Нормальное давление в физике: Выразите значение атмосферного давления в паскалях и килопаскалях

Физическая сущность

Небесные тела, в том числе и Земля, притягивают к себе окружающую их материю, включая и газовую оболочку – атмосферу (если таковая имеется). Сила притяжения (его ещё называют гравитационным полем) зависит от массы тела. Земля тяжелей Луны в 80 раз, поэтому Луна является спутником Земли, а не наоборот.

Притянутый Землёй воздух давит на её поверхность, создавая таким образом атмосферное давление.

На уровне моря давление атмосферного воздуха составляет чуть больше 1 кг/см2. Подсчитано, что на человека средних размеров давит воздушный столб массой 13-15 тонн, а на ладонь – порядка 150 кг.

Но мы этого не ощущаем, так как давление внешней среды уравновешиваются давлением, создаваемым воздухом в тканях нашего тела.

Нормальное атмосферное давление

За эталон принято считать атмосферное давление на уровне моря на широте 45 градусов при температуре 0 градусов Цельсия. Оно составляет 760 мм ртутного столба и называется нормальным.

При отклонении в большую сторону давление будет повышенным, в меньшую сторону – пониженным. Если пользоваться принятой в физике международной системой измерения (СИ), то нормальному давлению будет соответствовать величина 101 325 паскалей (Па).

Там, где не нужна абсолютная точность, пользуются понятием стандартное давление, т. е. 760 мм рт. ст. = 100 000 Па.

От чего зависит уровень атмосферного давления

По регионам земного шара атмосферное давление распределяется неравномерно, поскольку зависит от ряда взаимосвязанных факторов.

1. Высота – чем выше находится точка измерения над уровнем моря, тем меньшее давление со стороны атмосферы она испытывает.

   Объясняется это уменьшением веса воздушного столба: с набором высоты он становится короче, а воздух в нём – разреженным, а значит, более лёгким.

   На высоте 5 км атмосферное давление составляет лишь половину от нормального, на 15-ти км оно меньше в 8 раз, на 20-ти км – в 18 раз.

2. Температура – по мере нагрева плотность воздуха уменьшается, а при охлаждении – увеличивается. В течение суток температура меняется несколько раз, а вместе с ней и давление:

   утром и вечером оно повышается, а после полудня и полуночи – снижается.

   На морозе воздух холоднее и плотнее, чем в жару, а следовательно, и давление в зимний период будет больше по сравнению с летним.

   Температура у поверхности земли может колебаться в пределах -600 С — +600 С, а давление «скакать» от 640 до 790 рт.ст.

3. Перемещение континентальных и морских воздушных масс (муссоны, пассаты, тайфуны, цунами и т.п.), приводящее к образованию тёплых и холодных воздушных фронтов, а также зон с пониженным или повышенным давлением (циклонов и антициклонов).
4. Географическое положение – на Земле существуют пояса, характеризующиеся стабильно высоким или низким атмосферным давлением.

   В экваториальном поясе из-за высоких температур давление всегда пониженное, а в холодных полярных широтах – повышенное. В тропиках давление выше, чем в зонах с умеренным климатом.

Атмосферное давление подвержено сезонным колебаниям, но общую картину это не меняет. Показатели давления в целом носят устойчивый характер, а зоны повышенного и пониженного давления остаются неизменными.

Прибор для измерения атмосферного давления

Атмосферное давление измеряют приборами, называемыми барометрами. Их существует два типа: ртутные и металлические (анероиды).

Первый был изобретён в XVII веке итальянцем Э.Торичелли. Его основной элемент – заполненная ртутью стеклянная трубка, верхний конец которой запаян, а нижний (открытый) погружен в чашку со ртутью. Вес столбика ртути в трубке уравновешивается давлением атмосферного воздуха, действующим на поверхность чашки.

Если рядом с трубкой установить градуированную шкалу, можно отслеживать колебания давления по изменению высоты ртутного столбика. Ртутными барометрами пользуются на метеостанциях, так как они дают очень точные показания.

К тому же к этому прибору можно подключить самописец, который будет фиксировать колебания давления за определённый период и записывать их на бумажную ленту.

Барометр-анероид появился позже, в середине XIX века. Его сконструировал французский инженер Л.Види. Принцип действия прибора довольно прост: мембранная металлическая коробка, из которой выкачан воздух (т. е. внутри неё находится вакуум), чутко реагирует на изменение давления (при его повышении коробка сжимается, а при снижении – разжимается).

Перемещение мембраны трансформируется рычажным механизмом в круговое движение стрелки-указателя по циферблату, проградуированному согласно показаниям ртутного барометра. Этот прибор даёт некоторую погрешность, но она в большинстве случаев вполне допустима.

Норма атмосферного давления для Санкт-Петербурга, Москвы

Для человека комфортным считается атмосферное давление, находящееся в диапазоне 750-765 мм рт.ст., то есть в районе нормы.

Однако следует иметь в виду, что это не строгие рамки. Люди со временем адаптируются к местным географическим и климатическим условиям, поэтому для жителей горных районов нормой может быть и более низкий показатель.

На метеорологических картах России проведены линии-изобары, которые условно разделяют территорию на зоны с примерно равным атмосферным давлением.

В нижеприведённой таблице в качестве примера приведены данные о нормальном атмосферном давлении и его допустимом отклонении от нормы для некоторых городов.

Как видим, самое высокое среднегодовое давление – в Санкт-Петербурге. Это и понятно: центральная часть города находится на отметке всего лишь 1-5 м над уровнем моря.

Влияние отклонений от нормы на организм человека

По большому счёту все жители Земли – метеозависимы, то есть реагируют на изменение погоды, иными словами, на колебания атмосферного давления. Но дело в том, что у каждого человека свой предел терпимости.

У кого-то даже несильное отклонение от нормы вызывает негативные ощущения (ухудшение самочувствия, головокружение, снижение работоспособности и т.д.) или даже начинаются проблемы со здоровьем, а кто-то способен безболезненно переносить даже резкие скачки.

Здоровый человек обычно даже не замечает перепад давления в 5-10 бар, если он происходит плавно. А вот люди с различными патологиями плохо переносят как повышенное, так и пониженное давление.

Превышение нормы негативно влияет на защитные функции организма, увеличивает риск возникновения гипертонических кризов и предынфарктного состояния.

Понижение пагубно действует на людей с низким артериальным давлением, страдающих одышкой, имеющих сердечно-сосудистые заболевания.

Удачи вам! До скорых встреч на страницах блога KtoNaNovenkogo.ru

Атмосферное давление на разных высотах | 7 класс

Содержание

Мы уже знаем, как рассчитать давление в жидкости по формуле $p=\rho gh$, из которой видно, что давление зависит от ее плотности и высоты столба жидкости.

Так как жидкость мало подвержена сжатию, ее плотность на различных глубинах практически одинакова (рисунок 1). Соответственно, мы можем считать плотность жидкости постоянной и учитывать только изменение глубины/высоты.

Рисунок 1. Постоянство плотности жидкости и изменение плотности воздуха

Но газы, в отличие от жидкости, легко поддаются сжатию. Можно сказать, что чем сильнее газ сжат, тем больше его плотность и тем более сильное давление он производит.

Напомним, что нижние слои атмосферы наиболее плотные. Какова же величина атмосферного давления считается приемлемой и как изменение атмосферного давления влияет на нас?

Уменьшение давления с увеличением высоты

Зависимость давления воздуха от высоты намного сложнее, чем зависимость давления жидкости от высоты ее столба.

Как объяснить, что атмосферное давление уменьшается по мере увеличения высоты подъема над уровнем Земли?
Наша атмосфера неоднородна, и давление воздуха вблизи поверхности Земли максимально. С высотой оно будет уменьшаться. Почему так происходит?

• Во-первых, при подъеме над землей высота столба воздуха над нами будет уменьшаться;
• Во-вторых, будет уменьшаться плотность воздуха.

Поэтому если вы полетите на воздушном шаре или вздумаете подняться в горы, то давление воздуха с высотой будет только уменьшаться.

{"questions":[{"content":"С увеличением высоты над землей давление воздуха будет[[choice-21]]","widgets":{"choice-21":{"type":"choice","options":["уменьшаться","увеличиваться","не изменяться"],"answer":[0]}}}]}

Нормальное атмосферное давление

Наиболее заселенными участками Земли считаются равнины (до 500 м над уровнем моря), поэтому нам особенно важно знать величину атмосферного давления, приближенную к этим отметкам высоты над уровнем моря (рисунок 2).

Рисунок 2. Распределение население по высоте над уровнем моря

Какое атмосферное давление называют нормальным?
Все эксперименты и опыты показали, что атмосферное давление в местах, расположенных на уровне моря, приблизительно равно 760 мм рт. ст. Именно эту величину атмосферного давления и назвали «нормальным атмосферным давлением».

Атмосферное давление, равное давлению столба ртути высотой $760 \space мм$ при температуре $0 \degree C$, называется нормальным атмосферным давлением.

{"questions":[{"content":"Чему равно нормальное атмосферное давление?[[choice-24]]","widgets":{"choice-24":{"type":"choice","options":["760 мм рт. ст.","750 мм рт. ст.","770 мм рт. ст.","780 мм рт. ст."],"answer":[0]}}}]}

Нормальное атмосферное давление в паскалях

Рассчитаем нормальное атмосферное давление в паскалях. В прошлых уроках мы выяснили, что $1 \space мм \space рт. \space ст. = 133.3 \space Па$.

$760 \cdot 133.3 \space Па \approx 101 \space 308 \space Па \approx 1013\space гПа$.

Величина атмосферного давления в горах

Это давление считается нормальным, но будет ли оно таким, если подняться высоко в горы? Или на крышу небоскреба? 

При подъеме на каждые 12 метров атмосферное давление уменьшается на 1 мм рт. ст., что можно с легкостью проверить с помощью барометра-анероида (или высотомера) и многоэтажного здания (рисунок 3).

Рисунок 3. Уменьшение давления на 1 мм рт. ст. каждые 12 метров

Подобные расчеты на практике помогают ориентироваться в пространстве, определять положение заданных объектов относительно уровня Мирового океана (как вы знаете, данный уровень принят как стандартный нуль для отсчета любой высоты на Земле).

{"questions":[{"content":"Атмосферное давление уменьшается на 1 мм рт. ст. при увеличении высоты на каждые[[choice-29]]","widgets":{"choice-29":{"type":"choice","options":["12 м","52 м","100 м","10 м"],"answer":[0]}}}]}

Интересные факты

Тело человека приспособлено к атмосферному давлению, но плохо переносит его понижение. При подъеме на такие высокие горы, (примерно с 4000 м, а иногда и ниже) многие люди начинают чувствовать себя плохо, появляются приступы «горной болезни»: становится трудно дышать, из ушей и носа нередко идет кровь, можно даже потерять сознание.  

И все же люди приспосабливаются и к таким непростым условиям, например, в мире есть несколько стран (Боливия, Мексика, Перу, Эфиопия, Афганистан), в которых большинство населения проживают на высоте свыше 1000 м над уровнем моря.

В Тибете граница обитания человека превышает 5000 м над уровнем моря. Потоси — город, который еще во времена Инков являлся крупнейшим месторождением серебра в Южной Америке, — построен на высоте 4090 метров и имеет население около 160 тысяч человек. Это один из самых высокогорных городов на земном шаре.

Упражнения

Упражнение №1

Почему воздушный шарик, наполненный водородом, при подъеме над Землей увеличивается в объеме?

Посмотреть ответ

Скрыть

Ответ:

Изнутри на оболочку воздушного шарика оказывает давление водород. При подъеме это давление изменяться не будет. А вот давление воздуха (атмосферное давление) с подъемом шарика будет становиться меньше.

Когда шарик находится у поверхности Земли, то давление газа внутри него и атмосферное давление уравновешивают друг друга. При подъеме атмосферное давление будет уменьшатся — равновесие нарушится. Давление водорода внутри шарика станет больше давления воздуха снаружи. Это и приведет к увеличению размеров воздушного шарика.

Упражнение №2

У подножия горы барометр показывает 760 мм рт. ст., а на вершине 722 мм рт. ст. Какова примерно высота горы?

Дано:
$p_1 = 760 \space мм \space рт. \space ст.$
$p_2 = 722 \space мм \space рт. \space ст.$

$h — ?$

Посмотреть решение ответ

Скрыть

Решение:

Сначала вычислим разницу атмосферного давления у подножия горы и на ее вершине:
$\Delta p = p_1 \space − \space p_2$,
$\Delta p = 760 \space мм \space рт. \space ст. \space − \space 722 \space мм \space рт. \space ст. = 38 \space мм \space рт. \space ст.$

Мы знаем, что атмосферное давление при подъеме на каждые $12 \space м$ уменьшается на $1 \space мм \space рт. \space ст.$ У нас же давление уменьшилось на $38 \space мм \space рт. 2 = 162 \space 092.8 \space Н \approx 162 \space кН$.

Ответ: $F \approx 162 \space кН$.

Упражнение №5

Высота самой высокой точки на планете, горы Эверест, составляет приблизительно $8800 \space м$ над уровнем моря. Какого же будет атмосферное давление на вершине горы?

Дано:
$h = 8800 \space м$
$p = 760 \space мм \space рт. \space cт.$

$p_1 — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Решение:

Обозначим величину изменения давления с высотой как $h_1$. Так как мы знаем, что каждые $12 \space м$ давление воздуха уменьшается на $1 \space мм \space рт. \space ст.$ можно записать:
$h_1 = 12 \frac{м}{мм \space рт. \space ст.}$

Обозначим разницу давлений: $\Delta p = p_2 \space − \space p_1$, где:
$p_2$ — давление у основания горы (или $p$),
$p_1$ — давление на вершине горы.

Рассчитаем изменение атмосферного давления $\Delta p$ по формуле:
$\Delta p= \frac{h}{h_1}$,
$\Delta p=\frac{8800 \space м}{12 \frac{м}{мм. \space рт. \space ст.}} \approx 733 \space мм. \space рт. \space ст.$

Искомое давление:
$p_1 = p \space − \space \Delta p$,
$p_1 = 760 \space мм. \space рт. \space ст. \space − \space 733 \space мм. \space рт. \space ст. = 27 \space мм. \space рт. \space ст.$

Ответ: $p_1 = 27 \space мм. \space рт. \space ст.$

Задание

С помощью барометра-анероида измерьте атмосферное давление на первом и последнем этажах здания школы. Определите по полученным данным расстояние между этажами.

Чтобы выполнить это задание, измерьте давление на первом этаже школы ($p_1$) и давление на последнем этаже школы ($p_2$). Значения фиксируйте в мм рт. ст.

Воспользуйтесь тем фактом, что каждые 12 метров атмосферное давление уменьшается на 1 мм.

• Найдите разницу между зафиксированными значениями давления на разных этажах:
  $\Delta p = p_1 \space − \space p_2$;
• Полученную разницу умножьте на 12 и вы получите значение расстояния между этажами:
  $h = \Delta p \cdot 12$.

11.9 Давление в организме – Физика колледжа 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните понятие давления в организме человека.
• Объясните значения систолического и диастолического артериального давления.
• Опишите давление в глазах, легких, позвоночнике, мочевом пузыре и костной системе.

Давление в теле

Наряду с измерением температуры и веса человека измерение артериального давления является наиболее распространенным из всех медицинских обследований. Контроль высокого кровяного давления в значительной степени ответственен за значительное снижение смертности от сердечных приступов и инсультов, достигнутое за последние три десятилетия. Давление в различных частях тела может быть измерено и часто дает ценные медицинские показатели. В этом разделе мы рассмотрим несколько примеров вместе с некоторыми сопровождающими их физическими явлениями.

В таблице 11.5 перечислены некоторые из измеренных значений давления в мм рт. ст., наиболее часто используемые единицы измерения.

Система тела	Манометрическое давление в мм рт.ст.
Артериальное давление в крупных артериях (в покое)
Максимум (систолический)	100–140
Минимум (диастолический)	60–90
Артериальное давление в крупных венах	4–15
Глаз	12–24
Мозг и спинномозговая жидкость (лежа)	5–12
Мочевой пузырь
При заполнении	0–25
При заполнении	100–150
Грудная полость между легкими и ребрами	от -8 до -4
Внутри легких	от −2 до +3
Пищеварительный тракт
Пищевод	−2
Желудок	0–20
Кишечник	10–20
Среднее ухо	<1

Стол 11,5 Типичное давление у человека

Артериальное давление

Обычные измерения артериального давления обычно дают значения 120 мм рт.

ст. и 80 мм рт. ст. соответственно для систолического и диастолического давления. Оба давления имеют последствия для здоровья. Когда систолическое давление хронически высокое, увеличивается риск инсульта и сердечного приступа. Однако, если он слишком низкий, обмороки становятся проблемой. Систолическое давление резко возрастает во время упражнений, чтобы увеличить кровоток, а затем возвращается к норме. Это изменение не вызывает никаких побочных эффектов и даже может благотворно сказаться на тонусе системы кровообращения. Диастолическое давление может быть показателем баланса жидкости. Низкий уровень может указывать на то, что у человека внутреннее кровотечение и ему требуется переливание крови. И наоборот, высокое диастолическое давление указывает на вздутие кровеносных сосудов, которое может быть связано с переливанием слишком большого количества жидкости в кровеносную систему. Высокое диастолическое давление также является признаком того, что кровеносные сосуды не расширяются должным образом для прохождения крови. Это может серьезно нагрузить сердце при попытке перекачивать кровь.

Кровь покидает сердце под давлением около 120 мм рт. ст., но ее давление продолжает снижаться (почти до 0) по мере продвижения от аорты к более мелким артериям и к мелким венам (см. рис. 11.34). Перепады давления в системе кровообращения вызваны потоком крови через систему, а также положением человека. У стоящего человека давление в ногах будет больше, чем в сердце из-за веса крови (P=hρg)(P=hρg). Если принять, что расстояние между сердцем и стопами человека в вертикальном положении равно 1,4 м, то прирост давления в стопах относительно давления в сердце (для статического столба крови) равен

ΔP=Δhρg=1,4 м1050 кг/м39,80 м/с2=1,4×104Па=108 мм рт.ст. ΔP=Δhρg=1,4 м1050 кг/м39,80 м/с2=1,4×104Па=108 мм рт.ст.

11,53

Увеличение давления в ногах человека

ΔP=Δhρg=1,4 м1050 кг/м39,80 м/с2=1,4×104Па=108 мм рт. ст. ΔP=Δhρg=1,4 м1050 кг/м39,80 м/с2=1,4×104Па=108 мм рт.ст.

11,54

Длительное стояние может привести к скоплению крови в ногах и отечности. Это причина, по которой солдаты, которым приходится стоять неподвижно в течение длительного периода времени, часто теряют сознание. Эластичные бинты вокруг голени могут помочь предотвратить это накопление, а также могут помочь обеспечить повышенное давление, чтобы вены могли отправлять кровь обратно к сердцу. По тем же причинам врачи рекомендуют носить плотные чулки при дальних перелетах.

Артериальное давление также можно измерять в крупных венах, камерах сердца, артериях головного мозга и легких. Но это давление обычно контролируют только во время операции или у пациентов в реанимации, поскольку измерения являются инвазивными. Чтобы получить эти измерения давления, квалифицированные медицинские работники вводят тонкие трубки, называемые катетерами, в соответствующие места для передачи давления на внешние измерительные устройства.

Сердце состоит из двух насосов: правый нагнетает кровь через легкие, а левый заставляет кровь течь по всему телу (рис. 11.34). Правожелудочковая недостаточность, например, приводит к повышению давления в полых венах и падению давления в артериях, ведущих к легким. Левосердечная недостаточность приводит к повышению давления, поступающего в левую часть сердца, и падению давления в аорте. Влияние этих и других давлений на кровоток в системе кровообращения будет более подробно обсуждаться в разделе «Гидродинамика и ее биологические и медицинские приложения».

Два насоса сердца

Сердце состоит из двух насосов: правый нагнетает кровь через легкие, а левый заставляет кровь течь по всему телу.

Рисунок 11.34 Схема кровеносной системы с указанием типичных давлений. Два насоса в сердце повышают давление, и это давление снижается по мере того, как кровь течет по телу. Длительные отклонения от этих давлений имеют медицинские последствия, которые подробно обсуждаются в «Гидродинамике и ее биологических и медицинских приложениях».

Неинвазивно можно измерить только аортальное или артериальное давление.

Давление в глазу

Форма глаза поддерживается давлением жидкости, называемым внутриглазным давлением, которое обычно находится в диапазоне от 12,0 до 24,0 мм рт.ст. Когда циркуляция жидкости в глазу блокируется, это может привести к повышению давления, состоянию, называемому глаукомой. Чистое давление может достигать 85,0 мм рт. ст., что является аномально высоким давлением, которое может необратимо повредить зрительный нерв. Чтобы получить представление о задействованной силе, предположим, что задняя часть глаза имеет площадь 6,0 см26,0 см2, а чистое давление равно 85,0 мм рт. Сила дается Ф=ПАФ=ПА. Получить FF в ньютонах, мы переводим площадь в м2м2 ( 1 м2=104см21 м2=104см2). Тогда рассчитываем следующим образом:

F=hρgA=85,0×10−3м13,6×103кг/м39,80м/с26,0×10−4м2=6,8 N.F=hρgA=85,0×10−3м13,6×103кг/м39,80м/с26,0 ×10−4м2=6,8 Н.

11,55

Внутриглазное давление

Форма глаза поддерживается давлением жидкости, называемым внутриглазным давлением. Когда циркуляция жидкости в глазу блокируется, это может привести к повышению давления, состоянию, называемому глаукомой. Сила рассчитывается как

F=hρgA=85,0×10−3м13,6×103кг/м39,80м/с26,0×10−4м2=6,8N.F=hρgA=85,0×10−3м13,6×103кг/м390,80 м/с26,0×10−4 м2=6,8 Н.

11,56

Эта сила равна массе около 680 г. Массы в 680 г, лежащей на глазу (представьте, что на ваш глаз опирается 1,5 фунта), было бы достаточно, чтобы вызвать его повреждение. (Нормальной силой здесь будет вес около 120 г, что составляет менее одной четверти нашего исходного значения.)

Люди старше 40 лет подвергаются наибольшему риску развития глаукомы и должны регулярно измерять внутриглазное давление. Большинство измерений включают приложение силы к (анестезированному) глазу в некоторой области (давление) и наблюдение за реакцией глаза. При бесконтактном доступе используется струя воздуха и измеряется сила, необходимая для вдавливания глаза (рис. 11.35). Если внутриглазное давление высокое, глаз будет меньше деформироваться и быстрее восстанавливаться, чем обычно. Избыточное внутриглазное давление можно надежно обнаружить, а иногда и эффективно контролировать.

Рисунок 11.35 Внутриглазное давление можно измерить с помощью тонометра. (кредит: DevelopAll в проекте Wikipedia.)

Пример 11.13

Расчет манометрического давления и глубины: повреждение барабанной перепонки

Предположим, что сила в 3,00 Н может разорвать барабанную перепонку. (a) Если барабанная перепонка имеет площадь 1,00 см21,00 см2, рассчитайте максимально допустимое манометрическое давление на барабанную перепонку в ньютонах на квадратный метр и переведите его в миллиметры ртутного столба. б) На какой глубине в пресной воде барабанная перепонка этого человека разорвется, если предположить, что манометрическое давление в среднем ухе равно нулю?

Стратегия для (a)

Давление можно найти непосредственно из его определения, поскольку мы знаем силу и площадь. Ищем манометрическое давление.

Решение для (a)

Pg=F/A=3,00 Н/(1,00×10-4м2)=3,00×104Н/м2.Pg=F/A=3,00Н/(1,00×10-4м2)=3,00 ×104 Н/м2.

11,57

Теперь нам нужно преобразовать это в мм рт. =226 мм рт.ст.

11,58

Стратегия для (б)

Здесь мы будем использовать тот факт, что давление воды изменяется линейно с глубиной hh под поверхностью.

Решение для (b)

P=hρgP=hρg и, следовательно, h=P/ρgh=P/ρg. Используя приведенное выше значение для полипропилена, мы имеем

ч=3,0×104 Н/м2(1,00×103 кг/м3)(9,80 м/с2)=3,06 м.ч=3,0×104 Н/м2(1,00×103 кг/м3). )(9,80 м/с2)=3,06 м.

11.59

Обсуждение

Точно так же может возникнуть повышенное давление на барабанную перепонку со стороны среднего уха, когда инфекция вызывает скопление жидкости.

Давление в легких

Давление внутри легких увеличивается и уменьшается с каждым вдохом. Когда вы вдыхаете, давление падает ниже атмосферного (отрицательное манометрическое давление), в результате чего воздух поступает в легкие. Оно увеличивается выше атмосферного давления (положительное манометрическое давление), когда вы выдыхаете, вытесняя воздух.

Давление в легких контролируется несколькими механизмами. Для вдоха необходима работа мышц диафрагмы и грудной клетки; это мышечное действие увеличивает объем легких, тем самым снижая внутри них давление (рис. 11.36). Поверхностное натяжение в альвеолах создает положительное давление, противодействующее вдоху. (См. Когезия и адгезия в жидкостях: поверхностное натяжение и капиллярное действие.) Вы можете выдыхать без мышечной деятельности, позволяя поверхностному натяжению в альвеолах создавать собственное положительное давление. Мышечная деятельность может добавить к этому положительному давлению, чтобы вызвать форсированный выдох, например, когда вы надуваете воздушный шар, задуваете свечу или кашляете.

Легкие фактически разрушились бы из-за поверхностного натяжения в альвеолах, если бы они не были прикреплены к внутренней стороне грудной стенки за счет жидкостного прилипания. Таким образом, манометрическое давление в жидкости, прикрепляющей легкие к внутренней части грудной клетки, отрицательно и колеблется от -4-4 до -8 мм рт.ст.-8 мм рт.ст. во время выдоха и вдоха соответственно. Если воздух попадает в грудную полость, он разрывает соединение, и одно или оба легких могут коллапсировать. Отсасывание применяется к грудной полости хирургических пациентов и пострадавших от травм, чтобы восстановить отрицательное давление и раздуть легкие.

Рисунок 11.36 (а) Во время вдоха мышцы расширяют грудную клетку, а диафрагма опускается вниз, снижая давление внутри легких до уровня ниже атмосферного (отрицательное манометрическое давление). Давление между легкими и стенкой грудной клетки еще ниже, чтобы преодолеть положительное давление, создаваемое поверхностным натяжением в легких. (б) Во время спокойного выдоха мышцы просто расслабляются, а поверхностное натяжение в альвеолах создает положительное давление внутри легких, вытесняя воздух наружу. Давление между стенкой грудной клетки и легкими остается отрицательным, чтобы удерживать их прикрепленными к стенке грудной клетки, но оно менее отрицательное, чем при вдохе.

Другие виды давления в организме

Позвоночник и череп

В норме давление жидкости, окружающей мозг и заполняющей позвоночник, составляет от 5 до 12 мм ртутного столба. Эта спинномозговая жидкость служит многим целям, одной из которых является обеспечение плавучести мозга. Выталкивающая сила, обеспечиваемая жидкостью, почти равна весу мозга, поскольку их плотности почти равны. Если есть потеря жидкости, мозг опирается на внутреннюю часть черепа, вызывая сильные головные боли, сужение кровотока и серьезные повреждения. Давление спинномозговой жидкости измеряется с помощью иглы, вставленной между позвонками, которая передает давление на подходящее измерительное устройство.

Давление в мочевом пузыре

Это телесное давление является одним из тех, о которых мы часто знаем. На самом деле существует связь между нашим осознанием этого давления и последующим его усилением. Давление в мочевом пузыре неуклонно повышается от нуля до примерно 25 мм рт. Это давление вызывает рефлекс мочеиспускания, который стимулирует потребность в мочеиспускании. Более того, это также заставляет мышцы вокруг мочевого пузыря сокращаться, повышая давление до более чем 100 мм рт.ст., усиливая ощущение. Кашель, напряжение, напряжение в холодную погоду, ношение тесной одежды и простое нервное напряжение могут увеличить давление в мочевом пузыре и вызвать этот рефлекс. То же самое можно сказать и о весе плода беременной женщины, особенно если он энергично брыкается или давит головой! Давление в мочевом пузыре можно измерить с помощью катетера или путем введения иглы через стенку мочевого пузыря и передачи давления на соответствующее измерительное устройство. Одна из опасностей высокого давления в мочевом пузыре (иногда вызванного обструкцией) заключается в том, что такое давление может заставить мочу вернуться в почки, что может привести к серьезному повреждению.

Давления в костной системе

Эти давления являются самыми большими в организме, что обусловлено как высокими значениями начальной силы, так и небольшими участками, к которым эта сила приложена, например, в суставах. Например, при человек неправильно поднимает предмет, между позвонками в позвоночнике может возникнуть сила в 5000 Н, которая может быть приложена к площади всего 10 см210 см2. Создаваемое давление равно P=F/A=(5000 Н)/(10-3м2)=5,0×106 Н/м2P=F/A=(5000 Н)/(10-3м2)=5,0×106Н/м2 или около 50 атм! Это давление может повредить как позвоночные диски (хрящи между позвонками), так и сами костные позвонки. Даже в нормальных условиях силы между позвонками в позвоночнике достаточно велики, чтобы создать давление в несколько атмосфер. Большинства причин чрезмерного давления на костную систему можно избежать, правильно поднимая тяжести и избегая экстремальных физических нагрузок. (См. Силы и крутящие моменты в мышцах и суставах.)

Есть много других интересных и важных с медицинской точки зрения давлений в организме. Например, давление, вызванное различными мышечными движениями, продвигает пищу и отходы через пищеварительную систему. Давление в желудке во многом похоже на давление в мочевом пузыре и связано с ощущением голода. Давление в расслабленном пищеводе обычно отрицательное, потому что давление в грудной полости обычно отрицательное. Таким образом, положительное давление в желудке может привести к попаданию кислоты в пищевод, вызывая «изжогу». Давление в среднем ухе может привести к значительному давлению на барабанную перепонку, если оно сильно отличается от атмосферного давления, например, при подводном плавании. Уменьшение внешнего давления заметно и при полетах на самолетах (из-за уменьшения веса воздуха над землей по сравнению с весом у поверхности Земли). Евстахиевы трубы соединяют среднее ухо с горлом и позволяют уравнять давление в среднем ухе, чтобы избежать дисбаланса силы на барабанную перепонку.

Многие давления в организме человека связаны с потоком жидкости. Поток жидкости будет подробно обсуждаться в разделе «Гидродинамика и ее биологические и медицинские приложения».

11.9 Давление в теле – College Physics

Глава 11 Статика жидкости

Резюме

• Объясните понятие давления в организме человека.
• Объясните значения систолического и диастолического артериального давления.
• Опишите давление в глазах, легких, позвоночнике, мочевом пузыре и костной системе.

Наряду с измерением температуры и веса человека измерение артериального давления является наиболее распространенным из всех медицинских обследований. Контроль высокого кровяного давления в значительной степени ответственен за значительное снижение смертности от сердечных приступов и инсультов, достигнутое за последние три десятилетия. Давление в различных частях тела может быть измерено и часто дает ценные медицинские показатели. В этом разделе мы рассмотрим несколько примеров вместе с некоторыми сопровождающими их физическими явлениями.

В таблице 5 перечислены некоторые из измеренных значений давления в мм рт. ст., наиболее часто используемые единицы измерения.

Система кузова	Манометрическое давление в мм рт. ст.
Артериальное давление в крупных артериях (в покое)
Максимум (систолический)	100–140
Минимум (диастолический)	60–90
Артериальное давление в крупных венах	4–15
Глаз	12–24
Мозг и спинномозговая жидкость (лежа)	5–12
Мочевой пузырь
При заполнении	0–25
При заполнении	100–150
Грудная полость между легкими и ребрами	от -8 до -4
Внутри легких	от −2 до +3
Пищеварительный тракт
Пищевод	−2
Желудок	0–20
Кишечник	10–20
Среднее ухо	<1
Таблица 5. Типичное давление у человека

Обычные измерения артериального давления обычно дают значения 120 мм рт. ст. и 80 мм рт. ст. соответственно для систолического и диастолического давления. Оба давления имеют последствия для здоровья. Когда систолическое давление хронически высокое, увеличивается риск инсульта и сердечного приступа. Однако, если он слишком низкий, обмороки становятся проблемой. Систолическое давление резко возрастает во время физической нагрузки для увеличения кровотока и возвращается к норме после нее. Это изменение не вызывает никаких побочных эффектов и даже может благотворно сказаться на тонусе системы кровообращения. Диастолическое давление может быть индикатором баланса жидкости. Низкий уровень может указывать на то, что у человека внутреннее кровотечение и ему требуется переливание крови. И наоборот, высокое диастолическое давление указывает на вздутие кровеносных сосудов, которое может быть связано с переливанием слишком большого количества жидкости в кровеносную систему. Высокое диастолическое давление также является признаком того, что кровеносные сосуды не расширяются должным образом для прохождения крови. Это может серьезно нагрузить сердце при попытке перекачивать кровь.

Кровь покидает сердце под давлением около 120 мм рт. ст., но ее давление продолжает снижаться (почти до 0) по мере продвижения от аорты к более мелким артериям и к мелким венам (см. рис. 1). Перепады давления в системе кровообращения вызваны потоком крови через систему, а также положением человека. Для человека, стоящего, давление в ногах будет больше, чем в сердце из-за веса крови [латекс]{(P=h\rho{g})}.[/latex] Если предположить, что расстояние между сердцем и стопами человека в вертикальном положении равно 1,4 м, то прирост давления в стопах по отношению к давлению в сердце (для статического столба крови) равен 94\text{ Па}=108\текст{ мм рт.ст.}}[/латекс]

 

Длительное стояние может привести к скоплению крови в ногах и отечности. Это причина, по которой солдаты, которым приходится стоять неподвижно в течение длительного периода времени, часто теряют сознание. Эластичные бинты вокруг голени могут помочь предотвратить это накопление, а также могут помочь обеспечить повышенное давление, чтобы вены могли отправлять кровь обратно к сердцу. По тем же причинам врачи рекомендуют носить плотные чулки при дальних перелетах.

Артериальное давление также можно измерять в крупных венах, камерах сердца, артериях головного мозга и легких. Но это давление обычно контролируют только во время операции или у пациентов в реанимации, поскольку измерения являются инвазивными. Чтобы получить эти измерения давления, квалифицированные медицинские работники вводят тонкие трубки, называемые катетерами, в соответствующие места для передачи давления на внешние измерительные устройства.

Сердце состоит из двух насосов: правый нагнетает кровь через легкие, а левый заставляет кровь течь по всему телу (рис. 1). Правожелудочковая недостаточность, например, приводит к повышению давления в полых венах и падению давления в артериях, ведущих к легким. Левосердечная недостаточность приводит к повышению давления, поступающего в левую часть сердца, и падению давления в аорте. Влияние этих и других давлений на кровоток в системе кровообращения будет обсуждаться более подробно в главе 12 «Гидродинамика и ее биологические и медицинские приложения».

ДВА НАСОСА СЕРДЦА

Сердце состоит из двух насосов: правый нагнетает кровь через легкие, а левый заставляет кровь течь по всему телу.

 

Рисунок 1. Схема кровеносной системы с указанием типичных давлений. Два насоса в сердце повышают давление, и это давление снижается по мере того, как кровь течет по телу. Длительные отклонения от этих давлений имеют медицинские последствия, которые подробно обсуждаются в главе 12 «Гидродинамика и ее биологические и медицинские приложения». Неинвазивно можно измерить только аортальное или артериальное давление.

Форма глаза поддерживается давлением жидкости, называемым внутриглазным давлением , которое обычно находится в диапазоне от 12,0 до 24,0 мм рт.ст. Когда циркуляция жидкости в глазу блокируется, это может привести к повышению давления, состоянию, называемому глаукомой . 2)}.[/latex] Затем вычисляем следующим образом: 92}[/латекс] [латекс])[/латекс] [латекс]{=6.8\textbf{ N.}}[/латекс]

Эта сила равна массе около 680 г. Массы в 680 г, лежащей на глазу (представьте, что на ваш глаз опирается 1,5 фунта), было бы достаточно, чтобы вызвать его повреждение. (Нормальной силой здесь будет вес около 120 г, что составляет менее одной четверти нашего первоначального значения.)

Люди старше 40 лет подвергаются наибольшему риску развития глаукомы и должны регулярно измерять внутриглазное давление. Большинство измерений включают приложение силы к (анестезированному) глазу в некоторой области (давление) и наблюдение за реакцией глаза. При бесконтактном подходе используется струя воздуха и измеряется сила, необходимая для вдавливания глаза (рис. 2). Если внутриглазное давление высокое, глаз будет меньше деформироваться и быстрее восстанавливаться, чем обычно. Избыточное внутриглазное давление можно надежно обнаружить, а иногда и эффективно контролировать. 92},[/latex] рассчитайте максимально допустимое манометрическое давление на барабанную перепонку в ньютонах на квадратный метр и переведите его в миллиметры ртутного столба. б) На какой глубине в пресной воде барабанная перепонка этого человека разорвется, если предположить, что манометрическое давление в среднем ухе равно нулю?

Стратегия для (а)

Давление можно найти непосредственно из его определения, поскольку мы знаем силу и площадь. Ищем манометрическое давление.

Раствор для (а)

92)}}[/latex] [latex]{=\:3.06\text{ m.}}[/latex]

Обсуждение

Точно так же повышенное давление на барабанную перепонку со стороны среднего уха может возникать при инфекция вызывает накопление жидкости.

Давление внутри легких увеличивается и уменьшается с каждым вдохом. Когда вы вдыхаете, давление падает ниже атмосферного (отрицательное манометрическое давление), в результате чего воздух поступает в легкие. Оно увеличивается выше атмосферного давления (положительное манометрическое давление), когда вы выдыхаете, вытесняя воздух.

Давление в легких контролируется несколькими механизмами. Для вдоха необходима работа мышц диафрагмы и грудной клетки; это мышечное действие увеличивает объем легких, тем самым снижая давление внутри них. Рисунок 3. Поверхностное натяжение в альвеолах создает положительное давление, противодействующее вдоху. (См. главу 11.8 Когезия и адгезия в жидкостях: поверхностное натяжение и капиллярное действие.) Вы можете выдохнуть без мышечной деятельности, позволяя поверхностному натяжению в альвеолах создавать собственное положительное давление. Мышечная деятельность может добавить к этому положительному давлению, чтобы вызвать форсированный выдох, например, когда вы надуваете воздушный шар, задуваете свечу или кашляете.

Легкие действительно разрушились бы из-за поверхностного натяжения в альвеолах, если бы они не были прикреплены к внутренней стороне грудной стенки за счет жидкостной адгезии. Таким образом, манометрическое давление в жидкости, прикрепляющей легкие к внутренней части грудной клетки, отрицательно и колеблется от [латекс]{-4}[/латекс] до [латекс]{-8\текст{ мм рт.ст.}}[/латекс ] на выдохе и вдохе соответственно. Если воздух попадает в грудную полость, он разрывает соединение, и одно или оба легких могут коллапсировать. Отсасывание применяется к грудной полости хирургических пациентов и пострадавших от травм, чтобы восстановить отрицательное давление и раздуть легкие.

Рис. 3. (а) Во время вдоха мышцы расширяют грудную клетку, а диафрагма опускается вниз, снижая давление внутри легких до уровня ниже атмосферного (отрицательное манометрическое давление). Давление между легкими и стенкой грудной клетки еще ниже, чтобы преодолеть положительное давление, создаваемое поверхностным натяжением в легких. (б) Во время спокойного выдоха мышцы просто расслабляются, а поверхностное натяжение в альвеолах создает положительное давление внутри легких, вытесняя воздух наружу. Давление между стенкой грудной клетки и легкими остается отрицательным, чтобы удерживать их прикрепленными к стенке грудной клетки, но оно менее отрицательное, чем при вдохе.

Позвоночник и череп

В норме давление жидкости, окружающей головной мозг и заполняющей позвоночник, составляет от 5 до 12 мм рт.ст. Эта спинномозговая жидкость служит многим целям, одной из которых является обеспечение плавучести мозга. Выталкивающая сила, обеспечиваемая жидкостью, почти равна весу мозга, поскольку их плотности почти равны. Если есть потеря жидкости, мозг опирается на внутреннюю часть черепа, вызывая сильные головные боли, сужение кровотока и серьезные повреждения. Давление спинномозговой жидкости измеряется с помощью иглы, вставленной между позвонками, которая передает давление на подходящее измерительное устройство. 93}.[/latex] Это давление вызывает рефлекс мочеиспускания , который стимулирует чувство позыва к мочеиспусканию. Более того, это также заставляет мышцы вокруг мочевого пузыря сокращаться, повышая давление до более чем 100 мм рт. ст., усиливая ощущение. Кашель, напряжение, напряжение в холодную погоду, ношение тесной одежды и простое нервное напряжение могут увеличить давление в мочевом пузыре и вызвать этот рефлекс. То же самое можно сказать и о весе плода беременной женщины, особенно если он энергично брыкается или давит головой! Давление в мочевом пузыре можно измерить с помощью катетера или путем введения иглы через стенку мочевого пузыря и передачи давления на соответствующее измерительное устройство. Одна из опасностей высокого давления в мочевом пузыре (иногда вызванного обструкцией) заключается в том, что такое давление может заставить мочу вернуться в почки, что может привести к серьезному повреждению. 92}[/latex] или около 50 атм! Это давление может повредить как позвоночные диски (хрящи между позвонками), так и сами костные позвонки. Даже в нормальных условиях силы между позвонками в позвоночнике достаточно велики, чтобы создать давление в несколько атмосфер. Большинства причин чрезмерного давления на костную систему можно избежать, правильно поднимая тяжести и избегая экстремальных физических нагрузок. (См. главу 9.6 Силы и крутящие моменты в мышцах и суставах.)

Есть много других интересных и важных с медицинской точки зрения давлений в организме. Например, давление, вызванное различными мышечными движениями, продвигает пищу и отходы через пищеварительную систему. Давление в желудке во многом похоже на давление в мочевом пузыре и связано с ощущением голода. Давление в расслабленном пищеводе обычно отрицательное, потому что давление в грудной полости обычно отрицательное. Таким образом, положительное давление в желудке может привести к попаданию кислоты в пищевод, вызывая «изжогу». Давление в среднем ухе может привести к значительному давлению на барабанную перепонку, если оно сильно отличается от атмосферного давления, например, при подводном плавании. Уменьшение внешнего давления заметно и при полетах на самолетах (из-за уменьшения веса воздуха над землей по сравнению с весом у поверхности Земли). Евстахиевы трубы соединяют среднее ухо с горлом и позволяют уравнять давление в среднем ухе, чтобы избежать дисбаланса силы на барабанную перепонку.

Многие давления в организме человека связаны с потоком жидкости. Течение жидкости будет подробно обсуждаться в главе 12 «Гидродинамика и ее биологические и медицинские приложения».

• Измерение артериального давления является одним из наиболее распространенных медицинских обследований.
• Давление в различных частях тела может быть измерено и часто является ценным медицинским индикатором.
• Форма глаза поддерживается давлением жидкости, называемым внутриглазным давлением.
• Когда циркуляция жидкости в глазу блокируется, это может привести к повышению давления, состоянию, называемому глаукомой.
• Некоторые из других давлений в теле — это давление в позвоночнике и черепе, давление в мочевом пузыре, давление в костной системе.

Задачи и упражнения

1: При форсированном выдохе, например, при надувании воздушного шара, диафрагма и грудные мышцы создают давление 60,0 мм рт. 2}.[/латекс] (б) Какова результирующая сила действует на череп? 92}?[/latex] (b) Преобразуйте это давление в миллиметры ртутного столба и определите, достаточно ли оно само по себе, чтобы вызвать рефлекс мочеиспускания (оно будет добавляться к любому давлению, уже существующему в мочевом пузыре).

7: Если давление в пищеводе [латекс]{-2,00\text{ мм рт.ст.}}[/латекс], а в желудке [латекс]{+20,0\текст{ мм рт.ст.}}, [/latex] На какую высоту может подняться желудочная жидкость в пищеводе, если предположить плотность 1,10 г/мл? (Этого движения не произойдет, если мышца, закрывающая нижний конец пищевода, работает правильно.)

8: Давление в спинномозговой жидкости измеряется, как показано на рисунке 4. Если давление в спинномозговой жидкости составляет 10,0 мм рт. ст.: (а) Каково показание водяного манометра в см водяного столба? б) Каковы будут показания, если человек сядет, поместив верхнюю часть жидкости на 60 см выше уровня крана? Плотность жидкости составляет 1,05 г/мл.

Рис. 4. Водяной манометр, используемый для измерения давления спинномозговой жидкости. Высота жидкости в манометре измеряется относительно позвоночного столба, и манометр открыт для атмосферы. Измеренное давление будет значительно выше, если человек сидит. 92}?[/latex]

11: Когда человек сидит прямо, увеличив вертикальное положение своего мозга на 36,0 см, сердце должно продолжать качать кровь к мозгу с той же скоростью. а) Каков прирост потенциальной энергии гравитации 100 мл крови, поднятой на высоту 36,0 см? б) Чему равно падение давления без учета потерь на трение? (c) Обсудите, как связаны увеличение гравитационной потенциальной энергии и уменьшение давления.

12: а) На какую высоту поднимется вода в стеклянном капилляре радиусом 0,500 мм? б) Сколько гравитационной потенциальной энергии приобретает вода? в) Обсудите возможные источники этой энергии.

13: Отрицательное давление 25,0 атм иногда может быть достигнуто с помощью устройства на рис. 5 до отделения воды. а) На какую высоту может подняться вода при таком отрицательном манометрическом давлении? б) На сколько растянется стальная проволока того же диаметра и длины, что и этот капилляр, если ее подвесить сверху?

Рисунок 5. (a) Когда поршень поднимается, он немного растягивает жидкость, создавая натяжение и отрицательное абсолютное давление P=−F/A (b) Жидкость в конце концов разделяется, давая экспериментальный предел отрицательному давлению в этой жидкости.

14: Предположим, вы ударили молотком весом 0,500 кг по стальному гвоздю, который первоначально двигался со скоростью [латекс]{15,0\текст{ м/с}}[/латекс] и остановился на отметке 2,80 мм. а) Какая средняя сила действует на гвоздь? б) На сколько сжался ноготь, если его диаметр 2,50 мм, а длина 6,00 см? в) Какое давление создается на кончике гвоздя диаметром 1,00 мм?

15: Рассчитайте давление океана на дно Марианской впадины вблизи Филиппин, учитывая ее глубину [latex]{11,0\text{ км}}[/latex] и при условии, что плотность морской воды постоянна на всем протяжении вниз. (b) Рассчитайте процентное уменьшение объема морской воды из-за такого давления, предполагая, что ее объемный модуль такой же, как у воды, и является постоянным. в) На сколько процентов увеличится его плотность? Верно ли предположение о постоянной плотности? Будет ли фактическое давление больше или меньше рассчитанного при этом предположении?

16: Гидравлическая система обратной лопаты используется для подъема груза, как показано на рис. 6. (a) Рассчитайте силу [латекс]{F}[/латекс], которую должен оказывать рабочий цилиндр, чтобы поддерживать 400- кг нагрузки и 150-кг скобы и лопаты. б) Каково давление гидравлической жидкости, если рабочий цилиндр имеет диаметр 2,50 см? (c) Какую силу нужно было бы приложить к рычагу с механическим преимуществом 5,00, действующему на главный цилиндр диаметром 0,800 см, чтобы создать это давление?

Рисунок 6. Гидравлические и механические рычажные системы используются в тяжелых машинах, таких как эта задняя мотыга.

17: Некоторые горняки хотят удалить воду из шахты. Труба опускается в воду на 90 м ниже и создается отрицательное давление для подъема воды. а) Рассчитайте давление, необходимое для подъема воды. б) Что неразумного в этом давлении? в) Что неразумно в предпосылке?

18: Вы накачиваете велосипедную шину ручным насосом, поршень которого имеет радиус 2,00 см. 95\text{ Pa}}[/latex] (b) Что неразумного в этом (a) результате? (c) Какие посылки являются неразумными или непоследовательными?

19: Рассмотрим группу людей, пытающихся остаться на плаву после того, как их лодка наткнулась на бревно в озере. Составьте задачу, в которой вы подсчитаете количество людей, которые могут уцепиться за бревно и держать голову над водой. Среди переменных, которые необходимо учитывать, — размер и плотность бревна, а также то, что необходимо, чтобы держать голову и руки человека над водой, не плавая и не ступая по воде.

20: У пострадавших от эмфиземы альвеолы ​​повреждаются и эффективно формируют мешочки большего размера.