Замкнутая система - уникальное понятие в физике, позволяющее абстрагироваться от внешних воздействий и сосредоточиться на внутренних процессах группы тел. Это ключ к пониманию фундаментальных законов природы в их чистом виде.
Определение замкнутой системы
Замкнутая система определяется как совокупность физических тел, у которых отсутствует взаимодействие с телами вне этой системы. Иными словами, это изолированная группа объектов, замкнутая на себя.
Замкнутая система тел в механике — совокупность физических тел, у которых взаимодействия с внешними телами отсутствуют.
В реальности абсолютно замкнутых систем не существует, поскольку полностью экранировать любую систему от внешних воздействий невозможно. Поэтому замкнутая система - это всегда идеализированная модель.
Свойства замкнутой системы
Основными свойствами замкнутой системы являются:
- Отсутствие обмена веществом, энергией и информацией с внешней средой
- Выполнение законов сохранения (импульса, энергии, момента импульса и др.)
- Возможность изучения фундаментальных законов природы в чистом виде
Благодаря этим свойствам замкнутые системы играют важную роль в физических исследованиях. Они позволяют абстрагироваться от «шума» внешних воздействий и сосредоточиться на изучаемых процессах.
Примеры замкнутых систем
Рассмотрим несколько примеров приближенно замкнутых систем:
- Модель столкновения шайбы и биты в хоккее или бильярдном столе
- Группа тел, движущихся без трения
- Замкнутое пространство космического корабля
В этих системах мы можем с достаточной степенью точности пренебречь внешними воздействиями и рассматривать только внутренние процессы.
Законы сохранения в замкнутой системе
Как уже отмечалось, в замкнутых системах выполняются законы сохранения. Рассмотрим проявление некоторых из них.
Согласно закону сохранения импульса, общий импульс замкнутой системы тел остается постоянным. Например, если одно тело передает часть своего импульса другому в процессе соударения, то импульс второго возрастет ровно на эту величину.
Аналогично, полная механическая энергия замкнутой системы не изменяется со временем. Энергия может переходить из одной формы в другую (кинетическая в потенциальную), но ее полное количество остается постоянным.
Так проявляют себя в замкнутой системе важнейшие законы сохранения природы. Их изучение помогает глубже понять устройство окружающего мира.
Система замкнутого дыхания аквалангистов
Одним из примеров реально используемых замкнутых систем является система замкнутого дыхания аквалангистов. Она представляет собой автономную систему подачи аквалангисту газовой смеси, необходимой для дыхания под водой.
В состав такой системы входит баллон со сжатым воздухом или газовыми смесями, редуктор для понижения давления газа до оптимального уровня, мундштук и шланг для подачи газа аквалангисту.
Регулирование давления и расхода газа
Редуктор в системе замкнутого дыхания выполняет две важные функции - регулирование давления и расхода подаваемой газовой смеси. Оптимальное давление на глубине погружения обеспечивает комфортное дыхания и исключает риски для здоровья водолаза.
Состав газовых смесей
В качестве дыхательной смеси обычно используется сжатый воздух или смеси на основе азота, кислорода и гелия в различных пропорциях. Состав смеси выбирается в зависимости от глубины и продолжительности погружения.
Поддержание гомеостаза организма
Благодаря замкнутой системе дыхания организм водолаза получает необходимое количество кислорода и избавляется от углекислого газа даже на больших глубинах. Это позволяет сохранять нормальный гомеостаз и работоспособность под водой.
Опасность кессонной болезни
Однако резкое всплытие на поверхность из среды повышенного давления может привести к кессонной болезни из-за образования пузырьков азота в крови и тканях организма. Поэтому очень важна правильная декомпрессия после глубоководных погружений.
Требования к системам замкнутого дыхания
Для обеспечения безопасности водолазных работ системы замкнутого дыхания должны отвечать ряду жестких требований и регулярно проходить техническое обслуживание.
Важнейшие требования включают:
- Высокая надежность и износостойкость элементов системы
- Дублирование критических компонентов
- Точность поддержания давления газа
- Контроль состава дыхательной смеси
- Автоматическое отключение подачи газа при падении давления
Перспективы развития технологий
Ведутся работы по усовершенствованию систем замкнутого дыхания с целью расширения возможностей для водолазных спусков на большие глубины, увеличения времени пребывания под водой.
Одним из многообещающих направлений является частично замкнутая система дыхания, при которой выдыхаемый воздух не выбрасывается полностью, а частично возвращается в контур дыхания после регенерации.
Применение в космонавтике
Аналогичный принцип замкнутой экосистемы используется в системах жизнеобеспечения орбитальных станций и космических кораблей. Это позволяет поддерживать необходимый состав воздушной среды для экипажа в течение длительного времени автономного полета.
Медицинские респираторы
Принцип замкнутого контура также применяется в медицинских респираторах для искусственной вентиляции легких. Это повышает эффективность использования медицинских газов и защищает персонал от воздействия выдыхаемого пациентом воздуха.
