Четыре дамы и молодой человек в вакууме. Нестандартные задачи обо всем на свете - Илья Леенсон

Три воина залегают на дно

Дышать через очень узкую трубку трудно, так как надо преодолевать трение воздуха о стенки трубки и прилагать дополнительные усилия, чтобы втянуть в себя, а потом выдохнуть необходимый объем воздуха (в воду выдыхать нельзя, так как пузыри выдадут беглецов). Трудно дышать и через очень широкую трубку, так как при этом слишком велик «мертвый объем» воздуха, который остается в трубке (этот объем для трех трубок равен примерно 60, 340 и 1500 см3 соответственно). То есть при каждом вдохе в легкие из широкой трубки будет попадать предыдущий выдох с высоким содержанием углекислого газа и пониженным содержанием кислорода. Чтобы в легкие попало нужное количество свежего воздуха, надо через широкую трубку делать значительно более глубокий (примерно на 1,5 л) вдох, чем обычно.

Здесь уместно процитировать учебник биологии Н. Грина, У. Стаута и Д. Тейлора:

«Легкие молодой взрослой женщины вмещают в среднем около 4 л воздуха, а легкие молодого взрослого мужчины – около 5 л. ‹…›

1. Дыхательный объем – это объем воздуха, обмениваемого за один вдох и выдох. В состоянии покоя человек вдыхает и выдыхает примерно 450 мл воздуха. При максимальной физической нагрузке дыхательный объем составляет около 3 л.

2. Сверх 450 мл человек может вдохнуть еще около 1500 мл. Это так называемый дополнительный воздух.

3. После спокойного выдоха он может выдохнуть дополнительно около 1500 мл. Это – резервный воздух.

4. Если сделать максимальный вдох, а затем максимальный выдох, то общее количество выдыхаемого воздуха даст величину, называемую жизненной емкостью легких.

5. Даже после максимально глубокого выдоха в легких еще остается 1500 мл воздуха. Выдохнуть его не удается; он называется остаточным воздухом.

При вдохе из 450 мл вдыхаемого атмосферного воздуха в альвеолы попадает лишь около 300 мл, а приблизительно 150 мл остается в воздухоносных путях и в газообмене не участвует. При выдохе, который следует за вдохом, этот воздух выводится наружу неизмененным, не отличающимся по своему составу от атмосферного воздуха. Его называют поэтому воздухом мертвого пространства. Воздух, достигающий альвеол, смешивается здесь с 3000 мл уже находящегося в них воздуха. Вновь поступившая порция невелика по сравнению с объемом, к которому она добавляется; поэтому полное обновление всего находящегося в легких воздуха – по необходимости медленный процесс. Это медленный обмен между атмосферным и альвеолярным воздухом сказывается на альвеолярном воздухе столь мало, что его состав остается практически постоянным (13,8 % кислорода, 5,5 % СO2 и 80,7 % азота). ‹…›

Интересно сравнить состав альвеолярного воздуха с составом вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. ‹…› Одну пятую часть поступающего кислорода организм удерживает для своих нужд, тогда как выдыхаемое количество СО2 в 100 раз больше того количества, которое поступает в организм при вдохе. В тесный контакт с кровью вступает альвеолярный воздух. По сравнению с вдыхаемым воздухом он содержит меньше кислорода и больше СO2»[12].

Дело пахнет чесноком

1. Сульфиды проникают в кровь, а затем в легких выделяются из крови в выдыхаемый воздух.

2. (CH2=CH-CH2)2S2 и (CH2=CH-CH2)-S-S-CH2-CH2-CH3.

3. В растениях рода Allium много аминокислот (цистеина, метионина), в боковых цепях которых имеются атомы серы. Интересно, что сами по себе лук и чеснок почти не пахнут, но если их разрезать или измельчить, т. е. разрушить клетки, начинаются ферментативные процессы, в ходе которых и синтезируются летучие соединения с сильным запахом. Если измельченный чеснок высушить, его запах заметно изменится, так как летучие соединения успеют испариться, а ферменты – разрушиться.

Казус Каренина

Треск слышен из-за того, что разрываются газовые пузырьки в жидкости, смазывающей сустав. Однако завидовать тут незачем, и вот почему. Сустав – это соединение двух (реже нескольких) костей. Кости могут соединяться друг с другом по-разному. Например, позвонки соединены с помощью хрящей, а лучевая и локтевая кости – связками. Если кости должны свободно двигаться относительно друг друга, их концы представляют собой шарнир, покрытый гладкой хрящевой тканью и заключенный в полость, заполненную синовиальной жидкостью. Это прозрачная тягучая желтоватая жидкость, напоминающая яичный белок (отсюда и название: от греч. συν – «вместе», лат. ovum – «яйцо»). Синовиальная жидкость обеспечивает смазку сустава, а также доставляет к хрящу питательные вещества. Анализируя состав синовиальной жидкости, можно выявить заболевания суставов: остеоартрит, ревматоидный артрит, подагру и др.

Синовиальная жидкость способна растворять различные газы; в основном это углекислый газ, азот и кислород. Растворимость газа в жидкости зависит от давления – она тем выше, чем больше давление. Если растянуть слегка концы сочлененных костей, объем суставной сумки увеличится, а давление снизится. Это приведет к выделению части растворенных газов в виде мелких пузырьков, которые называются кавитационными (лат. cavitas – «пустота»). Эти пузырьки неустойчивы: попадая в области с более высоким давлением, они схлопываются – иногда сразу, а иногда совершая несколько затухающих колебаний. Сокращение объема кавитационного пузырька происходит с большой скоростью. Возникновение и схлопывание множества пузырьков в жидкости сопровождается сильным звуком в области частот от сотен герц до тысяч килогерц. Если схлопывание пузырьков происходит вблизи твердого тела, то многократно повторяющиеся микроудары приводят к кавитационной эрозии, проще говоря – к разрушению тела. Такие разрушения обычно наблюдаются на лопастях гидротурбин, гребных винтов кораблей, на деталях жидкостных насосов – т. е. во всех тех случаях, когда происходит резкое изменение давления в жидкости вблизи твердого тела.

Вернемся теперь к суставу. Если сразу после щелканья сделать рентгеновский снимок сустава, на нем будут видны кавитационные пузырьки. Повторно щелкнуть этим же суставом не получится: сначала суставная сумка должна сократиться до прежнего объема, и этот процесс сопровождается повышением давления и полным растворением всех газов.

Конечно, хрящ, в отличие от металла, не крошится и способен к регенерации. И все же есть данные о том, что регулярное и длительное щелканье суставами пальцев может приводить к снижению их двигательных функций и ослаблению кисти. Не приносит пользы и растяжение связок. Поэтому не стоит щелкать суставами – они вам еще пригодятся.

Не всякому слуху верь

Диаметр молекул водорода равен примерно 0,3 нм, 1 % от этого значения – 3∙10–3 нм; в книге приводится расстояние 10–3 нм, на которое надо сместить барабанную перепонку, чтобы услышать звук. Здесь как раз расхождение небольшое. Ошибка авторов – в другом. Во-первых, диаметр атомов в молекулах белков на внешней стенке барабанной перепонки в сотни раз больше, чем 10–3 нм, и эти атомы все время совершают тепловые колебания. Во-вторых, человек находится не в вакууме, где летают только отдельные молекулы. Поэтому частота ударов молекул с двух сторон перепонки выражается астрономическим числом. Как же ухо может услышать такой шум, будь оно как угодно чувствительно? Перепонка ведь не броуновская частица! Поэтому она (как, например, и оконное стекло) никак не смещается под действием этих ударов. И все же предельная чувствительность слуха очень высока (в указанной книге в качестве абсолютного слухового порога приводится «тиканье наручных часов на расстоянии 20 футов (6,1 м) в тихой комнате»).