Исследования морских глубин физика

Презентация «Давление на дне морей и океанов»

«Давление на дне морей и океанов. Исследование морских глубин».

Океаны и моря могли бы поглотить самые высокие горы, настолько чудовищны их глубины. Мы можем представить себе гору высотой 8–9 километров, но представить себе глубину океана 8–10 километров трудно даже людям с богатым воображением. На дне океана огромное давление. Так, например, на глубине 10 км (а есть и большие глубины) давление составляет около 100 млн. Па.

Несмотря на это, вследствие малой сжимаемости воды, плотность её на дне океанов лишь немного больше, чем вблизи поверхности. Сравнительно недавно, лет 100 назад, о жизни в океанских глубинах было известно совсем мало, и любознательность человека могла питаться лишь фантазией поэтов, изображавших морские глубины, населенными ужасными чудовищами. Но современная наука раскрыла многие тайны моря. Рыбы извлечены из глубин 7000 метров, но и это не предел распространения глубоководных рыб.

Как же рыбы выдерживают тяжесть слоя воды толщиной в несколько километров? Им это не причиняет никаких болезненных ощущений. Дело в том, что тело, мышцы и кости рыб пропитаны водой, и рыба ощущает одинаковое давление изнутри и снаружи. Но если вытащить глубоководную рыбу на поверхность воды, внутреннее давление перестает уравновешиваться наружным. Рыбу раздувает, глаза выпучиваются, внутренности выворачиваются через рот. В таком раздутом виде рыба уже не может погрузиться на глубину.

Ловцы жемчуга могут нырять на глубину 20 – 30 метров, задерживая дыхание на 1 – 2 минуты. Человек при специальной тренировке может без особых предохранительных средств погружаться на глубины до 80 м, где давление достигает около 800 000 Па. На больших глубинах, если не принять специальных мер защиты, грудная клетка человека может не выдержать давления воды.

При очистке дна рек, ремонте подводных частей кораблей, плотин, при подъеме затонувших судов людям приходится работать на разной глубине. Для этого применяют специальные водолазные костюмы (скафандры).

Водолазный костюм изготавливают из прорезиненной ткани и надевают его поверх теплой одежды. На верхнюю часть костюма навинчивают металлический шлем с окошками из толстого стекла. Ботинки водолаза имеют свинцовые подошвы, а на его грудь и спину надевают свинцовые грузы, иначе водолаз не погрузится в воду. В шлем по шлангу непрерывно подают воздух для дыхания. Однако шланг стесняет движения водолаза под водой и уменьшает расстояние, на которое он может удаляться от места погружения.

Лейтенант ВМФ Франции Жак Ив Кусто и инженер Эмиль Ганьян сконструировали автоматический акваланг — устройство, позволяющее свободно дышать под водой газом из баллона. В 1943 году получили патент на своё изобретение. Запас воздуха, сжатый под высоким давлением, содержится в баллонах, которые крепятся на спине пловца. Регулятор, укрепленный на баллоне, подает воздух под тем же давлением, что и на той глубине, на которой находится аквалангист. Для этого служит клапан. С этим оборудованием ныряльщик мог долго оставаться под водой. Дыхание у подводного пловца такое же естественное, как на поверхности. Единственное, что должен сделать ныряльщик, чтобы получить кислород, — это сделать вдох, и акваланг подаст ему порцию воздуха под необходимым давлением. После изобретения акваланга подводное плавание широко распространилось по миру.

С этим оборудованием ныряльщик мог долго оставаться под водой. Дыхание у подводного пловца такое же естественное, как на поверхности. Единственное, что должен сделать ныряльщик, чтобы получить кислород, — это сделать вдох, и акваланг подаст ему порцию воздуха под необходимым давлением. После изобретения акваланга подводное плавание широко распространилось по миру. Аквалангом пользуются и спортсмены- пловцы.

Для исследования моря на больших глубинах используют батисферы и батискафы.

Батисфера используется для погружения на глубину 165м – 1км. Её опускают с подводного судна с помощью троса.

Батискаф не связан тросом с кораблём, он имеет собственный двигатель и может передвигаться на большой глубине в любом направлении.

Первое погружение человека на дно Марианского жёлоба было совершено 23 января 1960 года лейтенантом ВМС США Доном Уолшем и исследователем Жаком Пикаром на батискафе «Триест». Приборы зафиксировали рекордную глубину — 11 521 метр (скорректированная величина — 10 918 м).

Источник

3. Приспособления для исследования морских глубин

В морях и океанах разнообразна флора и фауна: огромное количество растений, простейших, ракообразных, млекопитающих. На Мировой океан приходится \(95\) \(\%\) всех мест обитания живых организмов. Чем же различается окружающая среда для организмов, существующих в воде?

Для живущих на земле важно знать давление слоёв воздуха — атмосферное давление. Оно влияет на самочувствие, на изменение погоды и должно учитываться при выращивании растений, при постройке жилья. Для морских жителей к давлению воздушных масс добавляется давление толщи воды над той областью, в которой они обитают. Чем глубже эта область, тем больше давление толщи воды.

С увеличением глубины гидростатическое давление возрастает: \(p=\rho gh\), где:
\(p\) — гидростатическое давление,
\(\rho\) — плотность жидкости (зависит от её состава и температуры),
\(g\) — ускорение свободного падения,
\(h\) — высота столба жидкости (глубина).

Для бытовых расчётов можно принять, что на каждые \(10\) метров пресной воды давление увеличивается на \(1\) атмосферу, или \(0,1\) МПа.

Это свойство открыто и подтверждено опытным путём в \(1653\) году Блезом Паскалем. Ранее в «Принципах водного баланса» в \(1586\) году Симон Стевин, фламандский математик, механик и инженер, выдвинул концепцию давления в области гидростатики.

Все живые организмы в процессе эволюции приспосабливаются к гидростатическому давлению. Для этого существуют различные механизмы — от воздушного пузыря у рыб до хитиновых покровов у ракообразных и черепах. Давление внутри глубоководных организмов уравновешивается давлением снаружи.

На большую глубину (\(180\) м и больше) солнечный свет не попадает, поэтому там темно. Живые организмы, обитающие на таких глубинах, либо не пользуются зрением (т. е. слепые), либо имеют очень чувствительные глаза. Есть глубоководные животные, которые сами излучают свет.

Фридайвинг (от англ. free diving — «свободное ныряние») — подводное плавание с задержкой дыхания (без акваланга).

Фридайвинг развился в тех странах, где искатели жемчуга ныряли без приспособлений. Дыхательные органы были натренированы с детства. Глубокое погружение негативно воздействует на кровеносную систему из-за высокого гидростатического давления.

Во многих племенах воин должен был уметь незаметно и тихо подплывать к неприятелю или к животному на охоте.

• тростниковые стебли , которые должны были удерживаться над поверхностью воды для доступа воздуха; они усовершенствовались до скафандров с подачей воздуха с корабля;
• по принципу воздушного пузыря рыб воздух стали набирать в герметичные мешки , которые развились до баллонов со сжатым воздухом;
• водолазные колокола применялись как средство транспортировки с небольшим запасом воздуха, которые развились до батискафов и подводных лодок.

На большой глубине для дыхания используют тот же воздух, но он подаётся под давлением, равным давлению окружающей среды. В конце \(XX\) века для дыхания на больших глубинах стали применять искусственные дыхательные газовые смеси.

Как сжатый воздух или газовую смесь взять с собой под воду? Для этой цели используют акваланг — аппарат со сжатым воздухом. Этим изобретением мы обязаны Ж. Кусто и Э. Ганьяну, которые изобрели акваланг еще в \(1943\) году. Использование акваланга позволяет производить работы на глубине достаточно продолжительное время (более часа).

Французами изобретён предназначенный для дыхания человека под водой акваланг. С помощью него возможно находиться под водой как несколько минут (при погружении до \(40\) м), так и более часа (если погружаться на небольшую глубину).

Погружения с аквалангом на глубины более \(40\) м уже опасны для здоровья. Сжатый воздух из баллона поступает в организм человека под большим давлением и может привести к состоянию, называемому «азотным наркозом». Вследствие этого сознание человека теряет ясность и движения становятся нескоординированными.

Для проведения подводных работ на различных глубинах используется не только оборудование для дыхания, но и специальные костюмы — водолазные скафандры .

Скафандры производят из различных материалов. Если материал скафандра мягкий, например резина, то погружаться можно только на несколько десятков метров. Для погружения и работы на больших глубинах используют жёсткие скафандры. Но и в этом случае глубина ограничивается \(300\) метрами.

Если требуется погружение на большую глубину, то используют батисферы и батискафы . Батисфера не способна самостоятельно перемещаться в воде, поэтому ее спускают под воду на тросе. Первое погружение состоялось в \(1892\) году. Батисфера достигла глубины \(165\) м, а несколько позднее опустилась на глубину более \(1000\) метров.

В отличие от батисферы, батискаф не имеет троса и способен перемещаться автономно. О. Пиккар построил первый батискаф в \(1948\) году, а в \(1960\) году Ж. Пиккар и Д. Уолш погрузились на батискафе на дно Марианской впадины (\(11 022\) м) в Тихом океане.

Источник