Текст книги "Новый физический фейерверк"

2.47. Кровообращение змей, жирафов и высоких динозавров

Почему у водных змей сердце находится где-то посередине туловища, у наземных оно смещено чуть ближе к голове, а у древесных – гораздо ближе к голове? Каким образом жирафу удается направлять кровь к голове, не допуская ее скопления в ногах? Как он умудряется избегать нарушения мозгового кровообращения и не падать в обморок, когда на водопое наклоняется к воде? Зауроподы – это динозавры с массивным телом и очень длинной шеей, достигавшей у некоторых видов 9–11 м. Как им удавалось снабжать кровью голову и пить воду?

ОТВЕТ • Когда змея поднимает голову и тянется вверх, ее сердце должно обеспечить ток крови к мозгу, тогда как кровь стремится скопиться в нижней половине ее туловища. Но для водной змеи это не проблема. Давление воды с глубиной увеличивается, а значит, увеличивается и давление на нижнюю половину туловища змеи, и поэтому кровь там не скапливается. Сердце змеи располагается примерно посередине ее туловища: чем выше здесь давление воды и чем оно меньше около головы, тем легче кровеносной системе змеи поставлять кровь мозгу.

Если наземная змея высоко поднимает голову, разность давлений воды ей никак не поможет, и поэтому кровь может скапливаться в нижней части тела, причиняя змее неудобство. Однако наземным змеям повезло: сердце у них расположено не посередине туловища, а ближе к голове. Древесные змеи приспособились еще лучше: их сердце еще больше смещено к голове, а нижняя половина туловища очень плотная, что препятствует скоплению в ней крови. Поэтому такие змеи прекрасно ползают по деревьям, не боясь обморока.

У жирафа с кровотоком еще более серьезная проблема. Из-за того, что его голова находится гораздо выше сердца, кровяное давление должно быть очень высоким. Например, чтобы давление в головном мозге жирафа ростом 4 м оставалось на нужном уровне, а это примерно 90 мм рт. ст., его среднее артериальное давление должно доходить до 250 мм рт. ст. Поскольку ноги жирафа тоже находятся далеко от сердца, очень высокое давление должно было бы приводить к серьезной проблеме из-за скопления в них крови. Однако жирафа выручает строение ног: они у него мускулистые, туго обтянутые кожей наподобие компрессионных чулок. Когда жираф на водопое наклоняет голову, он двигает ею медленно, чтобы кровяное давление успело скорректироваться. Кроме того, чтобы сердце было пониже, он широко расставляет передние ноги. Хотя разветвленная сеть кровеносных сосудов, поставляющих кровь мозгу жирафа, в какой-то мере защищает мозг, неожиданное повышение давления может привести к обмороку и даже к нарушению у него мозгового кровообращения.

У зауроподов, даже если они никогда не поднимали голову на максимальную высоту, вопрос о кровоснабжении мозга стоял еще острее. Вероятно, они двигались медленно, что позволяло регулировать давление. Кроме того, у них было громадное сердце, вес которого достигал 5 % веса тела.

2.48. Плавали ли зауроподы?

В группу динозавров-зауроподов входят, в частности, апатозавры (их еще называют бронтозаврами) и маменчизавры – динозавры с самой длинной шеей, будто сошедшие с картины художника-сюрреалиста. Даже по меркам динозавров это были огромные животные. По-прежнему открыт вопрос – как они могли не то что бегать, но даже ходить. Одно из предположений состоит в том, что они были полуводными животными и большую часть жизни либо плавали, либо просто бродили в воде. Могли ли такие огромные динозавры плавать?

ОТВЕТ • Поскольку нет живых зауроподов и непосредственно наблюдать их образ жизни мы не можем, лучший способ ответить на этот вопрос – построить масштабные модели и посмотреть, смогут ли они плавать. (Отдельная сложная задача – ввести поправку на легкие зауроподов.) Оказалось, что у моделей точка приложения выталкивающей силы несколько смещена назад относительно точки приложения направленной вниз силы тяжести. Подобная модель неустойчива, поскольку момент этих сил будет переворачивать зауропода вперед, пока его шея не погрузится в воду хотя бы частично. Кроме того, он может завалиться на бок. Иными словами, плескаться на мелководье зауроподу не понравилось бы.

Однако если зауропод погрузится в воду по грудь, он сможет передвигаться без проблем. Те из динозавров, у которых передние ноги были длиннее, могли бы, как гондольеры в Венеции, использовать их вместо шеста. В самом деле, удалось найти следы динозавров, указывающие, что они передвигались именно так. Эти следы отличаются от следов динозавров, наступавших при ходьбе на всю ногу, так как при движении «с шестом» динозавр втыкает в грязь концы когтей, а затем вытаскивает их, оставляя узкий желоб с возвышением из выброшенной грязи сзади.

2.49. Гастролиты у динозавров и крокодилов

Почему в желудках многих четвероногих, например живущих сейчас крокодилов или ископаемых плезиозавров, находят гастролиты (или желудочные камни), а проще – гальку и камешки?

ОТВЕТ • Долго считалось, что гастролиты необходимы для пищеварения и что животные с их помощью размельчают пищу в желудке. Есть, однако, убедительные доводы за то, что желудочные камни используются для уменьшения выталкивающей силы, благодаря чему животное плывет, почти целиком погрузившись в воду. Так крокодил держится на воде, выставив наружу только глаза и нос, и выслеживает из засады добычу, оставаясь почти неподвижным и невидимым. Кроме того, камни служат крокодилу балластом, уменьшая энергию, необходимую, чтобы противостоять течению, и те же камни помогают крокодилу затащить в воду добычу.

Плезиозаврам, способным достаточно глубоко погружаться в воду, гастролиты тоже служили стабилизирующим балластом. У этих животных легкие, помогавшие им держаться на плаву, располагались за длинной и тяжелой шеей. В неспокойной воде плезиозавры могли легко перевернуться, но с камнями в желудке позади легких сохранить устойчивость было легче.

2.50 Эффект коанда

Почему вблизи твердой поверхности поток жидкости сначала изгибается в сторону поверхности, а затем и прижимается к ней? Этот эффект можно наблюдать даже в кухонной раковине, подставив искривленную поверхность под спокойно текущую из крана воду. Например, подставьте под струю горизонтально стеклянную банку так, чтобы струя сначала ударяла по искривленной поверхности, а затем стекала по одной из ее сторон (рис. 2.16a). Иногда поток прилегает к поверхности так плотно, что, достигнув самой низшей точки, он едва не начинает подниматься вверх по противоположной стороне. Если вы подставите под струю воды стержень, держа его под наклоном, и правильно подберете скорость воды, то струя прижмется к стержню и, прежде чем оторваться, может несколько раз обогнуть его по спирали (рис. 2.16б).

Рис. 2.16 / Задача 2.50. Падающий поток воды наматывается: a) вокруг банки и б) наклонного стержня.

Защищаясь от муравьев, жуки-бомбардиры[37]37
  Бомбардиры – жуки из двух подсемейств жужелиц Brachininae и Paussinae. Прим. пер.


[Закрыть] разворачивают заднюю часть брюшка, где расположены железы, и, как из пульверизатора, выстреливают горячей (до 100°C) токсичной жидкостью. Если муравей атакует, скажем, переднюю ногу бомбардира, жук, целясь в эту ногу, направляет кончик брюшка, как турель пушки, вниз и вперед. Облитый жидкостью муравей быстро ретируется. У пауссинов, менее распространенной разновидности жуков-бомбардиров, задний кончик брюшка не такой подвижный: выстрелить жук может только назад или в сторону. Тем не менее и такой жук метко целится в муравья, даже если тот находится впереди него или вцепился ему в переднюю ногу. Как пауссин может направить струю вперед, когда выстрелить в этом направлении он не может?

ОТВЕТ • Отклонение потока по направлению к твердой поверхности, приводящее к прилипанию, называется эффектом Коанда по имени открывшего его румынского инженера Анри Коандэ. Предположим, что вода течет достаточно близко к твердой поверхности. Струя увлекает за собой воздух, то есть захватывает соседние молекулы воздуха, которые в результате уносятся потоком жидкости. При этом возникает поток воздуха (движение молекул воздуха, находящихся дальше от струи воды), стремящийся заместить ушедшие с водой молекулы воздуха. Однако твердая поверхность препятствует притоку воздуха, и давление воздуха между струей и поверхностью падает (эффект Бернулли). При этом с другой стороны струи давление остается атмосферным, и струя, прижимаясь к твердой поверхности, прилипает к ней. Прилипание может наблюдаться даже в том случае, когда поверхность отогнута от изначального направления течения воды.

У пауссинов есть выступы сразу перед отверстием железы, из которой они стреляют. Чтобы направить струю вперед, отверстие ориентируется так, чтобы струя ядовитой жидкости попала в выступ. В соответствии с эффектом Коанда струя, огибая закругления выступа, может отклониться на угол до 50°. Оторвавшись от выступа, она движется по воздуху в виде тонкой струйки. Жук контролирует, в какое место на выступе попадает струя, выпущенная из железы, и таким образом может контролировать, куда в конечном счете она будет направлена.

2.51. Эффект чайника

Если носик чайника (или любого другого сосуда для жидкостей) имеет правильную форму, вода хорошо течет из него и попадает туда, куда ей положено, например в чашку. Неправильно выполненный носик чайника приводит к так называемому эффекту чайника: вместо того чтобы спокойно течь струей, вода затекает под носик чайника, сбегает по нему вниз на расстояние до нескольких сантиметров, а затем отрывается и льется на скатерть (рис. 2.17). Даже если струя не прилипла к нижней стороне носика, она может изогнуться дугой в сторону чайника. Конечно, это прилипание или непредсказуемый изгиб струи воды могут обернуться неприятностью. С чем же связан эффект чайника?

Рис. 2.17 / Задача 2.51. Струя воды, прилипшая к носику чайника.

ОТВЕТ • Если вода вытекает достаточно быстро, скорее всего, в воздухе струя воды будет двигаться так, как мы ожидаем. В этом случае говорят: струя движется по баллистической траектории. Название связано с тем, что, если из носика чайника «выстрелить» твердым предметом, он будет двигаться так же. Неожиданности начинаются, если вода из носика течет недостаточно быстро. Дело в том, что давление в поперечном сечении струи непостоянно: на поверхности воздух – вода давление остается атмосферным, но вблизи того места, где вода переливается через край носика чайника, она движется быстрее, и там давление понижено. Повышенное внешнее давление прижимает струю к краю носика. Если струя вытекает достаточно быстро, она перетекает через край носика и отрывается, образуя выгнутую в сторону от чайника дугу.

Если вода вытекает медленнее, точка, где струя в последний раз касается носика чайника, может оказаться на нижней стороне носика. Обычно такое прилипание связывают со взаимным притяжением молекул воды и молекул материала, из которого сделан носик чайника. Прилипание часто трактуется как результат действия поверхностного натяжения и обычно приводится как пример смачивания твердой поверхности жидкостью. Однако основная причина, по которой струя, вытекающая из чайника, стекает вниз по его носику, – давление воздуха. Даже если смазать маслом нижнюю поверхность носика, чтобы уменьшить на ней взаимное притяжение молекул и исключить смачивание, медленная струя по-прежнему будет стекать вниз вдоль носика чайника.

Место отрыва струи от носика чайника определяется многими факторами. Даже если экспериментировать с одним и тем же чайником и контролировать скорость вытекания воды, расстояние, на котором струя оторвется от носика чайника, от раза к разу может меняться. Для того чтобы исключить «эффект чайника», у края носика снизу можно сделать небольшое отверстие. Когда струя достигает этого отверстия, резкое изменение кривизны поверхности приводит к отрыву потока (прерывает поток). Сходная техника используется на подоконниках для борьбы с эффектом чайника: дождевая вода не должна затекать под подоконник и попадать на стену. Снизу у подоконника имеется узкий вертикальный разрез, благодаря которому поток воды отрывается от края подоконника далеко от стены. Чтобы эффект чайника не мешал сливать жидкость, например из кастрюли, достаточно подставить вертикально нож или брусок в том месте, где выливается жидкость. Жидкость прижмется к ножу или бруску вместо того, чтобы стекать вниз по стенке кастрюли.

Некоторые фонтанчики для питья тоже проявляют эффект чайника: когда вода перетекает через край поддона, она либо стекает по нему снизу, либо, выгибаясь, образует вокруг фонтанчика что-то вроде ниспадающей завесы. Если поддон имеет форму круга, стекающая вода может образовать замкнутую поверхность, которую называют водяным колоколом.

2.52. Всплытие после глубоководного погружения

Почему глубоководный водолаз, которого поднимают на поверхность, должен переждать какое-то время на определенной глубине и почему его нельзя поднимать без остановок? Почему многие водолазы после такой процедуры чувствуют себя хорошо, но испытывают боль, если им приходиться лететь самолетом вскоре после погружения? (Боль дает о себе знать после взлета.) Киты часто погружаются на большую глубину и быстро всплывают. Это как-то вредит им?

ОТВЕТ • Если при погружении водолаз вдыхает воздух под давлением, молекулы азота из воздуха растворяются у него в крови и поступают в кровоток. Когда он всплывает, давление уменьшается и азот должен покинуть кровоток. Если он не успевает это сделать, в крови образуются пузырьки из азота. Пузырьки двигаются вместе с кровотоком. По достаточно крупным сосудам они перемещаются свободно, но, попадая в более мелкие сосуды, застревают, препятствуя кровотоку. Последствия называют кессонной болезнью, или декомпрессией. Она может привести к сильным болям, инвалидности и даже смерти. Больного с признаками кессонной болезни помещают в барокамеру и заставляют дышать воздухом с повышенным давлением, медленно его понижая, при этом растворенный в крови азот постепенно выходит. Чтобы избежать кессонной болезни, водолаз, всплывая на поверхность, делает несколько остановок, задерживаясь на каждой из них на определенное время, чтобы кровь могла очиститься от азота.

График декомпрессии составлен так, чтобы при всплытии избавиться от достаточного количества растворенного азота и исключить образование азотных пузырьков. Однако оставшийся растворенный азот все еще может собираться в пузырьки, если водолазу вскоре после всплытия приходится лететь на самолете. Хотя в современных самолетах в салоне давление поддерживается, оно все же ниже нормального атмосферного давления на уровне земли. При пониженном давлении азотные пузырьки могут образовываться вновь.

Хотя раньше считалось, что киты защищены от опасностей, связанных с погружением глубоко под воду, есть основания полагать, что и они страдают от кессонной болезни, особенно если всплывать им приходится быстро.

2.53. Как люди и слоны плавают под водой

Под водой пловец дышит через трубку, конец которой находится над поверхностью воды. Почему длина трубки не может превышать 20 см? Почему так опасно увеличивать ее длину, помимо затрудненной циркуляции воздуха в трубке? Слон, используя хобот вместо трубки, тоже может плавать под водой. Как ему удается остаться в живых, если обычно он погружается на глубину около двух метров?

ОТВЕТ • Поскольку с глубиной возрастает давление воды на ныряльщика, увеличивается и кровяное давление. Если ныряльщик плавает, задерживая дыхание, давление в легких тоже увеличивается. Тогда кровяное давление и давление воздуха в легких совпадают, что обеспечивает непрерывную поставку кислорода в кровь и удаление оттуда углекислого газа. Однако когда ныряльщик дышит через трубку, давление воздуха в легких падает до атмосферного. Уменьшение давления не слишком значительно, если пловец остается вблизи поверхности воды. При большей глубине погружения несовпадение кровяного давления и давления в легких становится опасным и может даже привести к летальному исходу, если происходит так называемая пневмопрессия, или сдавление легких. В этом состоянии в легких разрываются небольшие кровеносные сосуды и кровь проникает в легкие.

Кажется, что легкие взрослого слона, использующего хобот как трубку, сдавливаются всякий раз, когда он плывет под водой. Его легкие находятся под водой на глубине около двух метров, а это значит, что разность давления воздуха в легких и давления крови значительна. Однако легкие слона имеют специальную защиту. У всех млекопитающих легкие окружены плеврой – предохраняющей мембраной. Особенность слонов в том, что их плевра заполнена соединительной тканью, которая поддерживает и защищает небольшие кровеносные сосуды в стенках легких. Поэтому они и не рвутся при плавании под водой.

2.54. Глубоководное погружение и как спастись из подводной лодки

Одно из правил безопасности при погружении с аквалангом – перед тем как подняться на поверхность, надо вдохнуть. Какие опасности могут подстерегать аквалангиста при всплытии? Можно ли спастись из потерпевшей аварию подводной лодки, если, набрав полные легкие воздуха, попытаться выплыть на поверхность? Спортсмены, занимающиеся фридайвингом[38]38
  Фридайвинг – подводное плавание на задержке дыхания. Прим. пер.


[Закрыть], и ама, ныряльщики за жемчугом в южной части Тихого океана, погружаются, набрав полные легкие воздуха. Опасно ли это? В чем опасность очень быстрого снижения давления воздуха в гидрокостюме при глубоководном погружении?

ОТВЕТ • При погружении давление на тело пловца сильно возрастает с увеличением глубины. Если на дне водоема вдохнуть воздух из баллона, а затем всплывать, задерживая воздух, внешнее давление будет падать, а легкие поэтому будут расширяться, пока их размер не достигнет некоторого предельного значения. Если воздух не выдыхать, давление в легких может превысить кровяное давление. Это опасно и может привести к смертельному исходу. Каждый год по этой причине погибает несколько аквалангистов.

В принципе, можно выплыть на поверхность и из потерпевшей аварию подводной лодки, если, конечно, лодка погрузилась не слишком глубоко и моряк при всплытии будет выдыхать воздух. Но выдыхать нужно, придерживаясь строго определенных правил, хотя интуитивно и кажется, что, поскольку впереди наводящий ужас подъем с неизвестной глубины, воздух надо удерживать. Еще страшнее непреодолимое желание сделать вдох. Потребность в очередном вдохе определяется вкладом углекислого газа в давление в легких. Когда обусловленное углекислым газом давление достигает определенного критического значения, желание сделать вдох становится непереносимым. Если при всплытии правильно выдыхать воздух, критическое давление углекислого газа достигается на некотором расстоянии от поверхности. Если удастся пройти эту точку, дальнейший подъем будет сравнительно легким.

Команду подводной лодки можно вызволить, опустив к подводной лодке камеру в форме колокола. Именно такая камера использовалась при спасении 33 членов команды американской подводной лодки «Сквалус», потерпевшей крушение на глубине около 80 м в мае 1939 года[39]39
  Операция по спасению команды подводной лодки «Сквалус» была первой, где был использован спасательный колокол. Прим. пер.


[Закрыть]. С пришедшего на помощь корабля водолазы спустили направляющий трос к люку подводной лодки. Затем вдоль этого троса они опустили камеру. В открытую снизу камеру вода не поступала, поскольку внутрь закачивался воздух до соответствующего давления. Достигнув входного люка, камера герметично присосалась к кольцу вокруг него. Закрепив камеру, давление воздуха в ней уменьшили, открыли люк, через который несколько членов команды попали в камеру и были подняты на поверхность.

При фридайвинге умение сдерживать дыхание при длительном погружении достигается тренировкой, позволяющей увеличить объем легких и уменьшить частоту вдохов. Помогает и так называемый рефлекс ныряния – шок, связанный с погружением головы в холодную воду, приводит к спазму, препятствующему вдыханию воды, и изменениям в работе сердца, что уменьшает расход кислорода. Обычно при погружении используют какой-то тяжелый предмет (чаще всего прикрепленный к поясу), который отбрасывают по окончании погружения. Однако даже без дополнительной тяжести при погружении выталкивающая сила может стать меньше веса. При погружении легкие ныряльщика сжимаются и его объем становится меньше, выталкивающая сила уменьшается и результирующая сила становится направленной вниз.

Такие физиологические изменения происходят, если погружение начинается с поверхности и легкие ныряльщика заполнены воздухом. Однако если начать погружение из опущенной в воду камеры и дышать воздухом (или другой газовой смесью, содержащей кислород) при давлении окружающей воды, ныряльщик не должен испытывать дискомфорт. Хотя погружение в самые глубокие океанские впадины кажется невероятным, с точки зрения физиологии ничего невозможного в этом нет.

Когда глубоководные работы выполняются в водолазном скафандре, воздух подается через шланг в защитный шлем. Насос на выходящем на поверхность конце шланга увеличивает давление в костюме так, чтобы оно совпадало с давлением воды. Если насос начинает действовать с перебоями или ломается, предохранительные вентили закрываются, чтобы не допустить понижения давления в костюме до атмосферного. Раньше, когда таких защитных вентилей не было, при поломке насоса напор воды буквально впечатывал скафандр в тело водолаза.