Известно, что слуховой аппарат человека чувствителен к изменениям атмосферного давления — если оно быстро меняется, то уши закладывает. От этого ощущения можно избавиться, если определенным образом глотнуть воздух. Объясните, основываясь на физических законах и закономерностях, наблюдаемое явление и оцените, при подъеме на лифте на какой этаж Главного здания (ГЗ) МГУ им. М. В. Ломоносова это закладывание произойдет, если в среднем уши человека чувствуют изменение давления на 9 мм ртутного столба. Высота каждого этажа в ГЗ 5 м, а атмосферные условия близки к нормальным. Лифт стартует с первого этажа. Считайте, что в пределах высоты ГЗ плотность атмосферного воздуха не меняется.
1. Закладывание ушей при изменении атмосферного давления связано с тем, что среднее ухо человека, заключающее в себе некоторый объем воздуха, отделено от внешнего пространства герметичной барабанной перепонкой. При изменении внешнего давления внутреннее давление в определенных пределах их разности остается постоянным, барабанная перепонка выгибается наружу или внутрь, вызывая неприятные ощущения типа закладывания ушей и даже боль. Для выравнивания давлений, которое происходит через узкие каналы, связывающие внутреннее ухо с глоткой, человек и совершает глотательные движения, напрягая глотку, когда в ней замкнут определенный объем воздуха, и проталкивая его в среднее ухо или отсасывая его оттуда.
2. Для численной оценки переведем вначале h = 9 мм ртутного столба в Па, используя формулу для изменения давления с высотой:
Па.
3. Затем найдем высоту H, на которой при нормальных условиях (p = 105 Па, T = 273 К) давление воздуха уменьшится на величину Δp, с учетом того, что плотность воздуха, согласно уравнению Клапейрона — Менделеева, равна где молярная масса воздуха
г/моль.
Следовательно,
4. Приравнивая выражения для Δp, получаем H ≈ 96 м, что примерно соответствует 19-му этажу ГЗ МГУ.
Примечание 1.
Оценку высоты также можно провести иначе. Вблизи поверхности земли при подъеме на каждые 12 м давление уменьшается на 1 мм рт. ст. Следовательно, на 9 мм рт. ст. давление изменится при подъеме на 108 м, а закладывание ушей произойдет на высоте, примерно равной 108 : 5 = 21,6 этажа, то есть между 21 и 22 этажом.
Примечание 2.
Читателю может показаться странным, что при одном способе решения в ответе 19-й этаж, а при другом — 22-й этаж. Дело в том, что в условии числовые данные приведены с одной значащей цифрой, поэтому и в ответе они должны быть с одной значащей цифрой. То есть правильный ответ (понимаемый приближенно с учетом погрешностей округления) для обоих решений — 20-й этаж.


В учебнике по физике Перышкина Физика 7 указано, что при подъеме на 12 м давление уменьшается на 1 мм рт. ст. Других вариантов значений изменения давления в зависимости от изменения высоты над землей в школьном курсе нет, то есть у ребят, кто это вспомнит, задача не сойдется с ответом.
Модели, расчеты, информация из учебника — все это приближения и округления, верные с некоторой погрешностью. Грубо говоря, 19-й этаж от 22-го отличаются на 14%, поэтому ответы 19, 20, 21 и 22 следует в этой задаче засчитывать как верные.