Примеры проявлениязакона Архимеда в природе
Открытиеосновного закона гидростатики – одно из крупнейших завоеваний античной науки.Чтобы оценить значение открытия, рассмотрим примеры проявления и использованияэтого закона в природе, широко известного как закон Архимеда.
Воды южных морей имеют более высокую соленость и плотность, чем водыарктического бассейна. Поэтому в Арктике нередки случаи, когда воды теплыхтечений опускаются под холодные воды северных широт. Например, в районесевернее Шпицбергена теплое южное течение опускается под холодные водыЛедовитого океана. Подобным же образом теплое течение Жаннетты, выходя изБерингова пролива, проходит под водами Арктики и выходит на поверхность лишь уберегов Северной Америки. Различная соленость вод имеет большое значение длявозникновения течений и в южных широтах. В Мраморном море вода более соленая ибыстрее испаряется, чем в Черном. Поэтому через Босфор в придонных слоях водапротекает из Мраморного моря в Черное, в поверхностных же слоях имеет местопротивоположное течение.
Подземные реки могут иметь выход не только на земную поверхность, но и на дноморя. Будучи более легкими, воды этих рек в неглубоком море могут подниматьсядо его поверхности, практически не смешиваясь с соленой водой. Подобные выходыпресных вод в открытом море имеются вблизи Марокканского побережьяАтлантического океана (у Агадира) и в Коринфском заливе Ионического моря –вблизи Коринфа.
Поскольку средняя плотность тела рыб близка к плотности воды, их вес вблизиосновных горизонтов жизнедеятельности достаточно хорошо уравновешиваетсявыталкивающей силой по закону Архимеда. Благодаря ритмичной работе мышц рыбаможет отталкиваться от воды и таким образом перемещаться. При этом по ее телу внаправлении от головы к хвосту с возрастающей амплитудой пробегает плоская иливинтообразная упругая волна. Скорость распространения этой волны превышаетбыстроту перемещения рыбы. За счет ритмичного отталкивания от воды прираспространении по телу упругой волны и осуществляется плавание рыб. К помощиплавников рыбы прибегают только для поддержания равновесия и при медленныхперемещениях.
Такие обитатели морей, как осьминог, каракатица, моллюск сальпа, приперемещении используют принцип реактивного движения – они втягивают воду вспециальные мускулистые мешки своего тела, а затем выталкивают ее наружу.Благодаря этому животные получают возможность перемещаться в направлении,противоположном выбрасываемой струе. А веслоногие, например черепахи, плавают,отталкиваясь от воды ногами.
Мелкие рыбы обычно движутся стаями. К этому их принуждает то обстоятельство,что при увеличении скорости движения близко расположенных тел по законуБернулли понижается давление в пространстве между ними. Давление между каждымидвумя соседними рыбами в рыбьем косяке будет меньше, чем в среде, невозмущенной движением рыбьей стаи. В этом случае рыбы будут испытыватьнебольшую прижимающую их друг к другу силу и двигаться вместе. Если бы рыбы вкосяке не подчинялись действию гидродинамических сил, они затрачивали бы большеэнергии для своего перемещения.
В Средиземном море, у берегов Египта, водится удивительная рыба фагак.Приближение опасности заставляет фагака быстро заглатывать воду. При этом впищеводе рыбы происходит бурное разложение продуктов питания с выделениемзначительного количества газов. Газы заполняют не только действующую полостьпищевода, но и имеющийся при ней слепой вырост. В результате тело фагака сильнораздувается, и, в соответствии с законом Архимеда, он быстро всплывает наповерхность водоема. Здесь он плавает, повиснув вверх брюхом, пока выделившиесяв его организме газы не улетучатся. После этого сила тяжести опускает его надно водоема, где он укрывается среди придонных водорослей.
Живущий в тропических морях моллюск наутилус может быстро всплывать и вновьопускаться на дно. Моллюск этот живет в закрученной спиралью раковине. Когдаему нужно подняться или опуститься, он изменяет объем внутренних полостей всвоем организме.
У широко распространенного в Европе водяного паука, обитающего в стоячих илислабо проточных водах, поверхность брюшка не смачивается водой. Уходя вглубину, он уносит с собой приставшую к брюшку воздушную оболочку, котораяпридает ему запас плавучести и помогает возвращению на поверхность.
Произрастающий в дельте Волги вблизи Астрахани чилим (водяной орех) послецветения дает под водой тяжелые плоды. Эти плоды настолько тяжелы, что вполнемогут увлечь на дно все растение. Однако в это время у чилима, растущего вглубокой воде, на черешках листьев возникают вздутия, придающие ему необходимуюподъемную силу, и он не тонет.
Известно, что наибольшие по размерам животные нашей планеты живут в воде. ЗаконАрхимеда способствует тому, чтобы они не были раздавлены весом своего тела. Внаше время самым крупным животным является кит, длина его может достигать30 м. В мезозое крупнейшими были динозавры и среди них атлантозавр, длинатела которого составляла около 60 м.
Так как тела обитателей морей и рек содержат в своем составе много воды,давление в организме этих животных и в окружающей среде легко выравнивается. Урыб с плавательным пузырем такое уравнивание происходит лишь в сферах ихпостоянной жизнедеятельности. При быстром подъеме из области больших глубин наповерхность водоема плавательный пузырь рыб под действием высокого внутреннегодавления выдавливается наружу, что приводит к их гибели.
В Мертвом море за счет большого количества растворенных солей (более 27% повесу) плотность воды достигает 1,16 г/см3. Купаясь в этом море,человек очень мало погружается в воду, находясь как бы на поверхности,поскольку средняя плотность тела человека меньше плотности воды. В нашей странееще более высокая плотность воды наблюдается в заливе Кара-Богаз-Гол на Каспиии в озере Эльтон.
Для жизни под водой человек совершенно не приспособлен. На глубине 20 мпод действием внешнего давления у него могут лопнуть барабанные перепонки.Опуститься же на глубину более 70 м без специального костюма человекусовершенно невозможно. (Правда, натренированные пловцы на очень короткое времяопускаются под воду на глубину до 51 м).
В человеческом организме в полости живота давление немного превышаетатмосферное, в полости груди, наоборот, меньше атмосферного. Если человек,находясь неглубоко под водой, попытается дышать через узкую трубочку (тростинкуили соломинку), то он может непродолжительное время это делать только притолщине находящегося над ним слоя воды менее 1 м. Дополнительное давлениена человеческий организм столба воды в 1 м и более быстро приводит кполному прекращению дыхания и кровообращения. При этом кровь переполняетсердце, а брюшная полость и ноги почти совершенно обескровливаются. В процессеже ныряния жизнедеятельность человека существенным образом не нарушается,поскольку в этом случае он набирает в легкие дополнительное количество воздуха,которое помогает ему уравновешивать давление воды на его организм.
Известный русский адмирал М.П. Лазарев неоднократно показывал матросам вовремя плаваний следующий любопытный опыт с бутылкой. С помощью свинцового грузапорожнюю закупоренную бутылку матросы опускали под воду на глубину до430 м. После ее подъема на палубу они с удивлением убеждались, что бутылказаполнена глубинной водой и плотно закрыта пробкой, причем верх и низ пробкипоменялись местами. Это происходило за счет давления воды, которое, всоответствии с законами гидродинамики, на глубине 430 м имеет вполнедостаточную для этого величину. Опыт Лазарева представляет собой яркуюдемонстрацию действия давления воды на больших глубинах. Это позволяет лучшепонять действие давления воды и на человеческий организм.
Многим, наверное, не раз приходилось наблюдать ледоход на реках. Еще болееграндиозное зрелище представляют собой айсберги – «плавучие ледяные горы»больших размеров. Айсберги – это массы материкового льда, оторвавшиеся отледника или ледового барьера и плавающие в полярных морях и прилегающих к нимакваториях.
Средняя высота надводной части айсберга нередко достигает 50…70 м,максимальное ее значение приближается к 450 м. Наибольшая длина подводнойчасти может доходить до 130 км. Объем надводной части айсберга составляетнебольшую часть его полного объема.
Перемещаясь в более теплые воды, айсберг оплавляется снизу, в результате чегоцентр тяжести его перемещается выше центра, к которому приложено выталкивающеедействие воды. Такой айсберг теряет равновесие и с шумом переворачивается.
При спокойном море и отсутствии ветра айсберг с подтаявшей нижней частьюначинает раскачиваться, что является признаком предстоящего переворачивания.Когда айсберг находится в состоянии неустойчивого равновесия, даже работа машиннаходящегося поблизости корабля может дать толчок к переворачиванию.
Таяние айсбергов на южной границе северных морей вызывает некоторое понижениесолености воды. В этом же районе в процессе таяния айсберги сбрасывают на дноморей захваченные ими части морен, а иногда и довольно крупные куски скал.
В средней полосе Советского Союза имеются следы подобной деятельностиайсбергов, относящиеся к периоду, когда территория нашей страны была дном моря.Аналогично происходит вынос окатанной гальки на дно арктического бассейна.Примерзая ко льду у берегов, галька вместе с льдинами уносится впоследствии вокеан и опускается на его дно после таяния льда.
В некоторых реках при быстром течении за счет интенсивного перемешивания водыпроисходит переохлаждение отдельных участков дна. При этом переохлажденныйучасток дна покрывается льдом внутриводного и отчасти поверхностногопроисхождения. Иногда донный лед занимает значительную часть сечения реки.Тогда река выходит из берегов, и становится возможным наводнение.
Так как подъемная сила льда пропорциональна его объему, а сила сцепления сложем реки пропорциональна поверхности, то при отложении достаточно большогоколичества льда на дне он может преодолеть сцепление с ложем и всплыть наповерхность. Поднявшаяся на поверхность губчатая масса донного льда обычносодержит различные включения: камни, песок, а иногда и затонувшие якоря вместес якорными цепями. Донный лед может возникать не только на реках, но и внеглубоких местах морей и озер (вблизи берегов), где переохлаждение достигаетдна водоема. В этом случае всплывающий лед поднимает на поверхность придонныеводоросли.
Искусно используют закон Архимеда подводники. Если подводная лодка плывет междуслоями воды с разной температурой, ее балласт подбирают таким образом, чтобыобеспечить небольшую перегрузку для теплого слоя и недогрузку для холодного. Вэтом случае лодка лежит на холодном слое, не нуждаясь в специальных мерах дляподдержания равновесия. Для батискафа с небольшой отрицательной плавучестьюслой более плотной воды может играть роль уравновешивающего «жидкого грунта».
При переходе подводной лодки из морских глубин в устье реки, подводникитщательно следят за расстоянием между лодкой и дном, так как в пресной водевыталкивающая сила Архимеда меньше, чем в морской, и при недосмотре со стороныэкипажа лодка может сесть на илистый грунт речного устья.
Очень большое значение закон Архимеда имеет в технике бурения. Буровая колоннадля бурения глубоких скважин уже на глубине 5 км в воздухе имела бы вес226 тонн. Однако в промывочной жидкости плотностью 2 г/см3 всоответствии с законом Архимеда вес буровой колонны будет сильно уменьшен.Алюминиевые трубы «теряют» в весе в этих условиях до 50%. Подбором промывочнойжидкости можно намного уменьшить вес буровой колонны. Это в огромной степениспособствует успеху бурения.
Используя законы гидростатики, человек все полнее познает условия жизни вводной среде и все больше подчиняет водную стихию своей власти.
Как вы думаете, действует ли этот закон в живых организмах?
Давайте рассмотрим это на примере нашего организма.
Ученики: (используют знания по темам«Кровообращение», «Газообмен в легких и тканях»)
Первый: Кровь в организме человека двигаетсяпо большому кругу кровообращения, благодаря сокращению сердца, но силы инерциинедостаточно для того, чтобы венозная кровь, преодолев силу земного притяжения,от ног вернулась в сердце. В данном случае кровь движется из сосудов с большимдавлением крови в сосуды с меньшем давлением, а именно из аорты в нижнюю полуювену.
Второй: При газообмене в легких кровьотдает углекислый газ и насыщается кислородом, превращаясь из венозной вартериальную, благодаря разности давления этих газов во вдыхаемом и выдыхаемомвоздухе.
Третий: При газообмене в тканях кровь отдаеттканям кислород и насыщается углекислым газом, превращаясь из артериальной ввенозную из-за разности давления этих газов в крови и клетках.
Учитель: Правильно, молодцы! При изучениитемы «Строение и функции дыхательной системы» мы говорили, что в органыдыхания, легкие, поступает воздух. При вдохе легкие увеличиваются вобъеме, а при выдохе уменьшаются в объеме. Вспомните какой тканью образованылегкие?
Ученик: Легкие образованы эпителиальнойтканью.
Учитель: Правильно. А способна лиэпителиальная ткань сокращаться и расслабляться?
Ученик: Эпителиальная ткань не способнасокращаться и расслабляться, этими свойствами обладает только мышечная ткань.
Учитель: Правильно, но возникает проблема.В чем причина того, что воздух из окружающей среды при вдохе поступает влегкие, а при выдохе выходит из легких?
Ученик: Наверное движение воздуха привдохе и выдохе происходит в результате действия закона Паскаля.
Учитель: Верно, но чтобы разобраться в этомпроцессе, давайте рассмотрим модель Дондерса, которая имитирует процессвдоха и выдоха.
Учитель демонстрирует модель и механизм ее действия. Придвижении резиновойперчатки, закрывающей стеклянную воронку, резиновый напалечник раздувается исдувается. Учитель спрашивает у учащихся: «Почему воздух входит и выходит изнапалечника, если мы его не касаемся?»
Ученики: При движении перчатки мы изменяемдавление внутри воронки. Если при этом давление становится нижеатмосферного, то воздух засасывается в напалечник, в противном случае приповышении давления, воздух их напалечника выталкивается.
Учитель: Правильно. Аналогично этомупроцессу в нашем организме происходит вдох и выдох. Проведите аналогию встроении модели и дыхательной системы человека и объясните механизм вдоха ивыдоха.
Ученик (использует модель Дондерса и таблицу«Дыхательная система»): Стеклянная воронка – это грудная клетка, резиноваяперчатка, закрывающая широкую часть воронки – диафрагма, стеклянная трубка,вставленная в узкую часть воронки – трахея, напалечник. привязанный к концустеклянной трубки – легкое. Таким образом, механизм вдоха таков:
1. Из дыхательного центра продолговатого мозга к мышцам диафрагмыи межреберным мышцам приходит нервный импульс.
2. Под действием нервного импульса дыхательные мышцы сокращаются и груднаяклетка увеличивается в объеме. Легкие, следуя за грудной клеткой, тожеувеличиваются в объеме.
3. В легких уменьшается давление по сравнению с атмосферным и в них черезтрахею засасывается воздух. Происходит вдох.
Учитель: Под действием какого закона воздухпоступает в легкие при вдохе?
Ученик: При вдохе воздух поступает в легкиепод действием закона Паскаля.
Учитель: Ссформулируйте этот закон.
Ученик: Все жидкости и газы движутся измест с большим давлением в места с низким давлением.
Учитель: Каков механизм выдоха?
Ученик:
1. Из дыхательного центра продолговатого мозга к мышцам диафрагмы и межреберныммышцам не приходит нервный импульс.
2. Дыхательные мышцы расслабляются и грудная клетка уменьшается в объеме.Легкие, следуя за грудной клеткой, тоже уменьшаются в объеме.
3. В легких повышается давление по сравнению с атмосферным и из них черезтрахею выталкивается воздух. Происходит выдох.
