Теоретическое исследование, страница 162 - гдз по физике 7 класс учебник Башарулы, Тезекеев

Теоретическое исследование

Чем глубже погружение в океан, тем темнее, тем сильнее давление. Тела обитателей океанских глубин приспособлены к колоссальному давлению. Поэтому глубоководные животные при падении давления у поверхности обычно погибают.

Рис. 6.28.5. Субмарина «Синкай-6500»

Для изучения океанских глубин и ее обитателей используются миниатюрные субмарины, снабженные мощными прожекторами и механическими «руками» для сбора образцов. Американский аппарат «Алвин» погружается почти на 4575 м, а российский «Мир» - на 6100 м. Японская субмарина «Синкай-6500» (рис. 6.28.5) достигла океанского дна на отметке 6527 м.

Впервые в истории глубоководное погружение человека на дно Марианской впадины было совершено 23 января 1960 года лейтенантом ВМС США Доном Уолшем и швейцарским исследователем Жаком Пикаром в батискафе «Триест» (рис. 6.28.6). После учёта солёности воды, средней температуры, сжимаемости воды и силы тяжести были пересчитаны показания приборов и зафиксирована рекордная глубина – 10 918 м.

Рис. 6.28.6. Батискаф «Триест»

В 2012 году режиссер Джеймс Кэмерон в батискафе Deepsea Challenger (рис. 6.28.7) погрузился на дно Марианской впадины и провел 3D-съемку, а также взял образцы пород и живых организмов. Позднее выяснили, что на дне Марианской впадины живут различные экзотические рыбы, ракообразные и моллюски.

Среди огромных океанских животных рекордная глубина погружения принадлежит кашалотам, которые в поисках крупных кальмаров ныряют на глубину 3 км.

Рис. 6.28.7. Глубоководный аппарат Джеймса Кэмерона, погружавшегося в Марианскую впадину

С помощью теоретических расчетов определите, какое давление на указанных глубинах испытывает каждая из субмарин и кашалот. Попытайтесь рассчитать среднее давление, которое испытывают живые организмы и батискафы, опустившиеся на дно Марианской впадины. Исходя из условий плавания тел, поразмышляйте и обсудите между собой, как они могут обеспечить себе такое погружение.

Дано:

Глубина погружения аппарата «Алвин», $h_1 = 4575$ м

Глубина погружения аппарата «Мир», $h_2 = 6100$ м

Глубина погружения аппарата «Синкай-6500», $h_3 = 6527$ м

Глубина погружения кашалота, $h_4 = 3$ км

Глубина погружения батискафа «Триест», $h_5 = 10 918$ м

Глубина погружения батискафа «Deepsea Challenger», $h_6 = 10 994$ м

Плотность морской воды (средняя), $\rho \approx 1030$ кг/м³

Ускорение свободного падения, $g \approx 9,8$ м/с²

Перевод в систему СИ:

$h_4 = 3 \text{ км} = 3000 \text{ м}$

Найти:

Давление на глубинах погружения субмарин и кашалота: $p_1, p_2, p_3, p_4$ — ?

Среднее давление на дне Марианской впадины: $p_{ср}$ — ?

Объяснение принципов погружения.

Решение:

Для расчета гидростатического давления, создаваемого столбом жидкости, используется формула:

$p = \rho \cdot g \cdot h$

где $\rho$ — плотность жидкости, $g$ — ускорение свободного падения, $h$ — высота столба жидкости (глубина погружения). В расчетах будем пренебрегать атмосферным давлением, так как на таких глубинах оно составляет незначительную часть от общего давления.

С помощью теоретических расчетов определите, какое давление на указанных глубинах испытывает каждая из субмарин и кашалот.

1. Давление, которое испытывает аппарат «Алвин» на глубине $h_1 = 4575$ м:

$p_1 = 1030 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 9,8 \frac{\text{м}}{\text{с}^2} \cdot 4575 \text{ м} = 46 166 550 \text{ Па} \approx 46,2 \text{ МПа}$

2. Давление, которое испытывает аппарат «Мир» на глубине $h_2 = 6100$ м:

$p_2 = 1030 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 9,8 \frac{\text{м}}{\text{с}^2} \cdot 6100 \text{ м} = 61 557 800 \text{ Па} \approx 61,6 \text{ МПа}$

3. Давление, которое испытывает аппарат «Синкай-6500» на глубине $h_3 = 6527$ м:

$p_3 = 1030 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 9,8 \frac{\text{м}}{\text{с}^2} \cdot 6527 \text{ м} = 65 868 818 \text{ Па} \approx 65,9 \text{ МПа}$

4. Давление, которое испытывает кашалот на глубине $h_4 = 3000$ м:

$p_4 = 1030 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 9,8 \frac{\text{м}}{\text{с}^2} \cdot 3000 \text{ м} = 30 282 000 \text{ Па} \approx 30,3 \text{ МПа}$

Ответ: Давление на аппарат «Алвин» составляет примерно $46,2 \text{ МПа}$, на аппарат «Мир» — $61,6 \text{ МПа}$, на «Синкай-6500» — $65,9 \text{ МПа}$, а на кашалота — $30,3 \text{ МПа}$.

Попытайтесь рассчитать среднее давление, которое испытывают живые организмы и батискафы, опустившиеся на дно Марианской впадины.

Для расчета среднего давления на дне Марианской впадины найдем среднюю глубину по данным о погружениях батискафов «Триест» и «Deepsea Challenger»:

$h_{ср} = \frac{h_5 + h_6}{2} = \frac{10 918 \text{ м} + 10 994 \text{ м}}{2} = 10 956 \text{ м}$

Теперь рассчитаем давление на этой средней глубине:

$p_{ср} = \rho \cdot g \cdot h_{ср} = 1030 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 9,8 \frac{\text{м}}{\text{с}^2} \cdot 10 956 \text{ м} = 110 557 464 \text{ Па} \approx 110,6 \text{ МПа}$

Это давление более чем в 1000 раз превышает нормальное атмосферное давление на уровне моря.

Ответ: Среднее давление, которое испытывают объекты на дне Марианской впадины, составляет примерно $110,6 \text{ МПа}$.

Исходя из условий плавания тел, поразмышляйте и обсудите между собой, как они могут обеспечить себе такое погружение.

Возможность погружения, всплытия и пребывания на определенной глубине определяется соотношением между силой тяжести ($F_т = mg$), действующей на тело, и выталкивающей силой Архимеда ($F_A = \rho_{воды}gV$), действующей на него со стороны воды. Управление этим соотношением позволяет контролировать плавучесть.

1. Погружение (отрицательная плавучесть): Чтобы начать погружение, средняя плотность аппарата или животного должна стать больше плотности окружающей воды. Для этого необходимо, чтобы сила тяжести превышала выталкивающую силу ($F_т > F_A$).

• Батискафы и субмарины: Они принимают забортную воду в специальные цистерны (балластные танки). Это увеличивает их общую массу $m$, и, как следствие, сила тяжести становится больше силы Архимеда, что заставляет аппарат тонуть.

2. Всплытие (положительная плавучесть): Для всплытия необходимо, чтобы средняя плотность стала меньше плотности воды ($F_т < F_A$).

• Батискафы и субмарины: Они уменьшают свою массу. Это достигается либо вытеснением воды из балластных цистерн сжатым воздухом, либо, как в случае с батискафом «Deepsea Challenger», сбросом твердого балласта (груза). На инфографике указано, что аппарат сбрасывает до 500 кг балласта для подъема. Этот метод особенно надежен на больших глубинах, где давление воды делает вытеснение воды сжатым воздухом технически сложной задачей.

3. Зависание на глубине (нейтральная плавучесть): Чтобы оставаться на постоянной глубине, необходимо уравнять силу тяжести и выталкивающую силу ($F_т = F_A$), достигнув равенства средней плотности объекта и плотности воды.

• Аппараты и животные: Достигают этого тонкой регулировкой своей массы (балласта) или объема.

Адаптация живых организмов (на примере кашалота):

• Кашалоты используют не только мышечную силу, но и уникальные физиологические механизмы. В их голове находится спермацетовый орган, заполненный воскоподобным веществом. Охлаждая его путем направления потока холодной воды через носовые проходы, кашалот увеличивает плотность этого вещества, что помогает ему погружаться. Для всплытия он разогревает вещество кровью, уменьшая его плотность и увеличивая плавучесть. Это позволяет экономить огромное количество энергии при нырянии на большие глубины.

Противостояние давлению:

• Важнейшим условием является способность выдерживать колоссальное внешнее давление. Корпуса обитаемых аппаратов, как «Deepsea Challenger», изготавливаются из сверхпрочных материалов. Сферическая форма капсулы для экипажа является идеальной для равномерного распределения внешнего давления, а ее стенки имеют значительную толщину (6,4 см у аппарата Кэмерона).

• Глубоководные организмы выживают благодаря тому, что их тела состоят в основном из воды, которая практически несжимаема. Давление внутри их тел равно внешнему давлению, поэтому их не раздавливает.

Ответ: Погружение и всплытие обеспечиваются за счет изменения средней плотности тела. Искусственные аппараты делают это, принимая или сбрасывая балласт (водный или твердый). Живые организмы, такие как кашалоты, используют для этого как мышечную силу, так и сложные физиологические механизмы, изменяя плотность определенных частей своего тела. Для выживания на глубине и аппараты, и организмы должны обладать конструкцией или строением, способным выдерживать огромное гидростатическое давление.