Атмосферное давление и его роль в жизнедеятельности животных и человека

Общеизвестно, что атмосферное давление играет фундаментальную роль в функционировании живых организмов. При расширении легких в них поступает свежий воздух благодаря разности давлений, и это же давление преодолевается при форсированном выдохе. При восхождении на высокогорье или подъеме на воздушном шаре может наблюдаться разрыв наиболее уязвимых кровеносных сосудов, например легочных капилляров, которые не выдерживают внутреннего давления крови вследствие существенного отклонения внешнего давления от нормальных физиологических параметров, к которым адаптирована сосудистая стенка.

Известно также, что глубоководные рыбы, обладающие плавательным пузырем, например ряпушка ( Coregonus hiemalis ), обитающая на значительных глубинах, при поднятии на поверхность часто оказываются в сетях с разорванным плавательным пузырем и вздутым брюхом. Поскольку эти рыбы живут на глубине около 80 метров, где давление достигает приблизительно 7,5 атмосфер, газ в их плавательном пузыре адаптирован к столь высокому давлению и находится в сильно сжатом состоянии. При извлечении рыбы внешнее давление постепенно снижается до одной атмосферы, в результате чего сжатый газ в пузыре начинает расширяться, оказывая критическое давление на стенки органа, что приводит к его разрыву.

Важное проявление атмосферного давления наблюдается в анатомических адаптациях, обеспечивающих устойчивость и прочность соединений в организме млекопитающих. Для понимания этого феномена необходимо обратиться к фундаментальным физическим концепциям, касающимся взаимодействия частиц вещества.

Для разрушения или деформации твердого тела требуется приложение определенной силы, величина которой варьирует в зависимости от природы материала. Данное обстоятельство обусловлено тем, что мельчайшие структурные единицы — молекулы — связаны между собой силами взаимного притяжения, которые в физике принято обозначать как силы сцепления (когезии). В жидкостях когезия выражена слабее, чем в твердых телах, что объясняет относительную легкость разделения жидкой среды на отдельные объемы. В газообразных веществах силы сцепления непосредственно не проявляются, поскольку молекулы демонстрируют тенденцию к максимальному удалению друг от друга, что обуславливает способность газов к неограниченному расширению.

При наложении двух тщательно отшлифованных стеклянных пластин друг на друга их разъединение сопряжено с определенным усилием. Аналогичным образом, посредством интенсивного сдавливания можно соединить две свинцовые пластины настолько прочно, что они будут функционировать как единое целое. Данный феномен соединения частиц изначально разделенных тел также квалифицируется как сцепление. Следует отметить, что силы сцепления действуют не только в гомогенной среде, но и на границе раздела твердых и жидких фаз. Адгезия капли воды к стеклянной поверхности, склеивание двух обычных оконных стекол посредством тонкой водной прослойки, а также разнообразные случаи прилипания и склеивания служат наглядной иллюстрацией этого физического принципа.

Весьма показательным экспериментом, демонстрирующим природу сил сцепления и адгезии, является следующий: на чашу весов (рис. 60) горизонтально подвешивают тщательно очищенную стеклянную пластину и добиваются состояния равновесия. Затем в сосуд, расположенный непосредственно под пластиной, осторожно наливают воду до момента контакта ее поверхности с пластиной. Для отрыва пластины площадью 20 квадратных сантиметров от водной поверхности требуется дополнительный груз массой около 10 граммов.

Рис. 60. Схема экспериментальной установки для демонстрации сил сцепления между стеклянной пластиной и водой (иллюстрация из первоисточника)

На первый взгляд, данный эксперимент позволяет количественно оценить сцепление между стеклом и водой. Однако детальный анализ нижней поверхности пластины при условии ее надлежащей очистки обнаруживает, что на ней остается тонкий слой воды. Следовательно, груз в 10 граммов преодолевает не адгезию между стеклом и водой, а именно силы сцепления внутри самого водного слоя. Данная экспериментальная модель допускает модификацию, расширяющую понимание рассматриваемых явлений.

Если заменить водную поверхность на хорошо отшлифованную плоскую стеклянную пластину и максимально приблизить ее к подвешенной пластине, избегая непосредственного контакта, при обязательном отсутствии конвекционных воздушных потоков, наблюдается иной эффект. При помещении небольшого дополнительного груза на чашу весов верхняя пластина некоторое время сохраняет неизменное расстояние до нижней. Более прецизионные методы регистрации, однако, показывают, что перемещение пластины вверх лишь существенно замедлено, но инициируется немедленно после приложения нагрузки. Данное замедление становится особенно выраженным при погружении обеих пластин в водную среду.

При использовании пластин площадью около 200 квадратных сантиметров с межпластинным зазором 0,1 миллиметра даже дополнительный груз в 1 грамм удваивает величину промежутка лишь приблизительно через 7 минут. Физическое объяснение этого замедления заключается в необходимости заполнения возрастающего межпластинного пространства водой для преодоления гидростатического и атмосферного давления. Возрастающее трение между пластинами и жидкостью в условиях минимального зазора существенно замедляет этот процесс, вследствие чего давление воды и воздуха временно удерживает верхнюю пластину в исходном положении. Аналогичная интерпретация применима и к эксперименту в воздушной среде, однако значительно меньшее трение воздуха нивелирует выраженность феномена.

Поскольку в случае отсутствия непосредственного контакта пластин не может быть речи о молекулярном притяжении, данный эксперимент служит доказательством того, что в феномене прилипания объектов участвует не только силы сцепления, но и атмосферное давление. При наличии воздушной прослойки между пластинами давление воздуха оказывает лишь замедляющий эффект. В ситуациях, когда пластины расположены столь близко, что воздух между отсутствует (что достигается, например, смачиванием), для их разделения, помимо преодоления сил сцепления, необходимо противодействовать полному атмосферному давлению. Следует учитывать, что воздух оказывает давление на каждый квадратный сантиметр поверхности с силой, незначительно превышающей один килограмм. При достаточной площади контакта эта сила становится непреодолимой для мускульной силы человека.

Аналогичный принцип реализован в организации суставных соединений позвоночных. В суставах, например плечевом или тазобедренном, сочленяющиеся поверхности, часто имеющие шарообразную конфигурацию (рис. 61), покрыты синовиальной жидкостью и плотно прилегают друг к другу. Сустав герметизирован соединительнотканной капсулой — суставной сумкой, напоминающей эластичную манжету, которая по периферии переходит в надкостницу, покрывающую костную ткань.

Рис. 61. Строение плечевого сустава, демонстрирующее плотное прилегание суставных поверхностей (иллюстрация из первоисточника)

Логично предположить, что связочный аппарат и мускулатура, окружающие сустав, а также суставная капсула и покровные ткани удерживают костные структуры в сочленении. Однако экспериментальные данные убедительно свидетельствуют о первостепенной роли атмосферного давления в этом механизме. В опытах на трупах животных было продемонстрировано, что даже после рассечения всех мягких тканей, окружающих сустав, кости сохраняют свое сочленение. Только после перфорации суставной капсулы, обеспечивающей доступ воздуха между суставными поверхностями, дистальный отдел конечности немедленно отделяется под действием силы тяжести. Таким образом, значительная доля усилия, обеспечивающего конгруэнтность суставных поверхностей, действительно приходится на атмосферное давление.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.