Площадь поверхности грудной клетки у человека 600 $см^{2}$. Найдите силу давления на грудную клетку, когда аквалангист стоит на берегу моря и когда он погрузился под воду на глубину 20 м. Атмосферное давление считать нормальным.
Дано:
$p_{1}= 100000$ Па;
S = 600 $см^{2}$;
h = 20 м;
$ρ_{в} = 1030 кг/м^{3}$;
Найти:
$F_{1}$ − ?
$F_{2}$ − ?
СИ:
S = 0,06 $м^{2}$.
Решение:
Найдем силу давления на грудную клетку на суше:
$p_{1}=\frac{F}{S}$;
$F_{1} = p_{1}S$;
$F_{1} = 100000 * 0,06 = 6000$ Н = 6 кН.
Найдем силу давления в воде:
$F_{2} = p_{2}S$;
$p_{2} = p + gρh$;
g ≈10 Н/кг;
$p_{2} = 100000 + 10 * 1030 * 20 = 306000$ Па;
$F_{2} = 306000 * 0,06 =18300$ Н = 18,3 кН.
Ответ: 6 кН; 18,3 кН.
Для решения задачи необходимо учитывать физические законы, связанные с давлением в жидкости и в атмосфере, а также сформулировать зависимость давления от глубины. Опишем теоретическую основу, которая поможет вам разобраться с задачей.
Давление и его определение
Давление ($P$) — это физическая величина, численно равная силе ($F$), действующей перпендикулярно на единицу площади ($S$). Математически это выражается формулой:
$$
P = \frac{F}{S}
$$
Отсюда можно выразить силу действия давления на поверхность:
$$
F = P \cdot S
$$
Атмосферное давление
Атмосферное давление ($P_{\text{атм}}$) создаётся массой столба воздуха, окружающего Землю. При нормальных условиях его значение составляет:
$$
P_{\text{атм}} = 101325 \, \text{Па} \quad (\text{1 атмосфера}).
$$
Атмосферное давление действует на все поверхности человека при нахождении на уровне моря.
Давление внутри жидкости
Когда тело погружается в жидкость, на него дополнительно начинает действовать давление жидкости ($P_{\text{ж}}$), которое зависит от глубины. Давление в жидкости определяется по формуле:
$$
P_{\text{ж}} = \rho \cdot g \cdot h,
$$
где:
— $\rho$ — плотность жидкости (для воды $\rho = 1000 \, \text{кг/м}^3$),
— $g$ — ускорение свободного падения ($g \approx 9.8 \, \text{м/с}^2$),
— $h$ — глубина погружения в жидкость ($20 \, \text{м}$ в данной задаче).
Общее давление на тело в жидкости
На тело, находящееся под водой, действует суммарное давление, которое складывается из атмосферного давления на поверхности и давления воды на заданной глубине. Таким образом:
$$
P_{\text{общ}} = P_{\text{атм}} + P_{\text{ж}}.
$$
Определение силы давления
Зная общее давление и площадь поверхности, на которую оно действует, можно найти силу давления по формуле:
$$
F = P_{\text{общ}} \cdot S.
$$
Единицы измерения
— Давление измеряется в Паскалях ($\text{Па} = \text{Н/м}^2$).
— Площадь должна быть выражена в квадратных метрах ($\text{м}^2$). Для перевода значения из $\text{см}^2$ в $\text{м}^2$ нужно разделить на $10000$:
$$
600 \, \text{см}^2 = 0.06 \, \text{м}^2.
$$
Порядок действий для решения задачи
— Сначала определите давление на грудную клетку на берегу моря (только $P_{\text{атм}}$).
— Затем вычислите давление на глубине 20 м, сложив $P_{\text{атм}}$ и $P_{\text{ж}}$.
— После этого найдите силу давления в обоих случаях, используя площадь грудной клетки.
Пожауйста, оцените решение