Как объяснить то, что водолазы могут ВЫДЫХАТЬ воздух глубоко под водой при высоком давлении последней?
Возьмём бассейн кубической формы объёмом, допустим, 15м³, полностью заполненный водой. Опустим человека, имеющего всё необходимое для подводных погружений, на глубину 10м. 10м водяного столба по давлению равны 1 атмосфере.
Получается, что выдыхать воздух нужно будет с усилием вдвое большим, чем на поверхности, так?
А на глубине в 50 метров, в 5 раз сильнее, чем на поверхности?
Относительно колоссального объёма и веса воды над человеком, это кажется сравнительно небольшим коэффициентом.
Зависит ли это от площади выпускаемого водолазом воздуха? Ведь относительно объёма бассейна, выпускаемый водолазом воздух имеет ничтожную площадь.
Поясню. Гидростатическое давление измеряется в килограммах на квадратный сантиметр. Чтобы, условно говоря, выпустить под водой из легких 1 кубический сантиметр воздуха, мы затратим 2х энергии, где х - работа по перемещению того же объёма воздуха на суше. Так вот, справедливо ли то же, для любых объёмов выпуска воздуха? Точнее, для любых площадей?
Допустим, водолаз у нас очень огромный, у него очень большие легкие и рот. Да так, что за один выдох он выпускает из легких уже не 1 кубический сантиметр, как выше, а скажем, треть всего нашего 15м³ бассейна. Справедливо ли утверждать, что соотношение останется прежним, при неизменности всех прочих переменных? То есть, работа, использованная на перемещение воздуха объёмом примерно треть бассейна будет в два раза выше, чем на суше?
Вроде бы всё просто, но кое-что меня смущает. Покажу свой ход мыслей и попрошу знающих людей поправить меня. На суше давление в целом уравновешенно между легкими и внешней средой. По сути, ничего не препятствует, работа уходит только на перемещение воздушных масс. Под водой же, грубо говоря, я вижу два способа. Это либо просто "раскрыть рот" и чтобы воздух сам вышел, тогда работу совершать не надо, но при таком способе в рот набежит вода, не так ли? И второй способ, когда мы создаём давление во столько раз большее, во сколько раз больше давление внешней среды, относительно суши.
Вот тут моя мысль и встаёт. Мысленный эксперимент кажется предельно простым. Но не укладывается в голову, что 10 кубов воды над головой позволят выталкивать воздух из легких всего лишь с 200% затратами от обычных. Ведь это колоссальное давление. Сначала я объяснял это малой площадью водолаза. Но исходя из размышлений выше, приходим к выводу, что коэффициент давления с увеличением площади "рта" изменяется линейно!
Прав ли я во всех размышлениях выше?
Хм. Действительно. А если поставить вопрос так. Допустим, что легкие водолаза и шланг протянутый с суши (вместо скафандра и баллона с газом) являются сообщающимися сосудами. В таком случае, чтобы сохранять в легких постоянный объём воздуха, то на вытеснение как раз уйдёт 200% от обычной работы, как я писал выше, да? Этакий компрессор для аквариума. То есть, не допускаем ситуации, что легкие сжимаются и воздух выходит за счёт этого. Легкие из стали, допустим. То есть, интересно посчитать энергию "вталкивания" воздушного пузыря в воду и сколько энергии на это уходит, не получается ли что нужно "сдвинуть" целый пласт воды в 10 метров над собой?
Нет. Воздух в легких человек будет сжат и давление в легких будет такое же, как в окружающей воде. Поэтому никаких дополнительных усилий не понадобится.
Все проще, в скафандре водолаза воздух находиться под чуть под избыточным давлением относительно глубины, есть клапана (открывает сам вололаз затылком, спуская излишки воздуха, что бы стравливать излишнее давление (иначе он просто всплывет в надутом скафандре). При возвращение на поверхность подъем осуществляется с учетом декомпрессии организма. Правда есть жесткие костюмы где давление равно атмосферному, но они сложны и их считают штуками.
Ты не забывай что вода давит не только на ротовую область, но и на всё тело, с одинаковым давлением. В том числе и на грудную клетку.
Так что с выдыханием проблем вообще никаких.
А вот с вдыханием да, вот тут сложность. Площадь грудной клетки большая, и расширить её на глубине не так то просто. По этой причине, нельзя погрузится на большую глубину вдыхая воздух через шланг, с поверхности, не используя при этом компрессор для создания избыточного давления.
...точно=дуально...
Вот ты нырнул, объём воздуха в лёгких и ротовой полости 1 куб. м., открыл рот, и этот воздух сжался, объём уменьшился, давление уровновесилось.