Номер 379, страница 53 - гдз по физике 7 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. Давление в жидкости и газе. Закон Паскаля - номер 379, страница 53.

Условие.

379. Водолаз для погружения на глубину 150 м надевает лёгкий скафандр. Почему водолазу воздух подают под давлением, равным давлению воды на глубине, на которой он находится?

Решение.

На большой глубине, такой как 150 метров, давление столба воды становится чрезвычайно высоким. Это давление, называемое гидростатическим, действует на тело водолаза и его снаряжение со всех сторон. Чтобы наглядно представить величину этого давления, проведём расчёт.

Дано:

Глубина погружения $h = 150$ м
Плотность воды (примем для пресной воды) $\rho \approx 1000$ кг/м³
Ускорение свободного падения $g \approx 9.8$ м/с²

Найти:

Гидростатическое давление воды $p_{гидр}$ - ?

Решение:

Гидростатическое давление жидкости на определённой глубине рассчитывается по формуле:

$p_{гидр} = \rho \cdot g \cdot h$

Подставим числовые значения:

$p_{гидр} = 1000 \text{ кг/м³} \cdot 9.8 \text{ м/с²} \cdot 150 \text{ м} = 1 470 000 \text{ Па} = 1.47 \text{ МПа}$

Полученное давление примерно в 14.5 раз превышает нормальное атмосферное давление на поверхности Земли. Общее (абсолютное) давление, действующее на водолаза, является суммой атмосферного и гидростатического давлений.

В условии сказано, что водолаз использует "лёгкий скафандр". Это означает, что скафандр гибкий и не имеет жёсткого каркаса, способного самостоятельно противостоять такому колоссальному внешнему давлению. Поэтому, чтобы водолаз мог выжить и работать на такой глубине, давление воздуха, подаваемого в скафандр, должно быть равно внешнему давлению воды. Это необходимо по нескольким жизненно важным причинам:

1. Компенсация внешнего давления. Если бы давление воздуха внутри скафандра было значительно ниже внешнего давления воды (например, равным атмосферному), то огромная разница давлений создала бы сжимающую силу, которая просто раздавила бы и скафандр, и находящегося в нём человека. Подача воздуха под равным давлением уравновешивает внешние и внутренние силы, защищая водолаза.

2. Обеспечение процесса дыхания. Чтобы человек мог сделать вдох, его дыхательные мышцы должны расширить грудную клетку, создавая в лёгких давление чуть ниже, чем у вдыхаемого воздуха. Если бы внешнее давление воды на грудную клетку было намного больше, чем давление воздуха, подаваемого для дыхания, мышцы водолаза физически не смогли бы преодолеть это сопротивление. Дыхание стало бы невозможным. Равенство давлений позволяет дыхательной системе функционировать нормально.

3. Предотвращение баротравмы. В теле человека есть полости, заполненные воздухом (лёгкие, среднее ухо, придаточные пазухи носа). При большом перепаде между внешним и внутренним давлением эти полости и окружающие их ткани могут быть серьёзно повреждены (разорваны). Выравнивание давления предотвращает баротравму.

Ответ: Воздух водолазу подают под давлением, равным давлению воды на глубине, для того чтобы скомпенсировать огромное внешнее гидростатическое давление. Это необходимо, чтобы: 1) предотвратить сжатие (раздавливание) лёгкого скафандра и тела водолаза; 2) обеспечить физическую возможность нормального дыхания, так как дыхательные мышцы не смогли бы преодолеть высокое внешнее давление; 3) избежать баротравмы — повреждения внутренних органов, содержащих воздух (лёгких, ушей, пазух), из-за резкого перепада давлений.