Powered by Invision Power Board
Здравствуйте Гость ( Вход | Регистрация ) Обратная связь   
  Reply to this topicStart new topicStart Poll

> Чому ми відразу не тонемо?
mikityak
Отправлено: Авг 20 2018, 18:45
Quote Post


Активный пользователь
***

Группа: Модераторы
Сообщений: 271
Пользователь №: 2
Регистрация: 8-Июля 14
Статус: Offline

Репутация: 0




Якщо запитати у будь-якого, як він плаває, то слід, мабуть, очікувати два варіанти відповідей. У першому випадку Вам почнуть пояснювати, яким стилем і як швидко вони долають водні перешкоди. У другому - скажуть, що сідають в човен, катер або на корабель. Навряд чи серед запитуємо знайдеться людина, яка після Вашого питання стане пояснювати фізичні основи нашої здатності триматися на воді або обчислювати коефіцієнт корисної дії веслярів в човні. Спробуємо зіграти роль такої людини - теоретика плавання і відповісти на кілька запитань, що стосуються фізичної теорії плавання.

Добре вміють плавати образить така форма питання. Однак твердо встановлено, що людина, що залишився один-на-один з водною стихією далеко від берега, раніше чи пізно все одно потоне. Пояснюють це тим, що у нещасного закінчуються сили, і він перестає виконувати плавальні рухи, за рахунок яких він тримається на поверхні води. Як це не прикро, але навіть найрозумніші з нас приблизно на 70% складаються зі звичайної води. Тому що існує в народі думка, що якщо людину сильно вдарити, то від нього «одне мокре місце» залишиться, має під собою цілком наукову основу. Таблиця 1 показує, з чого ми складаємося насправді і яка щільність цих складових нашого організму.

Більшу частину нашого тіла складають м'язи. Так як їх щільність більше, ніж у води, то при плаванні вони повинні тягнути нас на дно. Ще більше, як випливає з таблиці 1, нас тягнуть на дно наші кістки. Здається, що тільки жировий прошарок може врятувати нас від швидкої загибелі. Однак, це не зовсім вірно.

Усередині кожної людини є повітряний мішок - легкі. Обсяг повітря в легенях людини може змінюватися від 1 літра (при глибокому видиху) до 6 літрів (при глибокому вдиху). Так як щільність повітря приблизно в 800 разів менше, ніж у води, то кожен літр повітря в наших легенях за законом Архімеда створює підйомну силу близько 9,8 Н. Відповідно, щільність тіла людини, ρЧ змінюється від 940-990 кг / м3 при повному вдиху до 1010-1070 кг / м3 при повному видиху.

Оцінюючи плавучість людини, необхідно враховувати, що голова людини, обсяг якої становить близько 7% обсягу його тіла, завжди повинна знаходитися над поверхнею води. Нехай людина в воді займає вертикальне положення. Легко показати, що в такому випадку буде справедливо наступна формула для відносини абсолютних величин сили Архімеда (FА) і сили тяжіння (FG), що діють на людину у воді.

З (1) випливає, що навіть при самому глибокому вдиху архимедовой сили не вистачить для повної компенсації сили тяжіння пливе людини. Але навіть, якщо б архимедова сила була б дорівнює вазі людини, він би не зміг нерухомо так, як це зображено на верхній частині малюнка 1, лежати у воді, перебуваючи в горизонтальному положенні. Це викликано тим, що архимедова сила (FА) і сила тяжіння (FG) прикладені до різних точок тіла. FА прикладена в центрі мас витісненої тілом рідини (т.А на малюнку 1), а точка прикладання FG є центром мас тіла і розташована трохи нижче пупка (т.G на малюнку 1), яка через наявність повітря в легенях знаходиться завжди далі від голови, ніж Т.А. В результаті, FA і FG утворюють пару сил, яка обертає тіло у вертикальній площині, поки воно не прийме вертикальне положення.

Отже, якщо вважати, що в Вас досить жиру і повітря, щоб відразу не потонути, то можна стверджувати, що незабаром після того, як Вас кинуть у воду, Ви приймете вертикальне положення. Однак, кожному ясно, що плисти вперед, перебуваючи у вертикальному положенні, дуже важко - заважає величезний опір рідини, яке, як відомо, пропорційно площі поперечного перерізу рухається тіла. Цікаво, що однією з вимог, що пред'являються до плавців першого розряду на флоті царської Росії, було вміння проплисти стоячи, без допомоги рук 20 сажень (1 морська сажень = 1,83 м). Оцінка показує, що площа поперечного перерізу тіла людини на рівні пояса майже в 10 разів менше, ніж аналогічна, але зроблена уздовж його хребта. Тому перед тим, як плисти, краще все-таки прийняти горизонтальне положення. Зазвичай це роблять просто, розмовляючи ногами.

Знайдемо силу F, що діє на тіло при його русі в воді зі швидкістю V. Сили опору рідини або газу руху тіл залежать від їх швидкості. При малих V майже всі частинки перед рухомим на них тілом мають достатньо часу, щоб відійти в сторону, не набуваючи при цьому імпульсу в напрямку V. При такій малій швидкості, тільки ті частинки, які торкнулися тіла, знаходять його швидкість. Ці зсунуті з місця частки, рухаючись разом з тілом, будуть в свою чергу захоплювати дуже тонкий шар рідини, з яким вони тісно пов'язані. Чим міцніше пов'язані між собою шари рідини або, що одне і те ж, чим більше її в'язкість, тим більше сила опору, що діє на тіло. В цьому випадку сила опору прямо пропорційна величині V, середнього розміру тіла в площині, перпендикулярній V, і в'язкості рідини. Точну формулу для сили опору F при малих V можна отримати, наприклад, для тіла, що має форму кулі.

Після такого відступу в область гідродинаміки повернемося до задачі про те, яким чином потрібно базікати ногами, щоб перевести наше тіло з вертикального положення в горизонтальне? Щоб спростити завдання, будемо вважати, що ми використовуємо для цього одну ласту, одягнену на обидві ноги, як у русалки, а тіло русалки замінимо полу затоплених поліном, до нижнього кінця якого прикріплена рухома ласта з поверхнею S, здатна рухатися в горизонтальному напрямку (див. ліву частину малюнка 2). Будемо також вважати, що ласта не деформується при русі, а її маса дуже мала, у порівнянні з масою поліна, щоб не враховувати переміщень сумарного центру мас при зміні положення ласти щодо поліна.

А якщо ми опинилися в бочці з медом?В'язкість меду в 10000 разів більше, ніж у води. Тому рухати ластами, перебуваючи в бочці з медом, дуже важко. Навіть, якщо припустити, що швидкість наших рухів в таких умовах зменшиться тільки в 10 разів (з 0,5 м / с до 0,05 м / с), то ставлення сили лобового опору до в'язкої силі, обчислене за формулою (4), складе менше 1/10. Це означає, що основними силами, що діють при русі ласти в меді, є сили в'язкості. Спробуємо тепер отримати вираз для Fср, аналогічне (5), використовуючи формулу (2) для несиметричних рухів. Як легко показати, при будь-яких V1, t1 і V2, t2, для яких справедливо рівність V1t1 = V2t2, середня за цикл сила, що діє на ласту, буде дорівнює нулю. А це значить, що в дуже в'язкої рідини, де число Re << 1, плавати треба не так, як у воді, а по-іншому.Великі труднощі малих істот

Як випливає з формули (4), дуже малі істоти, навіть плаваючи в воді, можуть стикатися з такими ж труднощами, що й ми в уявному медовому озері. Відомо, що бактерії, розмір яких становить близько 1 мкм, плавають у воді зі швидкістю 0,1 мм / с. Легко порахувати, що число Рейнольдса для таких рухів бактерій близько до 10-4, змушуючи їх використовувати при плаванні тільки сили в'язкого тертя. Яким же чином рухають бактерії своїми джгутиками, щоб зрушити з місця?

Діаметр джгутика трохи більше 100 ангстрем і він, звичайно, позбавлений мускулатури. Тому бактерія не може за своїм бажанням зігнути джгутик або пустити вздовж нього хвилю деформацій, як роблять змії або деякі риби для свого руху. Єдине, що може робити бактерія - закручувати його уздовж осі, як штопор. Для цього в місці з'єднання джгутика з тілом бактерії є спеціальний молекулярний моторчик - предмет дослідження багатьох вчених, які до сих пір до кінця не знають, як він працює. Бактерії обертають жгутиком з частотою кілька Гц, часто міняючи напряму руху.
Top
0 Пользователей читают эту тему (0 Гостей и 0 Скрытых Пользователей)
0 Пользователей:

Topic Options Reply to this topicStart new topicStart Poll


 


Текстовая версия