свинцовый шарик продолжает плавать вместе с ним. Следовательно, вес вытесненной воды не изменится и уровень воды в сосуде тоже.
Решение задачи №3
Шар и коробок плавают вместе: они вытесняют вес воды равный сумме веса коробка и веса шара.
Коробок плавает, а шар лежит на дне: вытесняется вес воды равный весу коробка и вес воды в объеме шара.
Вес стального шара больше веса воды в объеме этого шара. Следовательно, в первом случае вытесняется больше воды, чем во втором и уровень воды понизится.
Решение задачи №5
Что происходит с правой чашкой весов?
После полного погружения тела в воду, на него будет действовать выталкивающая сила (сила Архимеда) и оно станет легче на величину веса воды в объеме тела (закон Архимеда). Следовательно, вес на правой чашке на эту величину станет меньше.
Что происходит с левой чашкой весов?
Уровень воды в сосуде повысится, увеличится давление на дно, следовательно, возрастет сила давления на дно сосуда и, следовательно, вес на левой чашке возрастет.
На какую величину возрастет вес на левой чашке?
Полностью погруженное тело вытесняет вес воды в объеме тела. Легко сообразить, что именно вытесненная вода оказывает дополнительное давление на дно сосуда и создает дополнительный вес равный собственному весу. Следовательно, вес на левой чашке увеличится на вес воды в объеме погруженного тела.
(К такому же выводу можно прийти и быстрее: на тело со стороны воды действует выталкивающая сила равная весу в объеме тела, но действие одного тела на другое всегда носит характер взаимодействия. Следовательно, со стороны тела на жидкость действует такая же по величине сила, направленная в противоположную сторону.)
Поэтому, чтобы уравновесить весы надо на правую чашку положить гирю, имеющую удвоенный вес воды в объеме погруженного тела.
Решение задачи №4
Так как содержимое сосуда не меняется, то остается неизменной сила давления на дно сосуда. Посчитаем силу давления на дно до того, как растаял лед:
F=pS, p=r 2gH
F=Sr 2gH (где H – уровень воды в сосуде до того, как лед растаял).
После того, как лед растает, сила давления на дно складывается из силы гидростатического давления(F1)и веса шарика, лежащего на дне (F2):
F= F1+ F2
F1= Sr 2g(H-h), уровень воды понизился на h по условию задачи.
Вес шарика, полностью погруженного в воду (F2), вычисляется как разность силы тяжести (Mg=r1gVшарика) и действующей на него силы Архимеда (Fарх=r 2gVшарика), поэтому :
F2=Mg - r2gVшарика=r1gVшарика-r2gVшарика=(r1-r2)gVшарика
Но силы давления на дно до и после равны, поэтому получаем следующее уравнение:
Sr 2gH = Sr2g(H-h)+(r1-r2)gVшарика
Из этого уравнения можно легко найти объем шарика (Vшарика), а потом и его массу:
M=r1Vшарика
Некоторые формулы и законы
Запомни, пожалуйста, как связаны между собой масса (M), плотность (r )и объем (V):
M=r V, r =M/V, V=M/r
Сила тяжести
F=Mg, где g=9,8Н/кг
Вес тела
Вес тела – сила, действующая на опору или подвес. Мы ее, пока, вычисляем по формуле:
P=mg
Закон Архимеда (сила Архимеда)
На тело в жидкости или газе действует выталкивающая сила равная весу газа или жидкости в погруженном в жидкость или газ объеме тела.
Если жидкость (газ) одна (однородна), то формула получается такой:
F=r gV,
где V – объем части тела, погруженной в жидкость (газ).
Если тело находится на границе двух жидкостей (газов), тогда формула получается такой:
F=r 1gV1+r 2gV2,
где r 1 и V1 – плотность первой жидкости и часть объема тела, погруженного в нее, а r 2 и V2плотность второй жидкости и часть объема тела, погруженного в нее.
Подъемная сила
Подъемной силой называется равнодействующая силы Архимеда и силы тяжести, действующих на тело. Формула получается такой:
Fпод=Fарх - Mg
Механическая работа
Механическая работа:
A=Fs, где F- сила, s – путь в направлении действия силы
Если сила противоположна перемещению тела, то формула будет такой:
A=-Fs
Если сила перпендикулярна перемещению, то
A=0
К уроку
Сайт создан в системе uCozhomefizika.narod.ru
