В сосуды разной формы
В этом состоянии сохраняется объем, но не сохраняется форма. Например, если перелить молоко из кувшина в стакан – молоко, имевшее форму кувшина, примет форму стакана. Кстати, в корове у молока тоже была другая форма.
Расстояние между молекулами в жидком состоянии чуть больше, чем в твердом, но все равно невелико. При этом частицы не собраны в кристаллическую решетку, а расположены хаотично. Молекулы почти не двигаются, но при нагревании жидкости делают это более охотно.
Вспомните, что происходит, если залить чайный пакетик холодной водой – он почти не заваривается. А вот если налить кипяточку – чай точно будет готов.
Агрегатных состояния точно три?
На самом деле, есть еще четвертое – плазма. Звучит, как что-то из научной фантастики, но это просто ионизированный газ – газ, в котором помимо нейтральных частиц, есть еще и заряженные. Ионизаторы воздуха как раз строятся на принципе перехода из газообразного вещества в плазму.
Сообщающиеся сосуды
Поскольку жидкость принимает форму сосуда, в который ее поместили, имеет место быть такое явление, как сообщающиеся сосуды.
- Сообщающиеся сосуды – это сосуды, соединенные между собой ниже уровня жидкости (в каждом сосуде). Так жидкость может перемещаться из одного сосуда в другой.
Какую бы форму не имели такие сосуды, на поверхности однородных жидкостей в состоянии покоя на одном уровне действует одинаковое давление.
Если в колена сообщающихся сосудов налить жидкости, плотности которых будут различны, то меньший объём более плотной жидкости в одном колене уравновесит больший объём менее плотной жидкости в другом колене сосуда.
Другими словами, высота столба жидкости с меньшей плотностью больше, чем высота столба жидкости с большей плотностью. Давайте рассчитаем, во сколько высота столба жидкости с меньшей плотностью больше высоты столба жидкости с большей плотностью, если эти две несмешивающиеся жидкости находятся в сообщающихся сосудах.
p = ρgh, p1 = p2, ρ1 gh1= ρ2 gh2,
Отсюда:
h1/h2 = ρ1/ρ2
ρ2 = (h1/h2) * ρ1
Применение сообщающихся сосудов
На принципе сообщающихся сосудов основано устройство очень простого прибора для определения плотности жидкости. Этот прибор состоит из двух сообщающихся сосудов: двух вертикальных стеклянных трубок, соединенных между собой третьей изогнутой трубкой.
Одна из вертикальных трубок заполняется жидкостью, плотность которой нужно определить, а другая – жидкостью известной плотности (например, водой, плотность которой равна 1000 кг/м^3). Жидкости должны заполнить трубки настолько, чтобы их уровень в изогнутой трубке посередине был на отметке прибора 0. Высоты жидкостей в трубках над этой отметкой измеряют и находят плотность исследуемой жидкости, зная, что высоты обратно пропорциональны плотностям (об этом мы говорили выше).
Также на законе сообщающихся сосудах основаны устройства, которые определяют уровень жидкости в закрытых сосудах: резервуарах, паровых котлах.
Чтобы судно могло переплыть из одной водного бассейна в другой, если уровни воды в них разные, необходимо использовать шлюз. Устройство шлюза также основано на принципе сообщающихся сосудов. В первых воротах шлюза открывается клапан, камера соединяется с водоёмом, они становятся сообщающимися сосудами, уровни воды в них выравниваются. После этого ворота открываются, и судно проходит в первую камеру. Открывается следующий клапан, после выравнивания уровней воды открываются ворота, и так повторяется столько раз, сколько камер имеет шлюз.
Давление столба жидкости
Выведем формулу давления столба жидкости через основную формулу давления.
Давление
p = F/S
p – давление [Па]
F – сила [Н]
S – площадь [м^2]
В случае давления жидкости на дно сосуда мы можем заменить силу в формуле на силу тяжести.
p = mg/S
Также мы можем представить массу жидкости, как произведение плотности на объем:
p = ρ*V*g/S
Из геометрии мы знаем, что объем тела вращения (например, цилиндра) – это произведение площади основания на высоту: V = Sh.
Следовательно, высота будет равна h = V/S. Подставляем в формулу высоту вместо отношения объема к площади.
p = ρ*g*V/S
p = ρgh
В сообщающихся сосудах давление жидкости на одном уровне (на одной и той же высоте) будет одинаковым.
А можно сделать так, чтобы давление было разным?
С помощью перегородки можно сделать так, чтобы уровень жидкости, а следовательно, и давления в сообщающихся сосудах отличались.
Перегородка, установленная между сосудами перекроет сообщение. Далее доливая жидкость в один из сосудов мы создаем дополнительное давление. Если затем убрать перегородку, то жидкость начнет перетекать в тот сосуд, где её уровень ниже – до тех пор, пока высота жидкости в обоих сосудах не станет одинаковой.
Этот принцип используют в водонапорной башне. Чтобы создать высокое давление, башню наполняют водой. Затем открывают трубы на нижнем этаже, и вода устремляется в дома в наши краны и батареи.
Задачка
Какой площади необходимо сделать малый поршень в гидравлическом прессе, для того, чтобы выигрыш в силе получился равным 2? Площадь большого поршня равна 10 см^2.
Решение:
Гидравлический пресс – это два цилиндрических сообщающихся сосуда. Площадь большого поршня, с приложенной силой F1, равна 10 см^2.
Площадь малого поршня обозначим Sмал, к нему приложена сила F2.
Давления в сообщающихся сосудах на одинаковой высоте равны: p1 = p2
Подставим формулу давления:
F1/Sбол=F2/Sмал.
Выразим Sмал, получим:
Sмал = (F2/F1) * Sбол
Так как по условию выигрыш в силе F2/F1 равен 2, то:
Sмал=2*Sбол= 2*10 = 20 см^2
Ответ: малый поршень необходимо сделать с площадью равной 20 см^2
Понимать и любить этот мир гораздо проще, когда разбираешься в физике. В этом помогут небезразличные и компетентные преподаватели онлайн-школы Skysmart.
Чтобы формулы и задачки ожили и стали более дружелюбными, на уроках мы разбираем примеры из обычной жизни современных подростков. Приходите на бесплатный вводный урок по физике и начните учиться в удовольствие уже завтра!
Источник
Сосуды
Непременное условие существования организма – циркуляция жидкостей по кровеносным сосудам, переносящим кровь, и лимфатическим сосудам, по которым движется лимфа
Осуществляет транспорт жидкостей и растворенных в них веществ (питательные, продукты жизнедеятельности клеток, гормоны, кислород и др.) сердечно-сосудистая система – важнейшая интегрирующая система организма. Сердце в этой системе выполняет роль насоса, а сосуды служат своеобразным трубопроводом, по которому все необходимое доставляется каждой клетке тела.
Кровеносные сосуды
Рис. 1. Кровеносные сосуды (схема): венула (синий цвет), капиллярная сеть, вена (синий цвет), артерия (красный цвет), артериола (красный цвет)
Среди кровеносных сосудов выделяют более крупные – артерии и более мелкие – артериолы, по которым кровь течет от сердца к органам, венулы и вены, по которым кровь возвращается к сердцу, и капилляры, по которым кровь переходит из артериальных сосудов в венозные (рис. 1). Наиболее важные обменные процессы между кровью и органами совершаются в капиллярах, где кровь отдает содержащиеся в ней кислород и питательные вещества окружающим тканям, а забирает из них продукты метаболизма. Благодаря постоянной циркуляции крови поддерживается оптимальная концентрация веществ в тканях, что необходимо для нормальной жизнедеятельности организма.
Кровеносные сосуды образуют большой и малый круги кровообращения, которые начинаются и заканчиваются в сердце. Объем крови у человека массой тела 70 кг равен 5-5,5 л (примерно 7% массы тела). Состоит кровь из жидкой части – плазмы и клеток – эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов. Вследствие высокой скорости кругооборота ежесуточно по кровеносным сосудам протекает 8000-9000 л крови.
В разных сосудах кровь движется с разной скоростью. В аорте, выходящей из левого желудочка сердца, скорость крови наибольшая – 0,5 м/с, в капиллярах – наименьшая – около 0,5 мм/с, а в венах – 0,25 м/с. Различия в скорости течения крови обусловлены неодинаковой шириной общего сечения кровеносного русла в разных участках. Суммарный просвет капилляров в 600-800 раз превышает просвет аорты, а ширина просвета венозных сосудов примерно в 2 раза больше, чем артериальных. По законам физики, в системе сообщающихся сосудов скорость тока жидкости выше в более узких местах.
Рис. 2. Строение стенки кровеносных сосудов: артерия, капилляр, вена
Стенка артерий толще, чем у вен, и состоит из трех оболочек слоев (рис. 2). Средняя оболочка построена из пучков гладкой мышечной ткани, между которыми расположены эластические волокна. Во внутренней оболочке, выстланной со стороны просвета сосуда эндотелием, и на границе между средней и наружной оболочками имеются эластические мембраны. Эластические мембраны и волокна образуют своеобразный каркас сосуда, придающий его стенкам прочность и упругость.
В стенке ближайших к сердцу крупных артерий (аорта и ее ветви) эластических элементов относительно больше. Обусловлено это необходимостью противодействовать растяжению массой крови, которая выбрасывается из сердца при его сокращении. По мере удаления от сердца артерии делятся на ветви и становятся мельче. В средних и мелких артериях, в которых инерция сердечного толчка ослабевает и требуется собственное сокращение сосудистой стенки для дальнейшего продвижения крови, хорошо развита мышечная ткань. Под влиянием нервных раздражений такие артерии способны изменять свой просвет.
Стенки вен тоньше, но состоят из тех же трех оболочек. Поскольку в них значительно меньше эластической и мышечной ткани, стенки вен могут спадаться. Особенностью вен является наличие во многих из них клапанов, препятствующих обратному току крови. Клапаны вен представляют собой карманоподобные выросты внутренней оболочки.
Лимфатические сосуды
Сравнительно тонкую стенку имеют и лимфатические сосуды. В них также имеется множество клапанов, которые позволяют лимфе двигаться только в одном направлении – к сердцу.
Лимфатические сосуды и оттекающая по ним лимфа также относятся к сердечно-сосудистой системе. Лимфатические сосуды вместе с венами обеспечивают всасывание из тканей воды с растворенными в ней веществами: крупные белковые молекулы, капельки жира, продукты распада клеток, чужеродные бактерии и прочие. Самые мелкие лимфатические сосуды – лимфатические капилляры – замкнуты на одном конце и располагаются в органах рядом с кровеносными капиллярами. Проницаемость стенки лимфатических капилляров выше, чем у кровеносных капилляров, а диаметр их больше, поэтому те вещества, которые из-за крупных размеров не могут попасть из тканей в кровеносные капилляры, поступают в лимфатические капилляры. Лимфа по своему составу напоминает плазму крови; из клеток в ней содержатся только лейкоциты (лимфоциты).
Образующаяся в тканях лимфа по лимфатическим капиллярам, а дальше по более крупным лимфатическим сосудам постоянно оттекает в кровеносную систему, в вены большого круга кровообращения. За сутки в кровь поступает 1200-1500 мл лимфы. Важно, что прежде чем оттекающая от органов лимфа попадет в кровеносную систему и смешается с кровью, она проходит через каскад лимфатических узлов, которые располагаются по ходу лимфатических сосудов. В лимфатических узлах чужеродные для организма вещества и болезнетворные микроорганизмы задерживаются и обезвреживаются, а лимфа обогащается лимфоцитами.
Расположение сосудов
Рис. 3. Венозная система
Рис. 3а. Артериальная система
Распределение сосудов в теле человека подчиняется определенным закономерностям. Артерии и вены обычно идут вместе, причем мелкие и средние артерии сопровождаются двумя венами. В составе этих сосудистых пучков проходят также лимфатические сосуды. Ход сосудов соответствует общему плану строения тела человека (рис. 3 и 3а). Вдоль позвоночного столба проходят аорта и крупные вены, в межреберных промежутках расположены отходящие от них ветви. На конечностях, в тех отделах, где скелет состоит из одной кости (плечо, бедро), имеется по одной главной артерии, сопровождаемой венами. Там, где в скелете две кости (предплечье, голень), идут и две главные артерии, а при лучевом строении скелета (кисть, стопа), артерии расположены соответственно каждому пальцевому лучу. Сосуды направляются к органам по кратчайшему расстоянию. Сосудистые пучки проходят в укрытых местах, в каналах, образованных костями и мышцами, и только на сгибательных поверхностях тела.
В некоторых местах артерии располагаются поверхностно, и их пульсация может быть прощупана (рис. 4). Так, пульс можно исследовать на лучевой артерии в нижней части предплечья или на сонной артерии в боковой области шеи. Кроме того, поверхностно расположенные артерии можно прижать к рядом лежащей кости для остановки кровотечения.
Рис. 4. Точки определения пульса
Как разветвления артерий, так и притоки вен широко соединяются между собой, образуя так называемые анастомозы. При нарушениях притока крови или ее оттока по основным сосудам анастомозы способствуют движению крови в различных направлениях и перемещению ее из одной области в другую, что приводит к восстановлению кровоснабжения. Это особенно важно в случае резкого нарушения проходимости основного сосуда при атеросклерозе, травме, ранении.
Самые многочисленные и тонкие сосуды – кровеносные капилляры. Диаметр их составляет 7-8 мкм, а толщина стенки, образованной одним слоем эндотелиальных клеток, лежащих на базальной мембране, – около 1 мкм. Через стенку капилляров осуществляется обмен веществ между кровью и тканями. Кровеносные капилляры находятся почти во всех органах и тканях (их нет только в самом наружном слое кожи – эпидермисе, роговице и хрусталике глаза, в волосах, ногтях, эмали зубов). Длина всех капилляров человеческого тела составляет примерно 100 000 км. Если их вытянуть в одну линию, то можно опоясать земной шар по экватору 2,5 раза. Внутри органа кровеносные капилляры соединяются между собой, образуя капиллярные сети. Кровь в капиллярные сети органов поступает по артериолам, а оттекает по венулам.
Микроциркуляция
Движение крови по капиллярам, артериолам и венулам, а лимфы по лимфатическим капиллярам получило название микроциркуляции, а сами мельчайшие сосуды (диаметр их, как правило, не превышает 100 мкм) – микроциркуляторного русла. Строение последнего русла имеет свои особенности в разных органах, а тонкие механизмы микроциркуляции позволяют регулировать деятельность органа и приспосабливать ее к конкретным условиям функционирования организма. В каждый момент работает, то есть открыта и пропускает кровь, только часть капилляров, другие же остаются в резерве (закрыты). Так, в покое могут быть закрытыми более 75% капилляров скелетных мышц. При физической нагрузке большинство из них открываются, так как работающая мышца требует интенсивного притока питательных веществ и кислорода.
Функцию распределения крови в микроциркуляторном русле выполняют артериолы, которые имеют хорошо развитую мышечную оболочку. Это позволяет им сужаться или расширяться, изменяя количество поступающей в капиллярные сети крови. Такая особенность артериол позволила русскому физиологу И.М. Сеченову назвать их «кранами кровеносной системы».
Изучение микроциркуляторного русла возможно лишь с помощью микроскопа. Именно поэтому активное исследование микроциркуляции и зависимости ее интенсивности от состояния и потребностей окружающих тканей стало возможным только в ХХ в. Исследователь капилляров Август Крог в 1920 г. был удостоен Нобелевской премии. В России существенный вклад в развитие представлений о микроциркуляции в 70-90-х годах внесли научные школы академиков В.В. Куприянова и А.М. Чернуха. В настоящее время, благодаря современным техническим достижениям, методы исследования микроциркуляции (в том числе с использованием компьютерных и лазерных технологий) широко применяются в клинической практике и экспериментальной работе.
Артериальное давление
Важной характеристикой деятельности сердечно-сосудистой системы служит величина артериального давления (АД). В связи с ритмической работой сердца оно колеблется, повышаясь во время систолы (сокращения) желудочков сердца и снижаясь во время диастолы (расслабления). Наивысшее АД, отмечаемое во время систолы, называют максимальным, или систолическим. Наименьшее АД называют минимальным, или диастолическим. АД обычно измеряют в плечевой артерии. У взрослых здоровых людей максимальное АД в норме равно 110-120 мм рт.ст., а минимальное 70-80 мм рт.ст. У детей, вследствие большой эластичности стенки артерий, АД ниже, чем у взрослых. С возрастом, когда эластичность сосудистых стенок из-за склеротических изменений уменьшается, уровень АД повышается. При мышечной работе систолическое АД растет, а диастолическое не меняется или снижается. Последнее объясняется расширением сосудов в работающих мышцах. Уменьшение максимального АД ниже 100 мм рт.ст. называют гипотонией, а увеличение выше 130 мм рт.ст. – гипертонией.
Уровень АД поддерживается сложным механизмом, в котором участвуют нервная система и различные вещества, переносимые самой кровью. Так, существуют сосудосуживающие и сосудорасширяющие нервы, центры которых расположены в продолговатом и спинном мозге. Имеется значительное количество химических веществ, под влиянием которых изменяется просвет сосудов. Часть этих веществ образуется в самом организме (гормоны, медиаторы, углекислый газ), другие поступают из внешней среды (лекарственные и пищевые вещества). Во время эмоционального напряжения (гнев, страх, боль, радость) в кровь из надпочечников поступает гормон адреналин. Он усиливает деятельность сердца и суживает сосуды, АД при этом повышается. Так же действует гормон щитовидной железы тироксин.
Каждому человеку следует знать, что его организм имеет мощные механизмы саморегуляции, при помощи которых поддерживается нормальное состояние сосудов и уровень АД. Это обеспечивает необходимое кровоснабжение всех тканей и органов. Однако надо обращать внимание на сбои в деятельности этих механизмов и с помощью специалистов выявлять и устранять их причину.
Автор: Ольга Гурова, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, доцент кафедры анатомии человека РУДН
В материале использованы фотографии, принадлежащие shutterstock.com
Источник