Номер 3, страница 148 - гдз по физике 7 класс учебник Башарулы, Тезекеев

3. Почему человек выдерживает атмосферное давление? Какие физические процессы лежат в основе дыхания человека и других млекопитающих?

Почему человек выдерживает атмосферное давление?

Человек и другие живые организмы, живущие на поверхности Земли, выдерживают огромное атмосферное давление благодаря тому, что оно полностью уравновешивается давлением, существующим внутри самого организма. Атмосферный воздух давит на поверхность тела снаружи, но жидкости (кровь, лимфа, межклеточная жидкость) и газы (воздух в легких), находящиеся внутри тела, создают такое же по величине давление, направленное изнутри наружу.

Ключевые аспекты этого явления:

1. Равновесие давлений. Давление внутри полостей тела и жидкостей, которыми пропитаны все ткани, практически равно внешнему атмосферному давлению. Поскольку давление определяется как сила, действующая перпендикулярно на единицу площади ($P = F/S$), силы, действующие на покровы тела снаружи и изнутри, оказываются равными по величине и противоположными по направлению. В результате их равнодействующая почти равна нулю, и мы не ощущаем этого давления.

2. Несжимаемость жидкостей. Основу организма составляют жидкости, которые очень плохо сжимаются. Это свойство помогает эффективно передавать внутреннее давление и противостоять внешнему.

3. Величина силы. Чтобы представить масштаб атмосферного давления, можно выполнить простой расчет. Нормальное атмосферное давление на уровне моря составляет около $101325$ Па. Средняя площадь поверхности тела взрослого человека — примерно $1,7 \text{ м}^2$. Тогда общая сила, с которой атмосфера давит на человека, равна:

$F = P \cdot S = 101325 \, \text{Па} \cdot 1,7 \, \text{м}^2 \approx 172250 \, \text{Н}$.

Эта сила эквивалентна весу груза массой более 17 тонн. Организм не разрушается под действием этой колоссальной силы исключительно благодаря наличию скомпенсированного внутреннего давления.

Ответ: Человек выдерживает атмосферное давление, потому что внутреннее давление жидкостей и газов в его организме равно внешнему атмосферному давлению. В результате силы, действующие на тело снаружи и изнутри, взаимно компенсируются.

Какие физические процессы лежат в основе дыхания человека и других млекопитающих?

Дыхание млекопитающих обеспечивается двумя основными физическими процессами: созданием разности давлений для перемещения воздуха (механика дыхания) и диффузией газов (газообмен).

1. Механика дыхания (Закон Бойля-Мариотта). Процесс вдоха и выдоха основан на законе Бойля-Мариотта, который гласит, что при постоянной температуре давление данной массы газа обратно пропорционально его объему ($P \cdot V = \text{const}$).

• Вдох. Это активный процесс. Дыхательные мышцы (межреберные и диафрагма) сокращаются, что приводит к увеличению объема грудной клетки. Легкие, эластично связанные с грудной клеткой, растягиваются, и их объем тоже увеличивается. Согласно закону Бойля-Мариотта, увеличение объема легких вызывает падение давления воздуха в них ниже атмосферного ($P_{\text{легких}} < P_{\text{атм}}$). Возникшая разность давлений заставляет атмосферный воздух устремляться в легкие.

• Выдох. В состоянии покоя это пассивный процесс. Дыхательные мышцы расслабляются, и грудная клетка под действием эластичности и силы тяжести возвращается в исходное положение, уменьшаясь в объеме. Объем легких также уменьшается. В результате давление в них становится выше атмосферного ($P_{\text{легких}} > P_{\text{атм}}$), что заставляет воздух выходить из легких наружу.

2. Газообмен (Диффузия). Этот процесс происходит как в легких, так и в тканях тела. Диффузия — это направленное движение молекул из области с более высоким парциальным давлением в область с более низким.

• В легких. В альвеолы (легочные пузырьки) поступает воздух с высоким парциальным давлением кислорода ($O_2$) и низким — углекислого газа ($CO_2$). Кровь, поступающая к легким, наоборот, бедна кислородом и богата углекислым газом. Из-за этой разницы давлений кислород диффундирует из альвеол в кровь, а углекислый газ — из крови в альвеолы для последующего выдоха.

• В тканях. Происходит обратный процесс. Кровь, обогащенная кислородом, достигает клеток тела, где кислород постоянно потребляется, и его парциальное давление низкое. Кислород диффундирует из крови в ткани. Одновременно углекислый газ, образующийся в клетках, создает там высокое парциальное давление и диффундирует из тканей в кровь.

Ответ: В основе дыхания лежат два физических процесса: 1) изменение объема грудной клетки, что по закону Бойля-Мариотта создает разность давлений между легкими и атмосферой, обеспечивая вдох и выдох; 2) диффузия газов (кислорода и углекислого газа) через мембраны в легких и тканях, обусловленная разницей их парциальных давлений.