Физика и фридайвинг
- Участник: Триандафилова София Степановна
- Руководитель: Ирхина Елена Юрьевна
Аннотация
Физика — это наука о явлениях, происходящих в нашем мире. Она всюду окружает нас и тесно связана с остальными естественными науками, такими как биология и химия. Вместе они помогают человеку понимать и исследовать всё, что его окружает. Говоря об одной из них, нельзя не упомянуть остальные. Это правило особенно характерно при изучении взаимосвязи физики и спорта, в случае моей работы — фридайвинга.
Фридайвинг — это погружение под воду без специального оборудования (акваланга). Прародителями такого вида спорта можно считать собирателей жемчуга из Японии. Это были преимущественно женщины, которые ныряли на глубину более 15-ти метров за водорослями агар-агар, ракушками и очень ценным натуральным жемчугом. Сейчас этот вид спорта становится всё более и более популярным не только во всём мире, но и в России. Это происходит из-за того, что фридайвинг расслабляет человека и помогает ему отвлечься от постоянной суеты.
Меня заинтересовала такая тема для проекта, т.к. мне одинаково интересны как физика, так и фридайвинг.
Цель работы: изучить 3 различных взаимосвязанных физических явления во фридайвинге.
Актуальность работы: фридайвинг становится всё более и более популярным в России видом спорта, но занятия им без базовых научных знаний могут быть опасны для жизни.
Задачи:
- Изучить 3 связанных с фридайвингом физических явления.
- Объяснить их с точки зрения физических законов.
- Исследовать и описать различные техники фридайвинга, связанные с выбранными мной явлениями.
- Провести анализ полученных данных.
- Сделать вывод.
Плавучесть
Согласно закону Архимеда, при погружении в жидкость (в нашем случае в воду) на тело действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу жидкости в объёме тела. Также на тело в воде действует ещё одна сила — гидростатическое давление (давление, водяного столба на тело). [6]
Гидростатическое давление — это давление, оказываемое столбом жидкости на тело, погружённое в неё. Оно напрямую зависит от высоты столба жидкости, давящего на тело. Это значит, что чем выше столб, тем больше давление и наоборот. Эта сила оказывает давление равномерно на всю площадь тела. [6]
Из факта существования гидростатического давления следует, что на тело, погружённое в жидкость действует выталкивающая сила. Она была открыта приблизительно в III веке до н.э. древнегреческим учёным Архимедом и описана в его законе: «На тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная тому количеству жидкости или газа, которое вытесняло погружённое тело.». Впервые закон Архимеда был упомянут им в трактате «О плавающих телах». Там он писал: «тела более тяжелые, чем жидкость, опущенные в эту жидкость, будут опускаться пока не дойдут до самого низа, и в жидкости станут легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела».
Способность тела (и не только человеческого) оставаться в равновесии, находясь под водой называется плавучестью. Различают 3 основных вида плавучести: положительная (выталкивающая сила больше гидростатического давления), нейтральная (силы уравновешивают друг друга) и отрицательная (гидростатическое давление больше выталкивающей силы). [4]
Гидростатическое давление и выталкивающая сила — обратно пропорциональные величины, т.е. с увеличением глубины возрастает гидростатическое давление (т.к. давящий на тело водяной столб становится больше) и уменьшается выталкивающая сила. Далее приведены расчёты по вычислению увеличения гидростатического давления при погружении в солёной воде на 10 м:
p земное на уровне моря = 1 атм = 101 325 Па
ρ солёной воды = 1030 кг/м³
g = 9,80665 м/с²
h = 10 м
р — ?
Решение:
р = ρgh
p = 9,80665 м/с² * 10 м * 1030 кг/м³ = 101 008,495 Па
Т.о. мы узнали, что каждые 10 м погружения гидростатическое давление становится больше величину, близкую к 1 атм, к которой прибавляется одна земная. Это значит, что на 30 м давление будет равно 4 атм, на 50 — 6 атм и т.д..
Рис. 1. Гидростатическое давление и выталкивающая сила, действующие на фридайвера при использовании разных техник
Если человек ныряет вдоль рифа (на глубине ~ 6 м), то его плавучесть должна быть слабо положительной [4], т.е. выталкивающая сила должна немного превышать давление воды. Это помогает фридайверу легко достичь желаемой глубины, а также находиться в безопасности даже при потере бдительности. К примеру, во время погружения вдоль рифа ныряльщик отвлёкся на красивую рыбу, проплывающую мимо, и перестал следить за своим положением в воде. Если бы у него была отрицательная или нейтральная плавучесть, то его легко могло бы утянуть глубже под воду, а чаще всего это заканчивается трагично. Но при слабо положительной плавучести фридайвер лишь поднимается немного выше, что не мешает ему без усилий вернуться обратно на глубину.
При погружении вертикально, существует специальная техника [4], позволяющая, используя законы физики, минимизировать энергозатраты.
Согласно ей, на середине дистанции фридайвер должен иметь нейтральную плавучесть. Это позволяет ему грести только половину пути как при погружении, так и при возвращении.
Согласно этой тактике, первую половину заныра ныряльщик активно заглубляется, преодолевая выталкивающую силу. На середине дистанции, приобретя нейтральную плавучесть, спортсмен снижает темп гребков. На второй половине пути фридайвер полностью расслабляется и «падает» вниз под действием давления.
Когда пора возвращаться, спортсмен разворачивается и начинает грести, преодолевая давление водяного столба. Достигнув зоны нейтральной плавучести, он расслабляется и проходит последнюю часть дистанции только за счёт действующей на него выталкивающей силы (Рис.1).
Таким образом, фридайвер экономит силы во время погружения и дольше остаётся под водой.
Закон Паскаля
Закон паскаля был открыт в 1653 году французским учёным Б. Паскалем, который сформулировал его так: «Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях.» [2].
В органах брюшной полости давление выравнивается автоматически, за счёт пластичности их стенок. Но это правило не распространяется на полости черепа, которые окружены твёрдой костной тканью. Однако, лобных и гайморовых пазухах гидростатическое давление компенсируется с помощью отверстия, соединяющего их с носовой полостью. В полости среднего уха давление возрастает, но отстаёт от внешнего. Во избежание баротравм уха (нарушения целостности тканей из-за разницы давлений), находясь под водой фридайверу необходимо проделывать специальную процедуру: выдохнуть, зарыв рот и нос [4]. Это позволяет человеку выровнять давление, нагнетая воздух в полость среднего уха через анатомические образования — евстахиевы трубы (Рис.2).
Рис.2. Строение среднего уха
На глубине фридайвер испытывает давление, превышающее атмосферное, которое действует на все части тела спортсмена, в том числе и на барабанную перепонку. Из-за разницы внешнего и внутреннего давлений, барабанная перепонка прогибается в сторону среды с меньшим давлением — полость среднего уха. Для компенсации давления фридайвер выдыхает, сокращая диафрагму, которая оказывает давление на воздух в лёгких. Согласно закону Паскаля, это давление равномерно передаётся воздуху в ротоглотке и носоглотке через открытую голосовую щель. Поскольку рот и нос при продувке крепко закрыты, давление передаётся воздуху в среднем ухе. Когда выдох заканчивается, голосовая щель, как шлюз, закрывается, препятствуя переходу воздуха обратно в среду с меньшим давлением — лёгкие (когда диафрагма расправляется, объём лёгких увеличивается, но количество воздуха в лёгких уменьшилось). Когда давление с двух сторон от барабанной перепонки становится одинаковым, она принимает своё анатомическое положение (Рис.3).
При таких заболеваниях, как отит, гайморит, насморк, все анатомические образования, соединяющие полости черепа с воздухоносными путями, воспаляются, закупоривая сами полости и не давая воздуху проникать в них, а ныряльщику —компенсировать давление [3].
Рис. 3. Действие разницы давлений на барабанную перепонку [3]
Изотермическое расширение и изотермическое сжатие.
Изотермическое расширение и изотермическое сжатие — понятия, следующие из закона Бойля-Мариотта согласно которому, чем больше внешнее, в нашем случае гидростатическое, давление, тем меньше объём газа, при условии, что температура остаётся неизменной (поддерживать постоянную температуру тела ныряльщику помогает гидрокостюм) [5]. Далее приведены расчёты, показывающие уменьшение объёма лёгких фридайвера с погружением на глубину 30 м:
tº = const
изначальный V = 4 л = 0,004 м³
изначальное р = 101 325 Па
гидростатическое р = 101 325 + 101 008 * 3 = 404 349 Па
V на глубине — ?
Решение:
Для решения задачи воспользуемся формулой, следующей из закона Бойля-Мариотта:
изначальный V * изначальное р = гидростатическое р * V на глубине
Пусть V на глубине = х, тогда:
изначальный V * изначальное р = гидростатическое р * x
х = (изначальный V * изначальное р) : гидростатическое р
х = (0,004 м³ * 101 325 Па) : 404 349 Па = 0,00100235 м³ ~ 1 л
Значит при погружении на 30 м объём лёгких становится меньше в 4 раза.
Следовательно, при погружении на большую глубину, объём воздуха в лёгких фридайвера уменьшается, а значит давление в них возрастает (несмотря на уменьшение объёма лёгких, масса воздуха в них остаётся та же, следовательно, плотность воздуха увеличивается, а вместе с ней и давление воздуха на стенки лёгких). Кислород из лёгких переходит в область с меньшим давлением, т.е. в кровь, через альвеолы. За счёт этого повышается насыщение крови кислородом, и соответственно увеличивается приток кислорода к мозгу, что приводит к эйфории и состоянию комфорта на глубине.
Рис. 4. Изменение объёма лёгких и гидростатического давления с погружением на глубину [1]
При всплытии происходит обратный процесс: по мере уменьшения гидростатического давления, объём грудной клетки и, соответственно, лёгких увеличивается, и плотность воздуха в них падает (объём воздуха увеличивается, но его масса остаётся неизменной, следовательно, плотность воздуха уменьшается). Это приводит к тому, что кровь приносит меньше кислорода к мозгу, что в свою очередь вызывает состояние гипоксии (недостатка кислорода в организме), тяжёлая степень которого является причиной потери сознания под водой.
Вывод
В ходе исследовательской работы, я изучила 3 взаимосвязанных физических явления во фридайвинге и попыталась их объяснить с помощью законов физики. Проводя её, я убедилась, что занимаясь спортом необходимы знания физики. На примере фридайвинга я доказала, что физика, прямо или косвенно, влияет на физиологию организма. Это помогло мне расширить мой кругозор, а также увеличить знания о фридайвинге и физике.
Оставьте свой комментарий к работе, нажав на кнопку «Написать». Расскажите, что именно вас не устраивает в работе, а если вы считаете, что работа содержит ошибки и неточности – нажмите на соответствующую галочку в форме отклика.
Внимание! Администрация сайта rosuchebnik.ru не несет ответственность за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.