我们人体表面每时每刻都受到来自地球大气压强的压力,这个压力有多大呢?即每平方厘米1kg。一个成年人体表面积约1.5~2万cm^2,也就是说要每时每刻都在承受15~20吨的压力。很多人问,人体怎么有这么大的承受力,怎么没有被压死呢?
下面我们就来谈谈这个问题。
我们所处的气压环境。
在地球上,地表压力约101kPa,俗称1个标准大气压。如果要科学严谨些,所谓1个标准大气压是指在海平面上,温度为0℃,纬度45°情况下的气压。1个大气压在水银气压表上数值为760毫米汞柱高度,约为1013.25hPa(百帕)。
海平面气压的计算公式是:P0=Ps×10^[h/18400(1+Tm/273)]
这里,P0为海平面气压,单位hPa;Ps为本站气压,单位hPa;h为气压传感器海拔高度,单位为m;Tm为气柱平均温度,单位为℃,Tm=(t+t12)/2+h/400;t为干球温度,单位℃;t12为观测前12小时气温,单位℃。
从上面介绍我们可以看出,大气压与海拔高度和纬度都有关系,一般来说,高度增加,大气压减少,在3000m范围内,每升高12m,大气压会减少1mmHg,约133Pa。
那么一个标准大气压在人体上是一个什么压强呢?通俗的说,就是在人体上每平方厘米有1公斤的压力。有人会说这还得了,一个成人表面积约1.5~2个m^2,也就是1.5~2万cm^2,每平方1kg压力,整个身体不就承受了15吨到20吨压力了吗?
是的,这个算法没有错。气压是均匀的压在人体每一个平方厘米上,地球上所有生命是在几十亿年的进化中适应这种气压而生存的,人类也是承受这种重压经过百万年以上的进化过来的。进化的结果,就是内外压差平衡,我们体内形成1kg/cm^2的压力,与体外大气压力形成了一个平衡,这样就感受不到压力。相反没有了这些压力,人类还活不了了。
人类承受低气压的极限。
一般认为,人类低气压承受极限为海拔9000米高空气压,这个地方的温度约-45℃,大气密度为0.4671kg/m^3,大气压强为30725Pa。也就是说,这个海拔高度的大气密度只有海平面15℃情况下,1.2257kg/m^3的约38%,压强只有海平面气压101325Pa的30%。我们忽略这种高海拔氧气不足和极度寒冷对人体的伤害,或许可以通过吸氧和保暖来解决,但单就气压本身来说,人就承受不了了。
这时,人体里面的压力为1kg/cm^2,而外面只有0.3kg/cm^2,人体无法承受的。因此飞行员在高空飞行时,要穿抗压服对抗体外低压,或者座舱通过加压来抵御这种低压。
海拔9000米,只是受过特殊训练的人承受的低压极限,对于一般正常人,在海拔2400米以下时没有明显反应,超过这个高度就开始有高原反应了,超过3000米就开始明显反应,这时的气压还相当海平面的70%。而到了5500米,高原反应就是一般人承受极限了,6000米以上只能是专业攀登者们的领地了。当然高原反应还包括缺氧,充足的吸氧可以缓解缺氧带来的高原反应,但无法解决低气压带来的身体变化。
而在真空状态,比如在月球表面,气压约为10^-14Pa,也就是约100万亿分之一帕,是一种高度真空状态。在这样的极低气压下,人一般会在10秒左右失去知觉,1分钟左右死亡。
死亡原因是:由于人体内外压差悬殊,血液中和体液中会产生气泡,出现沸腾现象,肺部最先破裂受损,氮气从血液中溢出,呼吸和神经系统受损,随之细胞破裂,体液迸裂而出,死得很惨。这里忽略了在月球会被高温烤死、低温冻死、无氧憋死、射线晒死等其他因素。因此人类航天探索在真空环境必须穿着宇航服,宇航服具有供氧、抗压、耐寒耐热、防辐射的功能。
人体能承受高压的极限。
研究认为,人体能够承受的最大压力为18个大气压,也就是1.82MPa的压力。人体表面能够承受的压力极限为每平方厘米18kg,是四周均匀用力的前提下,大气压就是这种特性。这样,一个人可以承受来自四面八方均匀压在身上270~360吨的压力。
有人可能不理解这种压力,我们可以用一个鸡蛋来类比。你用两个手指捏鸡蛋,随便一捏就碎了,这是在压力不均衡状态下,物体承受能力大大削弱;而如果用手掌均匀地包裹鸡蛋,使劲握,如果握得非常均匀的话,可能穷尽你的力气也握不碎。
当然,承受这种压力极限,并不是每个人都能够承受的,经过特殊适应性训练的肯定承受能力要强很多。世界最深徒手潜水纪录为105米,简易装备潜水纪录为332米。在水中,每深10米,约增加一个大气压,因此潜水员创纪录所承受的压力在10~30个大气压强。
研究认为,人的骨头能承受2100kg/cm^2的压力,也就是212782500Pa,约213MPa大气压强,因此具有较大的抗压支撑能力,这对于人体能够承受较大重力加速度起到重要作用。重力加速度虽然不能类比大气压强,其受压面一般只来自人体的一面,但也可以从一个侧面了解人体抗压能力。
受过训练的飞行员可以承受14~15G的重力加速度,也就是约承受自身重量14~15倍的压力。研究表明,人体承受重力加速度的极限是31.25G,但未经训练的普通人,在承受6G时就会失去知觉。
1个大气压是人类最适应的环境。
从上述介绍,我们可以看出,人体的气压承受能力伸缩空间还是很大的。而人类是在地球1个大气压左右进化和生存生长的,因此在1个大气压左右的环境下才是最舒适的,在高气压和低气压环境就不舒适,差距大了就会难受,再大就可能导致死亡。
因此一些人常说有外星人来到地球,除非这些外星人来自地球差不多的环境,如重力、气压、温度等等,否则来到地球就是受罪,甚至无法存活。而迄今的所有的科学探索,并没有发现宇宙中存在和地球环境一样的星球。
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