Доброе время суток. Я рада, что Вы нашли возможность заглянуть на мою страничку. Данная страница является результатом проектной работы, в рамках которой нами были подготовлены материалы по темам «Сообщающиеся сосуды» и «Давление на больших глубинах». Дополнительно нами из готовлены приборы, позволяющие проводить демонстрационные опыты и фронтальные лабораторные работы.
Надеюсь, что Вам будет интересно.
Давление на дне морей и океанов
Нельзя сказать, что людям надоело жить на суше
или места вдруг стало катастрофически не хватать,
но мысли о переселении в океан манят все сильнее.
Две трети земного шара покрыто водой. Это моря, океаны. Глубина их в отдельных местах настолько велика, что высочайшие горные хребты и отдельные вершины скрылись бы целиком под водой, если бы каким-либо путём удалось погрузить эти горы в морскую пучину.
И решил человек постичь тайны, скрывающиеся под водой.
А для чего? — Чтобы изучать морских животных и морские растения; — Чтобы добывать со дна морей и океанов полезные ископаемые; — Чтобы прокладывать по дну кабели и трубопроводы; — Чтобы производить спасательные работы; — Для подводной охоты; — Ради спорта (дайвинг).
В морской глубине существуют особые условия. Там царствует мрак, так как солнечный свет, постепенно угасая, совершенно исчезает на глубине 180м. Из практики подводных работ установлено, что при спуске на каждые 10,3 м давление увеличивается на 1 атмосферу, соответственно, давление на глубине 10 км в 1000 раз превышает атмосферное. Вот почему при погружении на большие глубины человеку приходится использовать специальное снаряжение.
И сейчас я предлагаю вам познакомиться с различными видами снаряжения, предназначенного для погружения.
Погружаться под воду люди начали достаточно давно. Уже в 4 тысячелетии до нашей эры находились смельчаки, которые ныряли в бездну, чтобы добыть кораллы. Так же известны случаи, когда воины под водой выстраивали целые искусственные рифы для вражеского судна или же совершали другие мелкие шалости, например, обрезали якоря. Для дыхания они приспосабливали трубки и мешки с воздухом. Но такие устройства были неудобны — мешки постоянно всплывали на поверхность, да и воздуха в них вмещалось маловато. В настоящее время н а глубинах до 90м используется водолазный костюм, выполненный из прорезиненной ткани. Он даёт возможность водолазу быть под водой подвижным, способным к любой работе. Так же используется а кваланг, который представляет собой баллон со сжатым воздухом. Современный акваланг был изобретён в 1943 году известным французским исследователем Жак-Ивом Кусто в сотрудничестве с талантливым инженером Эмилем Ганьян. Акваланг произвёл революцию в изучении и освоении Мирового океана — человек почувствовал себя в чужой стихии совершенно свободным. За первым изобретением сразу последовали другие.
Жесткие скафандры дают возможность большего проникновения в глубь океана. Наибольшая глубина погружения водолаза в жестком скафандре немногим больше 200 м. Но такой скафандр связан с кораблем с помощью шланга, по которому подается воздух , он сковывает движения водолаза, мешает быстрому передвижению последнего под водой, и ограничивает свободу работы. Стенки этого скафандра имеют толщину больше сантиметра. Поскольку оболочка принимает на себя чудовищное давление на больших глубинах (от 30 до 60 атмосфер), она совершенно жёсткая. А водолазу, чтобы не просто рассматривать рыбок сквозь полусферический иллюминатор, но и выполнять, например, резку, сварку, дефектоскопию или спасательные работы, нужно иметь возможность сгибать руки и ноги. Для этого конечности сделаны «суставными» – они разделены на сегменты, а поэтому руки и ноги сгибаются за счет поворота сегментов.
Современные подводные лодки способны выдержать давление воды на больших глубинах погружения. Внутри прочный корпус разделен на отсеки переборками, что повышает живучесть корабля в случае течи. Глубина погружения — одна из главных характеристик подводного корабля. До первой мировой войны считалась достаточной 50-метровая глубина, так как позволяла подводной лодке укрыться и не быть обнаруженной противником. Позже, с увеличением глубины возрастала свобода движения, лодка становилась мобильнее. На сегодняшний день возможная глубина погружения лодок может составлять в среднем 700 м.
Трудность создания конструкции, приспособленной для исследования больших глубин, заставила учёных искать решение вопроса в постройке особой герметической камеры, в которой можно было бы опускать исследователя со всеми приборами на глубину более чем 1000 м. Такая шарообразная кабина, названная учёными «батисферой», рассчитана на большие давления и удерживается с помощью троса. Батисфера не может передвигаться самостоятельно под водой, она может только висеть на одном месте, размотав трос. С глубиной погружения риск опускания в батисфере растёт, т.к. чем глубже уходит в море батисфера, тем сильнее натягивается трос, на котором она опускается, тем больше возрастает её вес. Впервые с её помощью на глубину 923м в 1934 г. опустился профессор Биби. В 1940г. тоже в батисфере на глубину 1360 м опустился инженер Бартан, сотрудник Биби. Эта глубина стала рекордной для спуска батисферы.
В 1948 г. состоялось первое испытание батискафа — автономного аппарата для погружения на большие глубины. Достигнув рассчитанной глубины, батискаф может неподвижно «висеть» в воде, может и передвигаться в горизонтальном направлении при помощи гребного винта вращающегося от электродвигателя. Несмотря на то, что прочность кабины рассчитана на давление морской глубины в 20 км, первые пробы спуска батискафа производились без экипажа. Глубина его опускания была 1380 м. Второй, более усовершенствованный, батискаф «Триест» совершил погружение уже на глубину 3150 м. А в 1954 г. погружение составило 4050 м. В 1960 году Жак с улучшенной моделью батискафа “Триест” из высокопрочной легированной стали, после пятичасового спуска достиг дна на глубине 10910 м в Марианской впадине Тихого океана-самой глубокой впадине Мирового океана.
Источник
Почему под водой давление больше
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.
Абсолютное давление воды на человека значительно увеличивается с глубиной погружения (1 атмосфера на каждые 10 м погружения). Так, на глубине 10 метров по сравнению с атмосферным давлением оно удваивается и равно 2 кгс/см (200 кПа), на глубине 20 м — утраивается и т.д. Однако относительный прирост давления с увеличением глубины уменьшается.
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.
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/см (17 кПа) больше, чем голова. К верхним областям тела, где давление меньше, кровь приливает (полнокровие), от нижних областей тела, где давление больше, отливает (частичное обескровливание, ноги мерзнут сильнее). 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/см (2 — 3 кПа) и нагрузка на сердце возрастает незначительно.
Дыхание
В нормальных условиях при каждом вдохе-выдохе в легких обменивается не более всего находящегося в них воздуха. Альвеолярный воздух имеет постоянный состав и в отличии от атмосферного содержит 14% кислорода, 5,6% углекислого газа и 6,2% водяных паров.
Часть воздуха заполняет дыхательные пути организма (трахеи, бронхи) и не участвует в процессе газообмена. При выходе этот воздух удаляется, не достигнув альвеол. При входе 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 0.175 литра.
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.
При усилении 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.
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
При выдохе средний удельный вес человека находится впределах 1020 — 1060 кгс/м куб. (10,2 — 10,6 кН/м куб.) и наблюдается отрицательная плавучесть 1 — 2 кгс (10 — 20 Н). При вдохе средний удельный вес человека понижается до 970 кгс/м re,. и появляется незначительная положительная плавучесть.
При плавании в гидрозащитной одежде плавучесть увеличивается. Плавучесть можно отрегулировать с помощью грузов. Для плавания под водой обычно создают незначительную отрицательную плавучесть — 0,5 — 1 кгс.
Ориентирование
При плавании под водой человек лишен привычной опоры. Под водой пловец с закрытыми глазами допускает ошибки в определении положения тела в пространстве на угол 10 — 25 градусов .
При попадании в слуховой проход холодной воды вследствие раздражения вестибулярного аппарата у пловца появляется головокружение, затрудняется определение направления и ошибка часто достигает 180 град..
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.
Сопротивление воды оказывает заметное влияние на скорость плавания. 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.
Температурный баланс
Охлаждение организма в воде протекает интенсивней, чем на воздухе. Теплопроводность воды в 25 раз, а теплоемкость в 4 раза больше, чем воздуха. Если на воздухе при 4 град человек может без опасности для своего здоровья находиться в течении 6 ч и при этом температура 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.
Воздух, непосредственно соприкасающийся с кожей, быстро нагревается и фактически имеет более высокую температуру, чем окружающий. Даже ветер не может удалить с кожи этот слой теплого воздуха. В воде с ее большей удельной теплоемкостью и большей теплопроводностью слой, прилегающий к телу, не успевает нагреваться и легко вытесняется холодной водой. Поэтому температура поверхности тела в воде понижается интенсивней, чем на воздухе.
Вследствие интенсивного охлаждения и обжатия гидростатическим давлением кожная чувствительность в воде понижается, болевые ощущения притупляются, поэтому могут остаться незамеченными небольшие порезы и даже раны.
Слышимость
Слышимость в воде ухудшается, так как звуки под водой воспринимаются преимущественно путем костной проводимости, которая на 40% ниже воздушный. Дальность слышимости при костной проводимости зависит от тональности звука: чем выше тон, тем лучше слышен звук.
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 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
Видимость в воде зависит от количества и состава растворенных в ней веществ, взвешенных частиц, которые рассеивают световые лучи. Глубина проникновения света в толщу воды зависит от угла падения лучей и состояния водной поверхности.
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.
Зрение под водой имеет свой особенности. Вода обладает примерно такой же преломляющей способностью, как и оптическая система глаза. Если пловец погружается без маски, то острота зрения ухудшается в 100..200 раз, а поле зрения уменьшается, изображение предметов получается неясным, расплывчатым, и человек становится как бы дальнозоркий.
При погружении пловца-подводника в маске изображение предметов несколько ближе и выше его действительного местоположения. Сами же предметы кажутся под водой значительно больше, чем в действительности.
Цветоощущение в воде резко ухудшается. Особенно плохо воспринимаются синий и зеленый цвета, которые близки к естественной окраске воды, лучше всего — белый и оранжевый.
Влияние на организм парциального давления газов
Газы, входящие в состав воздуха для дыхания, оказывают влияние на организм человека в зависимости от величины парциального (частичного) давления, то есть давления газа в объеме если удалить все другие компоненты газовой смеси:
Рг — парциальное давление газа, кгс/см , мм рт. ст. или кПа;
n — содержание газа в воздухе, %;
Ра — абсолютное давление воздуха, кгс/см , мм рт. ст. или кПа.
Азот воздуха начинает оказывать токсическое действие практически при парциальном давлении 5,5 кгс/см (550 кПа). Так как в атмосферном воздухе содержится примерно 78% азота, указанному парциальному давлению азота, согласно формуле, соответствует абсолютное давление воздуха 7 кгс/см (глубина погружения — 60 м).
Кислород в больших концентрациях даже в условиях атмосферного давления действует на организм отравляюще. Так при парциальном давлении кислорода 1 кгс/см (дыхание чистым кислородом в атмосферных условиях) уже после 72 — часового дыхания в легких развиваются воспалительные явления. При парциальном давлении кислорода более 3 кгс/см через 15..30 мин возникают судороги и человек теряет сознание.
При малом парциальном давлении кислорода во вдыхаемом воздухе (ниже 0,16 кгс/см ) кровь, протекая через легкие, насыщается не полностью, что приводит к снижению работоспособности, а в случаях острого кислородного голодания — к потере сознания.
Углекислый газ . Повышенное содержание углекислого газа в организме приводит к отравлению, пониженное — к снижению частоты дыхания и его остановке (апноэ). В нормальных условиях парциальное давление углекислого газа в атмосферном воздухе составляет 0,0003 кгс/см (=30Па). Если парциальное давление углекислого газа во вдыхаемом воздухе составляет 0,03 кгс/см (=3кПа), организм уже не справится с выделением этого газа путем усиленного дыхания и кровообращения и могут наступить тяжелые расстройства.
Насыщение организма газами. Пребывание под повышенным давлением влечет за собой насыщение организма газами, которые растворяются в тканях и органах.
Влияние на организм задержки дыхания при нырянии
В воде во время ныряния потребность сделать вдох некоторое время не ощущается. Это происходит до тех пор, пока парциальное давление углекислого газа в крови не достигнет величины, необходимой для возбуждения дыхательного центра. Но и в этом случае усилием воли можно подавить потребность сделать вдох и остаться под водой. При продолжительном воздействии углекислого газа на дыхательный центр его чувствительность сделать вдох в дальнейшем притупляется.
Появление потребности сделать вдох является для ныряльщика сигналом к всплытию на поверхность. Если же ныряльщик не всплывает, то по мере расхода запасов кислорода, содержащегося в воздухе легких, начинает развиваться явление кислородного голодания, которое быстротечно заканчивается неожиданной потерей сознания. Кислородное голодание — наиболее частая причина гибели при нырянии.
а воины под водой выстраивали целые искусственные рифы для вражеского судна или же совершали другие мелкие шалости, например, обрезали якоря. Для дыхания они приспосабливали трубки и мешки с воздухом. Но такие устройства были неудобны — мешки постоянно всплывали на поверхность, да и воздуха в них вмещалось маловато. В настоящее время н а глубинах до 90м используется водолазный костюм, выполненный из прорезиненной ткани. Он даёт возможность водолазу быть под водой подвижным, способным к любой работе. Так же используется а кваланг, который представляет собой баллон со сжатым воздухом. Современный акваланг был изобретён в 1943 году известным французским исследователем Жак-Ивом Кусто в сотрудничестве с талантливым инженером Эмилем Ганьян. Акваланг произвёл революцию в изучении и освоении Мирового океана — человек почувствовал себя в чужой стихии совершенно свободным. За первым изобретением сразу последовали другие.
а в жестком скафандре немногим больше 200 м. Но такой скафандр связан с кораблем с помощью шланга, по которому подается воздух , он сковывает движения водолаза, мешает быстрому передвижению последнего под водой, и ограничивает свободу работы. Стенки этого скафандра имеют толщину больше сантиметра. Поскольку оболочка принимает на себя чудовищное давление на больших глубинах (от 30 до 60 атмосфер), она совершенно жёсткая. А водолазу, чтобы не просто рассматривать рыбок сквозь полусферический иллюминатор, но и выполнять, например, резку, сварку, дефектоскопию или спасательные работы, нужно иметь возможность сгибать руки и ноги. Для этого конечности сделаны «суставными» – они разделены на сегменты, а поэтому руки и ноги сгибаются за счет поворота сегментов.
Трудность создания конструкции, приспособленной для исследования больших глубин, заставила учёных искать решение вопроса в постройке особой герметической камеры, в которой можно было бы опускать исследователя со всеми приборами на глубину более чем 1000 м.
