Человек на воде

Человек на воде

Большинство, очевидно, умеет плавать. Перемещение в воде можно рассматривать как своего рода эксперимент, так что представляет интерес теоретически разобрать три вопроса.

Первый: легко ли держаться на воде? или, конкретнее: какую наименьшую мощность должен развить человек, чтобы не утонуть в спокойной воде?

Сначала возьмём из справочников значения необходимых величин: плотность человека 1030 кг/м 3 1050 кг/м 3 ; плотность морской воды при 20 °С 1010 кг/м 3 1050 кг/м 3 ; плотность водопроводной воды при 20 °С = 998,2 кг/м 3 . Полагаем, что человек достаточно строен и имеет массу m = 75 кг при росте H = 1,75 м.

Ясно, что расчёт будет носить оценочный характер ввиду наличия ряда факторов, которые невозможно точно учесть: техника, скорость, амплитуда движений пловца, геометрическая форма его тела, объём лёгких и степень заполнения их воздухом, объём части головы, находящейся над водой. Кроме того, более детальные вычисления были бы неимоверно сложны, если вообще возможны.

Итак, пусть человек, лёжа в воде на спине (а так легче всего), немного двигает ногами и руками, не погружаясь на дно. При этом он очень медленно плывёт, допустим, со скоростью 0,1 м/с. Как увидим ниже, энергозатратами на такое «плавание» можно пренебречь по сравнению с работой, совершаемой для удержания на воде. Считаем пловца в первом приближении прямоугольным параллелепипедом высотой H, шириной 2a и толщиной a. Записав объём человека двояко (V = и V = 2a 2 H), легко получить, что площадь его большей грани S = .

Если пловец перестанет «шевелиться», он начнёт погружаться в воду. Так как плотность человека лишь немного больше плотности воды, то считаем скорость погружения постоянной, ибо она установится очень быстро. За весьма малое время t пловец опустится на расстояние h = t. Чтобы компенсировать это погружение, он должен за время t на пути h совершить работу A = Vg( )h против равнодействующей силы тяжести и архимедовой силы Vg( ). Развиваемая при этом мощность

(1)

В формуле (1) неизвестна только скорость погружения , которую найдём из очевидного условия равномерного погружения: mg = FА + Fс. Здесь FА = Vg – архимедова сила, Fс – сила сопротивления воды, которая записывается так:

(2)

где S – площадь лобового сечения тела, C – безразмерный коэффициент, зависящий от его геометрической формы. Для диска, например, C = 1,1, поэтому разумно положить для человека C = 1.

К формуле (2) легко прийти из соображений размерности. Существует лишь единственная комбинация из величин , S, (от которых заведомо зависит сила сопротивления): S 2 , имеющая размерность силы. Итак, имеем уравнение:

(3)

Из формул (1) и (3) после технических упрощений получаем интересующий нас результат:

(4)

Мощность в формуле (4) выражена через естественные характеристики человека: массу и рост, а также через его плотность и плотность воды. Она применима только при , ну а при 3 – захочешь, да не утонешь. Естественно, что при = получаем N = 0. В состоянии невесомости N = 0 при любых плотностях и . Для различных комбинаций и результаты вычислений сведены в табл. 1.

Интересно, что даст формула (4) для воздуха ( = 1,29 кг/м 3 )? Получается мощность, совершенно недоступная человеку: N = 35 кВт = 47,6 л.с.

Таблица 1. Мощность (Вт), которую нужно развить человеку плотностью , чтобы не утонуть в воде плотностью

Теория согласуется с опытом на качественном уровне, хотя формула (4) и неприменима для воздуха.

Второй вопрос: легко ли плыть, преодолевая сопротивление воды? Другими словами, какую мощность N1 должен развить человек, чтобы плыть со скоростью 1?

Ясно, что искомая мощность N1 = N + Fc1, или, применяя формулу (2), N1 = N + S1. Площадь лобового сечения, перпендикулярного скорости, горизонтально плывущего тела, S1 = , поэтому N1 = N + . Понятно, что в данном случае, учитывая оценочный характер расчёта, разумно положить = 1. Окончательно имеем

Читайте также:  Лекарства которые вызывают отвращение к алкоголю

N1 = N + . (5)

Легко подсчитать, что N при 1 = 0,1 м/с, так что при выводе формулы (4) мы правильно пренебрегли мощностью, которая затрачивается на столь медленное плавание.

На основании формулы (5), в которой считаем N = 13,84 Вт, составлена табл. 2 для заплыва мужчин на 100 м вольным стилем. Из неё видим, как резко увеличивается мощность со скоростью.

Третий вопрос: при какой глубине водоёма человеку безопасно прыгать в воду? Пусть рост человека H, а высота берега l.

Отметим, что высота l даже в спортивных прыжках не превосходит 10 м, так что учитывать сопротивление воздуха нет необходимости. Также пренебрегаем незначительной горизонтальной составляющей скорости прыгуна по сравнению с вертикальной составляющей при вхождении в воду. Ввиду того, что плотность человека незначительно превышает плотность воды, не учитываем уменьшение потенциальной энергии системы вода–человек в процессе погружения человека на дно и считаем, что потенциальная энергия человека mgl полностью расходуется на работу против силы сопротивления воды. При этом скорость человека у дна обратится в нуль или станет безопасно малой. Пусть прыгун входит в воду вертикально, тогда сила сопротивления воды будет наименьшей, а риск удариться о дно – наибольшим.

Таблица 2. Мощность, которую требуется развить спортсмену для того, чтобы плыть с указанной скоростью

Квадрат скорости вхождения в воду растёт прямо пропорционально высоте l, ибо = 2gl. Точно так же увеличится и мгновенная сила сопротивления воды, тоже пропорциональная квадрату мгновенной скорости тела, на всём его пути в воде. Поэтому в первом приближении считаем, что глубина водоёма h от высоты l не зависит. Разумно предположить, что h прямо пропорциональна росту человека и обратно пропорциональна безразмерному коэффициенту из формулы (2). Ведь чем лучше обтекается тело, тем медленнее гасится его скорость, и у людей с разной фигурой этот коэффициент неодинаков. Таким образом, основываясь на соображениях размерности, получим

.

Полагая опять C = 1, получим окончательно h

3,5 м. (В расчётах не учитывается вязкость воды, ибо даже при скорости пловца 0,1 м/с число Рейнольдса

Интересно, что в бассейнах для спортивных соревнований самые глубокие прыжковые ямы – восьмиметровые, а наибольшая глубина в обычном бассейне – 4 м. Это хорошо согласуется с нашей грубой оценкой. Ясно также, что столь глубокие ямы предназначены для прыжков с достаточно большой высоты, т.к. h всё же зависит от l.

Ребята, мы вкладываем душу в AdMe.ru. Cпасибо за то,
что открываете эту красоту. Спасибо за вдохновение и мурашки.
Присоединяйтесь к нам в Facebook и ВКонтакте

Чаще всего в кино тонущие герои кричат и машут руками над головой. Этот неверный стереотип поведения человека в беде знаком большинству зрителей, поэтому в реальности мы не всегда можем заметить, что кому-то действительно нужна помощь. Так, зачастую родители думают, что их ребенок просто играет, подпрыгивая в воде, в то время как он начинает тонуть в нескольких метрах от них.

AdMe.ru решил всесторонне подготовиться к отпуску и изучил данные о том, как на самом деле выглядит человек, нуждающийся в помощи спасателя. Мы хотим поделиться с вами этой информацией, ведь она может помочь спасти чью-то жизнь. А в качестве предостерегающего бонуса вас ждет наглядный пример того, как незаметно для окружающих может начать тонуть ребенок.

Признаки, которые позволяют определить, что человек тонет

Человек пытается удержаться вертикально. Его ноги почти неподвижны, а руки расположены по бокам горизонтально.

  1. Рот находится на линии воды. Время от времени человек появляется над поверхностью, чтобы вдохнуть, и опять скрывается.
  2. Дыхание поверхностное и прерывистое. Человек пытается захватить воздух ртом и при этом не наглотаться воды.
  3. Движения не скоординированы: человек пытается плыть, но не двигается с места; пытается перевернуться на спину — тоже безуспешно; движения напоминают попытки ухватиться за воду, оттолкнуться от нее вверх.
  4. Глаза закрыты, или человек смотрит в одну точку пустым, «стеклянным» взглядом.
  5. Он не отвечает на вопросы: в те короткие мгновения, когда его голова оказывается над водой, человек успевает только выдохнуть и снова набрать воздух. Оцепенение и страх приводят к тому, что он тонет, не имея возможности привлечь к себе внимание.
Читайте также:  Убрать спайки в маточных трубах

Все это принято называть инстинктивной реакцией утопающего. А крики о помощи и брызги — это проявления паники, иногда предшествующей такой реакции, но чаще не связанной с серьезной опасностью.

Архимедова сила и человек на воде Автор: Карпова Елена Валерьевна МОУ Гимназия №1 10 «Т» класс Научный руководитель: Пшеницына Ирина Николаевна Учитель физики высшей категории

Основной вопрос:Почему человек плавает?

Цель: изучить условия и особенности плавания тел, какую наименьшую мощность должен развить человек, чтобы не утонуть в спокойной воде

Задачи: 1. подобрать и изучить литературу по теме2. вспомнить историю открытия закона Архимеда3. вывести условие плавания тел4. выявить зависимость между плаванием и состоянием здоровья5. рассчитать архимедову силу, действующую на человека в ванной6. вычислить наименьшую мощность, которую должен развить человек, чтобы не утонуть в спокойной воде7. выявить процент учащихся по школе, не умеющих плавать

Предмет исследования: физикаОбъект исследования: закон Архимеда, вода, тело человека.Методы исследования: 1) Теоретический. 2) Прогнозирование. 3) Экспериментальный.

Гипотеза: на человека в воде действует сила тяжести и архимедова сила, и от их соотношения зависит плавучесть тела, при условии: если незначительно шевелить руками и ногами, при полном погружении в воду, то можно не утонуть, а научиться плавать.

Актуальность Человек должен управлять своим телом на воде в любой ситуации, чтобы не погибнуть. От того, как он будет управлять своим телом, зависит его жизнь.

Архимед Греческий математик и изобретатель. Архимед открыл закон о выталкивающей силе.

Закон Архимеда на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу того количества жидкости или газа, которое вытеснено погруженной частью тела.

Условия плавания тел I. F т > FA — тело тонет; II. F т = FA — тело плавает в жидкости; III. F т № слайда 11

Плавание Плавание – это умение человека управлять своим телом на воде. Здоровый образ жизни – система привычек и поведения человека, направленная на обеспечение определенного уровня здоровья. Занятия плаванием дают разнообразный положительный эффект воздействия на организм человека. Они полезны при сутулости, заболеваниях позвоночника. Занятия плаванием способствует развитию мышц, укреплению внутренних органов. Кроме того, разница температур воздуха и воды дает хороший закаливающий эффект.

I микроисследованиеКаковы условия плавания тел? Вывод: тело будет плавать, если у него объем больше и плотность жидкости больше; тело тонет, если у него объем меньше и плотность жидкости тоже меньше. Следовательно, плавание тел зависит от двух условий: плотности жидкости и объема тела

II микроисследованиеКаково влияние дыхания человека на величину силы Архимеда? Я погрузилась в ванную, уперлась затылком в борт ванну, пятками – в дно. Я заметила, что при выдохе тело погружается в воду, а при глубоком вдохе всплывает. Следовательно, при вдохе сила Архимеда увеличивается и почти полностью компенсирует действие силы тяжести. Вывод: дыхание человека влияет на силу Архимеда. Чем глубже вдох, тем больше становится сила Архимеда. И наоборот: чем больше выдох, тем меньше сила Архимеда.

Читайте также:  Как выглядят лямблии в кале

III микроисследованиеОтчего зависит плавучесть тела человека? Вы удерживаете в воде груз массой 50 кг, прикладывая ту же силу, с которой удерживаете в воздухе 2 кг

Если вы начали барахтаться и пытаетесь выскакивать из воды, архимедова сила уменьшается, и вы погружаетесь.

Вывод: плавучесть тела зависит от соотношения силы тяжести и силы Архимеда. Если вы решили научиться плавать, необходимо это учитывать. Каждый из не умеющих плавать, способен держаться на воде, если при этом он будет немного шевелить руками или ногами. Но только при условии, что все тело полностью погружено в воду. При обучении плаванию необходимо использовать знания об архимедовой силе:А) Вытянитесь вдоль поверхности воды и полежите в этом положении.Б) Сгруппируйтесь, опустившись на дно, — и вы обязательно всплывете.

IV микроисследованиеКакую мощность должен развить человек, чтобы не утонуть в воде?

Мощность (Вт), которую нужно развить человеку плотностью ρ, чтобы не утонуть в воде с плотностью ρ0.

Интересно, что дает формула мощности для воздуха. Получается мощность совершенно недоступная человеку: N = 30 кВт = 42,5 л.с. Вывод: для того чтобы человек не утонул в воде, ему необходимо при помощи усилий рук и ног развить небольшую мощность, чтобы скомпенсировать силу тяжести в полном объеме. Эта мощность вполне доступна для человека, поэтому, каждый из не умеющих плавать, может этому научиться. В этом и будет умение управлять своим телом.

Частное микроисследование Мы провели опрос по школе с 1 по 11 класс, чтобы выяснить, какое количество учащихся не умеет плавать.Младшее звено

Вывод: в результате исследования, выяснилось, что вероятность трагических исходов на воде очень велика, особенно в младших классах. 60%-й состав учащихся, умеющих плавать, не велик. Учиться плаванием необходимо с ранних лет под руководством и контролем взрослых. Если бы в нашем городе был бассейн, то эта работа проводилась бы централизованно.

Заключение: Вспомнив закон Архимеда, рассмотрев условия и особенности плавания тел, определив экспериментально степень влияния вдоха и выдоха на величину силы Архимеда, рассчитав наименьшую мощность, которую развивает пловец в спокойной воде, выяснив, какое количество учащихся школы не умеет плавать, мы пришли к выводу, что если использовать рекомендации по правильному поведению в воде, то можно не утонуть, а хорошо научиться плавать.

Меры предосторожности при занятиях плаванием Для того чтобы занятия плаванием приносили пользу, необходимо соблюдать следующие меры предосторожности:1. Заниматься плаванием могут только здоровые люди. 2. Заниматься плаванием только в специально отведенных местах. 3. Не оставляйте детей без присмотра на берегу, даже если они умеют не плохо плавать.4. Все упражнения в воде выполняйте на мелком месте (на глубине по пояс) и всегда вдоль берега или по направлению к нему. 5. Нельзя приступать к занятиям плаванием сразу после приема пищи. 6. Запрещается купаться при плохом самочувствии, повышенной температуре, простудных и острых желудочных заболеваниях.7. Начинать занятия плаванием лучше всего в 10-11 ч утра и заканчивать их до 13 ч. В жаркую погоду заниматься в воде можно 2 раза в день (во второй половине дня – с 16 до 18 ч).8. Начинать первые занятия плаванием на открытых водоемах можно при температуре воды 18-20º (для детей – 20-21º) и температуре воздуха 20-25º. Чем прохладнее вода в водоеме, тем энергичнее должны быть движения в воде, тем меньше должно быть в занятиях остановок, пауз и статических упражнений.

Ссылка на основную публикацию
Хламидия пневмония симптомы лечение
Хламидийная пневмония – одна из форм воспаления легких, имеющая неспецифичные симптомы и клиническое течение, и способная вызвать серьезные осложнения. Заболевание...
Упражнения для укрепления коленных связок
Соавтором этой статьи является Michele Dolan. Мишель Долан — персональный тренер, сертифицированный BCRPA, из Британской Колумбии. Работает персональным тренером и...
Упражнения для укрепления сосудов
Голова частенько болит, и люди привыкли уже глушить боль разными спазмолитиками, не задумываясь о причинах. Заниматься серьезным лечением у врача...
Хирургическое лечение паховой грыжи
⭐️Сколько длится операция паховой грыжи у мужчин. ⭐️Сколько стоит лечение? Каковы последствия удаления грыжи? Реабилитация и восстановление. Диета и питание...
Adblock detector