Изменение давления воздух с высотой. Барометрическая формула. Давление

Необходимы дополнения...

Из курса физики хорошо известно, что с повышением высоты над уровнем моря атмосферное давление падает. Если до высоты 500 метров никаких значительных изменений этого показателя не наблюдается, то при достижении 5000 метров атмосферное давление уменьшается почти вдвое. С уменьшением атмосферного давления падает и парциальное давление кислорода в воздушной смеси, что моментально сказывается на работоспособности человеческого организма. Механизм этого воздействия объясняется тем, что насыщение крови кислородом и его доставка к тканям и органам осуществляется за счёт разности парциального давления в крови и альвеолах лёгких, а на высоте эта разница уменьшается.

До высоты в 3500 - 4000 метров организм сам компенсирует нехватку кислорода, поступающего в лёгкие, за счёт учащения дыхания и увеличения объёма вдыхаемого воздуха (глубина дыхания). Дальнейший набор высоты, для полной компенсации негативного воздействия, требует использования лекарственных средств и кислородного оборудования (кислородный баллон).

Кислород необходим всем органам и тканям человеческого тела при обмене веществ. Его расход прямо пропорционален активности организма. Нехватка кислорода в организме может привести к развитию горной болезни, которая в предельном случае - отёке мозга или лёгких - может привести к смерти. Горная болезнь проявляется в таких симптомах, как: головная боль, отдышка, учащённое дыхание, у некоторых болезненные ощущения в мышцах и суставах, снижается аппетит, беспокойный сон и т. д.

Переносимость высоты очень индивидуальный показатель, определяемый особенностями обменных процессов организма и тренированностью.

Большую роль в борьбе с негативным влиянием высоты играет акклиматизация , в процессе которой организм учится бороться с недостатком кислорода.

• Первой реакцией организма на понижение давления является учащение пульса, повышение кровяного давления и гипервентиляция лёгких, наступает расширение капилляров в тканях. В кровообращение включается резервная кровь из селезёнки и печени (7 - 14 дней).

• Вторая фаза акклиматизации заключается в повышение количества производимых костным мозгом эритроцитов практически вдвое (от 4,5 до 8,0 млн. эритроцитов в мм3 крови), что приводит к лучшей переносимости высоты.

Благотворное влияние на высоте оказывает употребление витаминов, особенно витамина С.

2. Рототаев П. С. Р79 Покоренные гиганты. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., “Мысль”, 1975. 283 с. с карт.; 16 л. ил.

Атмосферное давление - это сила давления воздуш- ного столба на единицу площади. Исчисляется оно в килограммах на 1 см 2 поверхности, но так как раньше оно измерялось только ртутными манометрами, то ус- ловно принято выражать эту величину в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Нормальным атмосферным давлением является 760 мм рт. ст., или 1,033 кг/см 2 , что принято считать за одну атмосферу (1 ата).

При выполнении отдельных видов работ иногда при- ходится работать при повышенном или пониженном ат- мосферном давлении, причем эти отклонения от нормы иногда бывают в значительных пределах (от 0,15- 0,2 ата до 5 - 6 ата и более).

Влияние пониженного атмосферного давления на организм

При подъеме на высоту атмосферное давление понижается: чем выше над уровнем моря, тем меньше атмосферное давление. Так, на высоте 1000 м над уровнем моря оно равно 734 мм рт. ст., 2000 м - 569 мм, 3000 м -526 мм, а на высоте 15000 м - 90 мм рт. ст.

При пониженном атмосферном давлении отмечается учащение и углубление дыхания, учащение сердечных сокращений (сила их более слабая), некоторое падение кровяного давления, наблюдаются также изменения в крови в виде увеличения количества красных кровяных телец.

В основе неблагоприятного влияния пониженного атмосферного давления на организм лежит кислородное голодание. Оно обусловлено тем, что с понижением атмосферного давления понижается и парциальное давление кислорода, поэтому при нормальном функционировании органов дыхания и кровообращения в организм поступает меньшее количество кислорода. В результате этого кровь недостаточно насыщается кислородом и не обеспечивает в полном объеме доставку его органам и тканям, что приводит к кислородному голоданию (аноксемии). Более тяжело протекают подобные изменения при быстром снижении атмосферного давления, что бывает при быстрых взлетах на большую высоту, при работе на скоростных подъемных механизмах (фуникулерах и т. п.). Быстро развивающееся кислородное голодание затрагивает клетки головного мозга, что вызывает головокружение, тошноту, иногда рвоту, расстройство координации движений, понижение памяти, сонливость; сокращение окислительных процессов в мышечных клетках ввиду недостатка кислорода выражается в мышечной слабости, быстрой усталости.

Практика показывает, что подъем на высоту более 4500 м, где атмосферное давление ниже 430 мм рт.ст., без подачи кислорода для дыхания переносится тяжело, а на высоте 8000 м (давление 277 мм рт. ст.) человек теряет сознание.

Кровь, как и любая другая жидкость, при контакте с газообразной средой (в данном случае в альвеолах легких) растворяет определенную часть газов, - чем выше парциальное давление их, тем большее насыщение крови этими газами. При снижении атмосферного давления изменяется парциальное давление составных частей воздуха и, в частности, основных его компонентов- азота (78%) и кислорода (21%); вследствие этого из крови начинают выделяться эти газы до уравнивания парциального давления. Во время быстрого снижения атмосферного давления выделение газов, особенно азота, из крови настолько велико, что они не успевают удаляться через органы дыхания и скапливаются в кровеносных сосудах в виде мелких пузырьков. Эти пузырьки газов могут растягивать ткани (вплоть до мелких надрывов), причиняя острую боль, а в некоторых случаях образовывать газовые тромбы в мелких сосудах, затрудняя кровообращение.

Описанный выше комплекс физиологических и патологических изменений, возникающих вследствие понижения атмосферного давления, получил название высотной болезни, так как эти изменения связаны обычно с подъемом на высоту.

Профилактика высотной болезни

Одним из широко распространенных и эффективных мероприятий по борьбе с высотной болезнью является подача кислорода для дыхания при подъеме на большую высоту (свыше 4500 м). Почти все современные самолеты, летающие на большой высоте, и тем более космические корабли, оборудованы герметичными кабинами, где независимо от высоты и атмосферного давления за бортом давление поддерживается постоянным на уровне, вполне обеспечивающем нормальное состояние летного состава и пассажиров. Это одно из радикальных решений данного вопроса.

При выполнении физических и напряженных умственных работ в условиях пониженного атмосферного давления необходимо учитывать относительно быстрое наступление усталости, поэтому следует предусматривать периодические перерывы, а в ряде случаев и сокращенный рабочий день.

Для работы в условиях пониженного атмосферного давления следует отбирать физически наиболее крепких лиц, абсолютно здоровых, преимущественно мужчин в возрасте 20 - 30 лет. При подборе летного состава требуется обязательная проверка на так называемые тесты высотной квалификации в специальных камерах с пониженным давлением.

Важную роль в профилактике высотной болезни играет тренировка и закаливание. Необходимо заниматься спортом, систематически выполнять ту или иную физическую работу. Питание работающих при пониженном атмосферном давлении должно быть высококалорийным, разнообразным и богатым витаминами и минеральными солями.

Полезная информация:

Под действием силы тяжести верхние слои воздуха в земной атмосфере давят на нижележащие слои. Это давление согласно закону Паскаля передается по всем направлениям. Наибольшее значение это давление, называемое атмосферным , имеет у поверхности Земли.

В ртутном барометре вес ртутного столбика, приходящийся на единицу площади (гидростатическое давление ртути), уравновешивается весом столба атмосферного воздуха, приходящегося на единицу площади – атмосферным давлением (см. рисунок).

С увеличение высоты над уровнем моря атмосферное давление уменьшается (см. график).

Архимедова сила для жидкостей и газов. Условия плавания тел

На тело, погруженное в жидкость или в газ, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх и равная весу жидкости (газа), взятому в объеме погруженного тела.

Формулировка Архимеда: тело теряет в жидкости в весе ровно столько, сколько весит вытесненная их жидкость.

Вытесняющая сила приложена в геометрическом центре тела (для однородных тел – в центре тяжести).

На тело, находящееся в жидкости или газе, в обычных земных условиях действуют две силы: силы тяжести и архимедова сила. Если сила тяжести по модулю больше архимедовой силы, то тело тонет.

Если модуль силы тяжести равен модулю архимедовой силы, то тело может находиться в равновесии на любой глубине.

Если архимедова сила по модулю больше силы тяжести, то тело всплывает. Всплывшее тело частично выступает над поверхностью жидкости; объем погруженной части тела таков, что вес вытесненной жидкости равен весу плавающего тела.

Архимедова сила больше силы тяжести, если плотность жидкости больше плотности погруженного тела, и наоборот.

В жидкости давление, как мы знаем, на разных уровнях разное и зависит оно от плотности жидкости и высоты ее столба. Вследствие малой сжимаемости плотность жидкости на различных глубинах почти одинакова, поэтому, вычисляя давление, мы считаем ее плотность постоянной и учитываем только изменение уровня.

Сложнее обстоит дело в газах. Газы сильно сжимаемы. А чем сильнее газ сжат, тем больше его плотность и тем большее давление он производит. Ведь давление газа создается ударами его молекул о поверхность тела.

Слои воздуха у поверхности Земли сжаты всеми слоями воздуха, находящимися над ними. Но чем выше от поверхности слой воздуха, тем слабее он сжат, тем меньше его плотность, а, следовательно, тем меньшее давление он производит. Если, например, воздушный шар поднимается над поверхностью Земли, то давление воздуха на шар становится меньше не только потому, что высота столба воздуха над ним уменьшается, но еще и потому, что уменьшается плотность воздуха-вверху она меньше, чем внизу. Поэтому зависимость давления воздуха от высоты сложнее; чем зависимость давления жидкости от высоты ее столба.

Наблюдения показывают, что атмосферное давление в местностях, лежащих на уровне моря, в среднем равно 760 мм рт. ст. Чем выше лежит место над уровнем моря, тем давление там меньше.

Атмосферное давление, равное давлению столба ртути высотой 760 мм рт. ст. при температуре 0° С, называют нормальным.

Нормальное атмосферное давление равно 101300 Па = 1013 гПа. На рисунке 124 показано изменение атмосферного давления с высотой . При небольших подъемах в среднем на каждые 12 м подъема давление уменьшается на 1 мм рт. ст. (или на 1,33 гПа).

Зная зависимость давления от высоты, можно по изменению показаний барометра определить высоту поднятия над уровнем моря. Анероиды, имеющие шкалу, по которой непосредственно можно отсчитать высоту поднятия, называют высотомерами. Их применяют в авиации и при подъемах на горы.

Вопросы. 1. Чем объяснить, что атмосферное давление уменьшается по мере увеличения высоты подъема над уровнем Земли? 2. Какое атмосферное давление называют нормальным? 3. Как называют прибор для измерения высоты по атмосферному давлению? Что он собой представляет?

Упражнения. 1. Объясните, почему при быстром спуске самолета пассажиры испытывают боль в ушах. 2. Чем объяснить, что при подъеме на самолете из заряженной автоматической ручки начинают выливаться чернила? 3. У подножия горы барометр показывает 760 мм рт. ст., а на вершине - 722 мм рт. ст. Какова высота горы? 4. Выразите нормальное атмосферное давление в гектопаскалях (гПа).

Указание. Давление измеряется по формуле p= pgh, где

g = 9,8 Н/кг, h = 760 мм = 0,76 м, р = 13 600 кг/м3.

5. При массе 60 кг и росте 1,6 м площадь поверхности тела человека равна примерно 1,6 м2. Рассчитайте силу, с которой атмосфера давит на человека. Чем можно объяснись, что человек выдерживает такую большую силу и не ощущает ее действия?

Задание. С помощью барометра-анероида измерьте атмосферное давление на первом и последнем этажах здания школы. Определите по полученным данным расстояние между этажами. Проверьте эти результаты непосредственным измерением.

Как изменяется объем воздуха при нагревании и охлаждении? Как доказать, что воздух имеет вес? Какой воздух, теплый или холодный, тяжелее?

1. Понятие об атмосферном давлении и его измерение. Воздух очень легкий, однако он оказывает значительное давление на земную поверхность. Вес воздуха создает атмосферное давление.

Воздух оказывает давление на все предметы. Чтобы убедиться в этом, проделайте следующий опыт. Налейте полный стакан воды и прикройте его листом бумаги. Прижмите ладонью бумагу к краям стакана и быстро переверните его. Уберите ладонь от листа, и вы увидите, что вода из ста­кана не выливается, потому что давление воздуха прижимает лист к кра­ям стакана и удерживает воду.

Атмосферное давление - сила, с которой воздух давит на зем­ную поверхность и на все находящиеся на ней предметы. На каж­дый квадратный сантиметр земной поверхно­сти воздух оказывает давление в 1,033 кило­грамма - т. е. 1,033 кг/см2.

Для измерения давления атмосферы используются приборы барометры. Различают ртутный барометр и металлический. Последний называется анероидом. В ртутном барометре (рис. 17) запаянная сверху стеклянная трубка с ртутью опускается открытым концом в чашу с ртутью, над поверхностью ртути в трубке - безвоздушное пространство. Изменение атмосферного давления на поверхности ртути в чаше заставляет ртутный столб подниматься или опускаться. Величина атмосферного давления определяется по высоте ртутного столба в трубке.

Основной частью барометра анероида (рис. 18) является металлическая коробочка, лишенная воздуха и очень чувствительная к изменению атмосферного давления. При уменьшении давления коробочка расширяется, при увеличении - сжимается. Изменения коробочки при помощи несложного приспособления передаются стрелке, которая и показывает на шкале атмосферное давление. Шкала делится по ртутному барометру.

Если представить столб воздуха от поверхности Земли до верхних слоев атмосферы, то вес такого воздушного столба будет равен весу столбика ртути высотой в 760 мм. Это давление названо нормальным атмосферным давлением. Таково давление воздуха на параллели 45° при температуре 0 °С на уров­не моря. Если высота столбика больше 760 мм, то давление повышен­ное, меньше - пониженное. Атмосферное давление измеряют в миллиметрах ртутного столба (мм рт.ст).

2. Изменение атмосферного давления. Атмосферное давление в связи с изменением температуры воздуха и его перемещением непрерывно изменяется. При нагревании воздуха его объем увеличивается, плотность и вес уменьшаются. Из-за этого понижается атмосферное давление. Чем воздух плотнее, тем он тяжелее, и давление атмосферы больше. В течение суток оно дважды увеличивается (утром и вечером) и дважды понижается (после полудня и после полуночи). Давление повышается там, где воздуха становится больше, и понижается там, откуда воздух уходит. Главная причина перемещения воздуха – его нагревание и охлаждение от земной поверхности. Особенно хорошо эти колебания выражены в низких широтах. (Какое атмосферное давление будет наблюдаться над сушей и над водной поверхностью ночью?) В течение года наибольшее давление в зимние месяцы, а наименьшее - летом. (Объясните такое распределение давления.) Наиболее резко эти изменения выражены в средних и высоких широтах и слабее всего в низких.

Атмосферное давление уменьшается с высотой. Почему это происходит? Изменение давления обусловлено уменьшением высоты столба воздуха, который давит на земную поверхность. Кроме того, по мере увеличения высоты, плотность воздуха понижается, давление падает. На высоте около 5 км атмосферное давление снижается наполовину по сравнению с нормальным давлением на уровне моря, на высоте 15 км - в 8 раз меньше, 20 км - в 18 раз.

Вблизи земной поверх­ности оно понижается приблизитель­но на 10 мм ртутного столба на 100 м подъема (рис. 19).

На высоте 3000 м человек начинает чувствовать себя плохо, у него появляют­ся признаки горной болезни: одышка, головокружение. Выше 4000 м может пой­ти кровь из носа, так как разрываются мелкие кровеносные сосуды, возможна по­теря сознания. Происходит это потому, что с высотой воздух становится разре­женным, уменьшаются как количество кислорода в нем, так и атмосферное давление. Организм человека к таким усло­виям не приспособлен.

На земной поверхности давление распределяется неравномерно. В области экватора воздух сильно нагревается (Почему?) , и в течение года атмосферное давление пониженное. В полярных областях воздух холодный и плотный, атмосферное давление повышенное. (Почему?)

? Проверь себя

Атмосферное давление считается нормальным в пределах показателей 750-760 мм рт.ст. (миллиметров ртутного столба). В течение года оно колеблется в пределах 30 мм рт. ст., а в течение дня - в пределах 1-3 мм рт. ст. Резкое изменение атмосферного давления часто вызывает ухудшение самочувствия у метеозависимых, а иногда и у здоровых людей.

Если погода меняется, плохо чувствуют себя и больные гипертонией. Рассмотрим, как влияет атмосферное давление на гипертоников и метеозависимых людей.

Метеозависимые и здоровые люди

Здоровые люди никак не ощущают какие-либо изменения погоды. У метеозависимых появляются такие симптомы:

• Головокружение;
• Сонливость;
• Апатия, вялость;
• Суставная боль;
• Тревога, страх;
• Нарушения функции ЖКТ;
• Колебания артериального давления.

Зачастую самочувствие ухудшается осенью, когда наблюдается обострение простудных, хронических болезней. При отсутствии каких-либо патологий метеочувствительность проявляется недомоганием.

В отличие от здоровых, метеозависимые люди реагируют не только на колебания атмосферного давления, но и на повышение влажности, внезапное похолодание или потепление. Причиной этому зачастую являются:

• Низкая физическая активность;
• Наличие болезней;
• Падение иммунитета;
• Ухудшение состояния ЦНС;
• Слабые кровеносные сосуды;
• Возраст;
• Экологическая обстановка;
• Климат.

В результате ухудшается способность организма быстро приспосабливаться к изменениям погодных условий.

Высокое атмосферное давление и гипертония

Если атмосферное давление повышенное (выше 760 мм рт. ст.), ветер и осадки отсутствуют, говорят о наступлении антициклона. В этот период нет резких перепадов температуры. В воздухе повышается количество вредных примесей.

Антициклон негативно действует на гипертоников . Увеличение атмосферного давления приводит к повышению АД. Снижается работоспособность, появляются пульсация и боли в голове, сердечные боли. Другие симптомы отрицательного влияния антициклона:

• Учащение сердцебиения;
• Слабость;
• Шум в ушах;
• Покраснения лица;
• Мелькание «мушек» перед глазами.

В крови снижается число лейкоцитов, что повышает риск развития инфекций.

Особенно подвержены воздействию антициклона пожилые люди с хроническими сердечно-сосудистыми болезнями . При повышении атмосферного давления увеличивается вероятность осложнения гипертонии - криза, особенно, если АД повышается до показателей 220/120 мм рт. ст. Возможно развитие прочих опасных осложнений (эмболия, тромбоз, кома).

Низкое атмосферное давление

Плохо влияет на больных гипертонией и пониженное атмосферное давление - циклон. Он характеризуется пасмурной погодой, осадками, повышенной влажностью. Давление воздуха падает ниже 750 мм рт. ст. Циклон оказывает следующее воздействие на организм: дыхание делается более частым, учащается пульс, однако, сила сердечных ударов сокращается. У некоторых людей появляется одышка.

При низком давлении воздуха падает и АД. С учётом того, что гипертоники принимают препараты для снижения давления, циклон плохо влияет на самочувствие. Появляются такие симптомы:

• Головокружение;
• Сонливость;
• Боль в голове;
• Упадок сил.

В некоторых случаях наблюдается ухудшение работы желудочно-кишечного тракта.

При повышении атмосферного давления больным гипертонией и метеозависимым людям следует избегать активных физических нагрузок. Надо больше отдыхать. Рекомендуется низкокалорийный рацион, содержащий повышенное количество фруктов.

Даже «запущенную» гипертонию можно вылечить дома, без операций и больниц. Просто не забывайте один раз в день…

Если антициклон сопровождается жарой, так же необходимо исключить физические нагрузки. Если есть возможность, надо находиться в помещении с кондиционером. Будет актуальной низкокалорийная диета. Увеличьте в рационе количество продуктов, богатых калием.