Увеличиваем содержание кислорода и удаляем углекислый газ
Однако столь большое количество жидкости для дыхания может и не понадобиться, если значительно увеличить содержание растворенного в ней кислорода. Так и поступают ученые, о работах которых рассказывает статья Д.А. Килстра.
В случае использования для дыхания жидкости значительно большие трудности возникают в связи с необходимостью удаления из крови углекислого газа. Известно, что даже незначительное повышение содержания углекислого газа в крови приводит к глубоким нарушениям физиологического состояния.
Что же делать? Градиент кислорода можно повысить искусственно. Градиент углекислого газа — 7 мм рт. ст.- определен «внутренними» причинами, и изменить его нет возможности. Разумеется, нельзя пропускать через легкие щелочные жидкости, жадно поглощающие углекислый газ!
Необходимо искать такие вещества, разработать такой химический состав жидкости, который бы не был токсичен и в то же время обладал высокой способностью к связыванию углекислого газа.
Сравнительно недавно группа ученых-физиологов специально рассматривала физические условия, в которых осуществляется вентиляция легких. Они пришли к заключению, что если учесть поверхностное натяжение альвеол, то сопротивление дыханию должно быть столь велико, что просто чудо, каким образом мы дышим.
Оказалось, что в легочной ткани вырабатывается химическое вещество, названное сурфактан. Оно в виде тонкой мономолекулярной пленки покрывает внутреннюю поверхность альвеол. Обладая малым поверхностным натяжением, сурфактан препятствует слипанию альвеол.
Тесное соприкосновение стенок альвеол с капиллярами обеспечивает диффузию газов в легких.
Интересно, что Мигель Сервет, описавший малый легочный круг кровообращения в 1546 году, и английский врач Вильям Гарвей, открывший большой круг кровообращения в 1628 году, не знали о существовании капилляров. Они их не могли увидеть, так как в исследованиях пользовались лишь «невооруженным» глазом.
О том, что система кровообращения замкнута-вены сообщаются каким-го образом с артериями,- они только догадывались.При этом Гарвей ошибочно предполагал, что связь артериальной системы с венозной обусловлена пористым строением самих тканей.
Суть закона
Закон назван в честь британского физика XVII века Роберта Гука, который впервые сформулировал его в 1676 году в виде анаграммы на латинском.
Он опубликовал её решение в 1678 году, утверждая, что открыл закон уже в 1660 году.
При изучении пружин и свойств их упругости, имеющих электромагнитную природу, физик отметил, что кривая зависимости напряжения от деформации для многих материалов имеет линейную область.
Вот как формулируется закон Гука: сила упругости, необходимая для растяжения упругого объекта, такого как металлическая пружина, равна или прямо пропорциональна удлинению пружины.
Эта формулировка математически записывается как F = -kx, где обозначения расшифровываются следующим образом:
- X — это смещение конца пружины от её положения равновесия.
- F — восстанавливающая сила, прилагаемая пружиной к этому концу.
- K — константа пропорциональности, известная как пружинная постоянная, которая обычно измеряется в N/m (ньютон метр).
Когда действует закон Гука, поведение линейно. Если оно показано на графике или рисунке, линия, изображающая силу как функцию смещения, должна показывать прямое изменение. В правой части уравнения есть отрицательный знак, потому что восстанавливающая сила, создаваемая пружиной, находится в направлении, противоположном силе, вызвавшей смещение.
Всегда важно убедиться, что направление восстанавливающей силы задаётся последовательно при приближении к механическим задачам, связанным с упругостью. Для простых задач часто можно интерпретировать расширение X как одномерный вектор, в этом случае результирующая сила также будет одномерным вектором, а отрицательный знак в законе Гука даст правильное направление силы.. Однако успешность применения принципа зависит от того, при каких условиях он выполняется
Закон Гука является лишь линейным приближением первого порядка к реальному отклику пружин (и других упругих тел) на приложенные силы и имеет границы применимости, работая только в ограниченной системе координат.
Однако успешность применения принципа зависит от того, при каких условиях он выполняется. Закон Гука является лишь линейным приближением первого порядка к реальному отклику пружин (и других упругих тел) на приложенные силы и имеет границы применимости, работая только в ограниченной системе координат.
Поскольку ни один материал не может быть сжат сильнее определённого минимального размера (или растянут за пределы максимального размера) без некоторой постоянной деформации или изменения состояния, он применяется только до тех пор, пока задействовано ограниченное количество силы или деформации. Фактически многие материалы заметно отклонятся от закона Гука задолго до того, как будут достигнуты эти пределы упругости.
С другой стороны, этот закон является точным приближением для большинства твёрдых тел, пока силы деформации достаточно слабы.
По этой причине он широко используется во всех областях науки (например, в сопромате) и техники, а ещё является основой многих дисциплин, таких как сейсмология, молекулярная механика и акустика.
Это также принцип, стоящий за пружинной шкалой, манометром и колесом баланса механических часов.
В этом обобщённом виде закон позволяет вывести связь между деформацией и напряжением для сложных объектов, с точки зрения внутренних свойств материалов, из которых они изготовлены. Например, можно сделать вывод, что однородный стержень с равномерным поперечным сечением будет вести себя как простая пружина при растяжении, с жёсткостью K, прямо пропорциональной его площади поперечного сечения и обратно пропорциональной его длине.
if(typeof ez_ad_units!=’undefined’){ez_ad_units.push([[336,280],’lambdageeks_com-box-4′,’ezslot_3′,861,’0′,’0′])};__ez_fad_position(‘div-gpt-ad-lambdageeks_com-box-4-0’);Резинка
Благодаря своей эластичности, резинки легко растягиваются при натяжении.
Но заметили ли вы, что полосы могут растягиваться до определенного предела? Это потому, что в этот момент резиновые ленты обладали упругой силой, которая противодействовала внешнему натяжению, сопротивляясь дальнейшему растяжению или изменению формы резины. Чем больше тянущее усилие мы прикладываем к резине, тем больше упругая сила будет возвращаться назад.
Как только мы убрали натяжение резиновых лент, сила упругости исчезла, и резина вернулась к своей первоначальной форме.
Восстанавливающая сила или сила упругости обычно пропорциональна величине растяжения; который Закон Крюка описывает.
Примеры упругой силы- Тянущая резиновая лента (кредит: Shutterstock)
График закона Гука | График эксперимента по закону Гука
Изображение предоставлено: (Дэвид Ричфилд), Напряжение v деформация A36 2, CC BY-SA 3.0
Роберт Гук изучил пружины и их упругость и открыл их. Кривая растяжения для различных материалов имеет линейный участок. В пределах пропорциональности сила, прикладываемая для вытягивания любого упругого объекта, прямо пропорциональна смещению растяжения пружины.
От происхождения до предела соразмерности материал следует закону Гука. За пределами упругости материал теряет эластичность и ведет себя как пластик. Когда материал достигает предела упругости, после снятия приложенной силы материал возвращается в исходное положение.
Модуль Юнга
Модуль Юнга (также известный как модуль упругости) — это число, которое измеряет сопротивление материала упругой деформации. Оно названо в честь физика XVII века Томаса Юнга. Чем жёстче материал, тем выше его модуль Юнга.
Это значение обычно обозначается символом E и записывается как E = σ/ε, где:
- σ (сигма) представляет собой одноосное напряжение, или одноосное усилие на единицу поверхности в паскалях.
- ε (эпсилон) является деформацией или пропорциональной деформацией (изменение длины, делённое на исходную длину).
Модуль Юнга можно определить при любом напряжении, но там, где он подчиняется закону Гука, это постоянная величина. Можно непосредственно получить постоянную пружины k из модуля материала, области A, к которой приложена сила (поскольку напряжение зависит от площади), и номинальной длины материала L.
Практическое использование
Модуль Юнга позволяет рассчитать изменение размера стержня из изотропного упругого материала при растягивающих или сжимающих нагрузках. Например, он предсказывает, насколько образец материала растягивается при растяжении или укорачивается при сжатии.
Он также используется, чтобы найти отклонение, которое будет появляться в статически определённом луче, когда нагрузка приложена в точке между опорами луча. Другие вычисления обычно требуют использования одного дополнительного упругого свойства, такого как модуль сдвига, модуль объёма или коэффициент Пуассона. Любые два из этих параметров достаточны для полного описания упругости в изотропном материале.
Виды материалов
Сталь, углеродное волокно и стекло среди прочих обычно считаются линейными материалами, в то время как другие материалы, такие как резина и грунты, являются нелинейными. Однако это не абсолютная классификация: если к нелинейному материалу применяется небольшое напряжение, отклик будет линейным. Например, поскольку линейная теория предполагает обратимость, было бы абсурдно использовать её для описания разрушения стального моста под большой нагрузкой.
Модуль не всегда одинаков во всех ориентациях материала. Большинство металлов и керамики, наряду со многими другими материалами, являются изотропными, и их механические свойства одинаковы во всех ориентациях. Тем не менее металлы и керамика могут быть обработаны определёнными примесями, чтобы сделать их структуры зерна направленными.
Эти материалы затем становятся анизотропными, и модуль Юнга будет меняться в зависимости от направления вектора силы. Анизотропия также наблюдается во многих композитах. Например, углеродное волокно имеет гораздо более высокий модуль Юнга, когда сила нагружена параллельно волокнам (вдоль зерна). Другие такие материалы включают дерево и железобетон. Инженеры могут использовать это явление при создании конструкций.
Поскольку производители пружинных весов ожидают, что их продукт будет использоваться вертикально (например, рыбаком, измеряющим массу своей добычи), шкала откалибрована для учёта массы пружины и крючка. Это даст неверный абсолютный результат, если использовать его для измерения горизонтальной силы.
Тем не менее закон Гука говорит, что существует линейная зависимость между силой и растяжением. Из-за этого всё ещё можно рассчитывать на шкалу относительных измерений при горизонтальном использовании. Некоторые пружинные весы имеют регулировочный винт, который позволяет калибровать нулевую точку, устраняя эту проблему.
Закон Архимеда
На тело, полностью или частично погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости. Эта сила зависит от плотности жидкости и объема погруженного тела.
Закон кажется простым, но на самом деле не очевидно, что объекты одного объема испытывают одинаковую выталкивающую силу при погружении в воду. К примеру, на кубы из пробки и свинца будет действовать одинаковая выталкивающая сила, но при этом они будут вести себя по-разному. Это обусловлено соотношением выталкивающей силы и веса предмета. Закон Архимеда применяется во многих случаях, к примеру, он помогает нам понять принцип плавучести и считается основополагающим принципом гидростатики.
Плутарх писал, что Архимед был настолько увлечен математикой, что слугам приходилось заставлять его принимать ванну, и пока они его мыли, он продолжал рисовать геометрические фигуры на собственном теле.
Архимед изобрел «луч смерти» — конструкцию из зеркал, которые перенаправили солнечные лучи на римские корабли и вызвали на них пожар. Эта история считалась выдумкой до тех пор, пока Дэвид Уоллес из Массачусетского технологического института не провел эксперимент. Его студенты сделали деревянную копию римского корабля и с помощью 127 зеркал перевели на него солнечные лучи с расстояния в 30 метров. Через 10 минут корабль загорелся.
Когда римляне захватили Сиракузы, один солдат наткнулся на Архимеда, изучающего нарисованную на песке математическую диаграмму. Ученый, раздосадованный тем, что его отвлекли, сказал солдату: «Не трогай мои чертежи!». После этих слов он был убит.
Примеры деформации разных видов
1. Играем на гитаре — кратковременно растягиваем струны
2. Садимся в автомобиль — пружины подвески сжимаются
3. Сидим на тонкой доске — доска прогибается
4. Затягиваем шуруп — происходит кручение отвертки (хоть мы и не видим деформацию отвертки)
5. Двигаем расшатанный стул — происходит сдвиг сиденья относительно пола
{"questions":,"explanations":,"answer":}},"hints":},{"content":"Какому виду деформации подвергается мяч при ударе?`choice-7`","widgets":{"choice-7":{"type":"choice","options":,"explanations":,"answer":}},"hints":},{"content":"Упругую дощечку сломали пополам. Какой вид деформации произошёл?`choice-16`","widgets":{"choice-16":{"type":"choice","options":,"explanations":,"answer":}},"hints":}]}
Масса, объем и плотность
Масса
Как ни странно, начнем мы с самого сложного — с массы. Казалось бы, это понятие мы слышим с самого детства, примерно знаем, сколько в нас килограмм, и ничего сложного здесь быть не может. На самом деле, все сложнее.
До недавнего времени в Международном бюро мер и весов в Париже хранился цилиндр массой один килограмм. Цилиндр был изготовлен из сплава иридия и платины и служил для всего мира эталоном килограмма. Правда, со временем его масса изменилась, и пришлось придумать новый эталон — электромагнитные весы.
Высота этого цилиндра была приблизительно равна 4 см, но чтобы его поднять, нужно было приложить немалую силу. Необходимость эту силу прикладывать обуславливается инерцией тел и математически записывается через второй закон Ньютона.
Второй закон Ньютона
F — сила, действующая на тело (равнодействующая)
a — ускорение [м/с 2 ]
В этом законе массу можно считать неким коэффициентом, который связывает ускорение и силу. Также масса важна при расчете силы тяготения. Она является мерой гравитации: именно благодаря ей тела притягиваются друг к другу.
Закон всемирного тяготения
F — сила тяготения
M — масса первого тела (часто планеты)
m — масса второго тела
R — расстояние между телами
G — гравитационная постоянная
G = 6,67 · 10 −11 м 3 · кг −1 · с −2
Когда мы встаем на весы, стрелка отклоняется. Это происходит потому, что масса Земли очень большая, и сила тяготения буквально придавливает нас к поверхности. На более легкой Луне человек весит меньше в шесть раз. Когда думаешь об этом, хочется взвешиваться исключительно на Луне.
Курсы подготовки к ОГЭ по физике помогут снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.
Откуда берется масса
Мужчину на этой фотографии зовут Питер Хиггс. Ему мы обязаны за предположение, экспериментально доказанное в 2012 году, что массу всех частиц создает некий бозон.
Бозон Хиггса невозможно представить — это точно не частица в форме шарика, как обычно рисуют электрон в учебнике. Представьте, что вы бежите по песку. Бежать ощутимо сложно, как будто бы увеличилась масса. Частицы пробираются в поле Хиггса и получают таким образом массу.
Объем тела
Масса зависит от двух величин: плотности и объема. Начнем с известной нам из математики величины — с объема.
Объем — это физическая величина, которая показывает, сколько пространства занимает тело. Уметь соотносить объемы — важный навык. Например, чтобы посчитать, сколько пластиковых шариков помещается в гигантский бассейн.
А если вернуться к задачкам, то чтобы рассчитать объем прямоугольного параллелепипеда, нам нужно перемножить три его параметра.
Вычисляем объем по формуле:
Формула объема параллелепипеда
V = abc
А для цилиндра будет справедлива такая формула:
Формула объема цилиндра
V = Sh
S — площадь основания
Плотность вещества
Плотность — скалярная физическая величина. Определяется как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму.
Формула плотности вещества
— плотность вещества [кг/м 3 ]
m — масса вещества
V — объем вещества
Плотность зависит от температуры, агрегатного состояния вещества и внешнего давления. Обычно если давление увеличивается, то молекулы вещества утрамбовываются плотнее — следовательно, плотность больше. А рост температуры, как правило, приводит к увеличению расстояний между молекулами вещества — плотность понижается.
Маленькое исключение
С водой такая история не работает: плотность воды меньше плотности льда.
Объяснение кроется в молекулярной структуре льда. Когда вода переходит из жидкого состояния в твердое, она изменяет молекулярную структуру так, что расстояние между молекулами увеличивается. Соответственно, плотность льда меньше плотности воды.
Ниже представлены значения плотностей для разных веществ — это поможет при решении задач по физике:
Твердое вещество
кг/м 3
г/см 3
Жидкость
кг/м 3
г/см 3
Газ
кг/м 3
Где самая большая плотность?
Самая большая плотность во Вселенной — в черной дыре. Плотность черной дыры составляет около 1014 кг/м 3 .
Средняя плотность
В школьном курсе чаще всего говорят о средней плотности тела. Дело в том, что если мы рассмотрим какое-нибудь неоднородное тело, то в одной его части будет, например, большая плотность, а в другой — меньшая.
Если вы когда-то делали ремонт, то знакомы с такой вещью, как цемент. Он состоит из двух веществ: клинкера и гипса. Чтобы найти плотность цемента, нужно его массу разделить на объем.
Формула плотности тела
— плотность тела [кг/м 3 ]
m — масса тела
V — объем тела
Почему деформацию должна изучать механика
Говоря о сжатиях или растяжениях, следует задать себе вопрос: какой раздел физики должен изучать этот процесс? При сильных искажениях может выделяться тепло, быть может, этими процессами должна заниматься термодинамика? Иногда при сжатии жидкостей, она начинает кипеть, а при сжатии газов образуются жидкости? Так что же, деформацию должна познавать гидродинамика? Или молекулярно-кинетическая теория?
Всё зависит от силы деформации, от ее степени. Если деформируемая среда (материал, который сжимают или растягивают) позволяет, а сжатие невелико, есть смысл рассматривать этот процесс как движение одних точек тела относительно других.
А раз вопрос касается сугубо движения, значит, заниматься этим будет механика.
Сила – причина изменения скорости
Действительно, стоит разобраться, что такое сила в физике, ведь есть сила характера, сила воли, сила разума, но это не физические категории.
Известно, что при взаимодействии двух тел происходит изменение скорости
В механике важно, как движется тело, чтобы определить его местоположение в нужный момент времени. Для этого нужно знать, что явилось причиной движения
Скорость тела можно изменить разными способами. (Примеры из предыдущего урока: неподвижную жестяную банку сдвинуть магнитом, сбить палкой или струей воды, толкнуть рукой) На практике важен сам процесс изменения скорости.
Причину, по которой у тел изменяется скорость, называют силой. Если скорость у тела изменяется, это значит, что оно испытывает действие силы. Если нет действия силы на тело, то оно либо покоится, либо продолжает двигаться по инерции.
Сила обозначается символом F
Важно направление силы и ее численное значение, т.е. сила – величина векторная
Силу характеризует определенная точка приложения. На чертеже сила изображается стрелкой с началом в точке приложения силы. От этого тоже зависит ее действие. Легко убедиться: когда легче двигать дверь, толкая ее около свободного края или около петель. Конечно, у свободного края легче. Поэтому ручку на двери делают на краю, подальше от петель.
Если взять тело массой 1 кг и за 1 с изменить его скорость на 1 м/с, то делает это сила, принятая за единицу силы.
Эта величина силы запишется — 1 кг ∙ м/с2. Неудобно называть такую величину (килограмм, умноженный на метр, деленный на секунду в квадрате). Для удобства единицу силы стали называть ньютоном по имени английского ученого — физика Исаака Ньютона, много работавшего в области механики. Единицы, носящие имя ученых пишутся с большой буквы. Значит, 1 кг ∙ м/с2 = 1 Н.
Но силы в некоторых случаях меняют скорость не полностью всего тела, а только какой-то его части, изменив его форму. Если тяжелый предмет поставить на гибкую дощечку, то она прогнется.
Каждое изменение обычной формы тела физики называют деформацией. Здесь у части тела меняется скорость.
Таким образом, физическая величина (причем векторная), являющаяся причиной любого изменения скорости у всего тела или его части, называется силой.
А кто же действительно всех сильнее?
Среди людей – американский штангист Пол Андерсон, поднявший спиной 2844 кг в 1957 году. Рекорд не побит до сих пор.
Среди животных на земле – слон. Он несет около 12 тонн своей массы. А «царь зверей» уступает буйволам, носорогам, бегемотам.
Соавтор?
Исследователь творчества И.Ньютона академик С.И.Вавилов отметил: «Ньютон был, очевидно, не прав: скромные желания Гука имели полное основание. Написать “Начала натуральной философии” в ХVII веке никто, кроме Ньютона, не мог, но нельзя оспаривать, что программа, план “Начал” был впервые набросан Гуком».
Книга которая заложит фундамент в физику. И станет основной до 20-века.
В литературе можно найти самые разные оценки Ньютона как человека. Со временем, т.е. по мере публикации его обширных архивов, эти оценки в среднем ухудшаются. Если биографы ХIХ в. склонны к панегирикам в стиле «вся его жизнь была длительным размышлением», то его современный биограф Ф.Мануэль рисует портрет злобного человека с патологически деформированной психикой.
В 1688 г. Ньютона избирают в Английский парламент, и он на два года уезжает из Кембриджа в Лондон. Вернувшись, он уже не возвращался к научным занятиям, возможно, из-за тяжелого психологического заболевания не очень ясного характера. Может быть, оно было вызвано переутомлением в течение предыдущих лет, а может быть, и не связано с ним.
Уничтожить всю память
Как отмечалось выше, Ньютон, при жизни считавшийся современниками величайшим и гениальным ученым, постоянно отказывался от предлагавшегося ему поста президента Королевского общества и дал свое согласие на избрание только в 1703 г., сразу же после смерти Гука. Одним из первых актов на этом посту было уничтожение всех инструментов, бумаг и портретов умершего, и именно по этой причине Королевское общество располагает портретами всех своих членов, кроме одного.
Интересно, что работы Ньютона в области тяготения стали известны в Европе благодаря Вольтеру, который в последние годы жизни посетил Англию и, вернувшись на материк, пропагандировал новый закон, произведший на него большое впечатление.
Он же поведал миру и о знаменитом яблоке, якобы упавшем на голову Ньютона и послужившим поводом к открытию (о яблоке ему рассказала любимая племянница Ньютона, в семье которой тот жил последние двадцать лет). В связи с этим злой Вольтер писал, что своей популярностью и карьере Ньютон обязан вовсе не научным трудам, а красоте племянницы.
Могила Ньютона в Вестминстерском аббатстве.
На посту президента Ньютон оставался до конца своих дней. В 1705 г. королева Англии Анна возвела Ньютона во дворянство, пожаловав звание лорда. Надпись на памятнике Ньютона, сделанная его современниками, как известно, гласит: «…сэр Исаак Ньютон, дворянин, наделенный почти божественным разумом…»
Гук был похоронен при церкви Святой Елены в Лондоне, однако в XIX веке его останки были таинственным образом перевезены куда-то на север столицы для перезахоронения, и след их пропал. Сегодня никто не знает, где покоится прах ученого.
Читайте дальше Пылинкою исчезнешь весь ты в Нем…Руми
Читайте дальше Притчи от Ходжи Насреддина
Читайте дальше Анна Ахматова . Судьба века
