Žirafes pamanāmākā atšķirība ir tās ļoti garais kakls, kas ļauj žirafei aizsniegt zarus līdz 5 metru augstumam. Žirafes kakls var sasniegt apmēram pusi no visa žirafes augstuma. Žirafes sirds atrodas apmēram 2,5 m augstumā virs zemes. Asinsspiediena augšējā robeža dzīvnieka smadzenēs ir apmēram 13 kPa, bet sirdī – 35 kPa.
Divi skolēni mēģināja skaidrot šīs asinsspiediena atšķirības no fizikas viedokļa. Pirmais skolēns domāja, ka atšķirības rodas atmosfēras spiediena starpības dēļ, jo gaisa spiediens ir zemāks lielākā augstumā. Savukārt otrais skolēns pieņēma, ka asinsvadus žirafes kaklā var uzskatīt par asins „stabu”. Viņš domā, ka asinsspiediena atšķirības ir atkarīgas no asins „staba” spiediena žirafes garajā kaklā. Gaisa blīvums pie zemes virsmas ir 1,3 kg/m3 . Asins blīvums ir 1050 kg/m3 . Brīvās krišanas paātrinājums ir 9,8 m/s2 . Novērtē abu minēto faktoru ietekmi! Pamato atbildi ar aprēķiniem!
1. variants:
Dzīvnieka sirds nodrošina asins plūsmu līdz galvai. Žirafes kaklu var uzskatīt par vertikālu trauku, kurā asins stabs rada hidrostatisko spiedienu. Spiedienu starpību \(\Delta p_{\mathrm{as}}\) žirafes kaklā starp sirdi un galvu aprēķina \(\Delta p_{\mathrm{as}}=\rho_{\mathrm{as}}g\Delta h\), kur \(\rho_{\mathrm{as}}\)– asins blīvums, \(\Delta h\) – augstumu starpība. Pēc uzdevuma teksta, spiedienu starpība žirafes kaklā \(\Delta p_{\mathrm{as}}=35-13=22\space \mathrm{kPa}\).
Atmosfēras spiediena starpību \(\Delta p_{\mathrm{g}}\) tādai pašai augstuma starpībai \(\Delta h\) var noteikt līdzīgi \(\Delta p_{\mathrm{g}}=\rho_{\mathrm{g}}g\Delta h\), kur \(\rho_{\mathrm{g}}\) – gaisa blīvums.
Aprēķini:
\(\Delta p_{\mathrm{as}}=\rho_{\mathrm{as}}g\Delta h=1050\cdot9,8\cdot2,5\approx26\space \mathrm{kPa}\);
\(\Delta p_{\mathrm{g}}=\rho g\Delta h=1,3\cdot9,8\cdot2,5\approx 32\space \mathrm{Pa}\).
Atbilde: Asins staba radītā spiediena izmaiņa ir daudzkārt lielāka, nekā atmosfēras spiediena izmaiņa (atmosfēras spiediena izmaiņa, augstumam mainoties par 2,5 m, ir nenozīmīga).
2.variants:
Abos gadījumos spiediena izmaiņu žirafes kaklā aprēķina pēc vienas un tās pašas formulas \(\Delta p=\rho g\Delta h\).
Vienā gadījumā spiedienu rada asinis, bet otrā gadījumā gaiss. Tā kā abos gadījumos lielumi \(g\) un \(\Delta h\) ir vieni un tie paši, tad spiedienu attiecību nosaka vienīgi blīvumu attiecība \(\frac{\rho_{\mathrm{as}}}{\rho_{\mathrm{g}}}=\frac{1050}{1,3}\approx 800\).
Atbilde: Asinis rada ap 800 reižu lielāku spiedienu, nekā gaiss.
Uzdevuma izpilde eksāmenā - 21%.
Vērtēšanas kritēriji
Aprēķina asins staba radīto spiedienu uz 2,5 m pēc formulas vai mērījumiem – 1 punkts.
Aprēķina atmosfēras spiediena starpību uz 2,5 m – 1 punkts.
Secina par atmosfēras spiediena un asins staba radītā spiediena attiecību sirdī un smadzenēs – 1 punkts.
Piezīme: ja skolēna risinājums atšķirās no autoru piedāvātā risinājuma pirmā varianta, tika vērtēta skolēna prasme savā risinājumā ar fizikas likumsakarībām secīgi pamatot uzdevumā minēto faktoru ietekmi.
Skolēnu risinājumu un to vērtējumu piemēri
1. piemērs: risinājums novērtēts ar 2 punktiem (par aprēķināto asins staba radīto spiedienu uz 2,5 m pēc formulas un secinājumu par atmosfēras spiediena un asins staba radītā spiediena attiecību sirdī un smadzenēs).
2. piemērs: risinājums novērtēts ar 2 punktiem (nav skaidrs, kāpēc spriedumā autors operē ar jēdzienu "asins tilpums").
3. piemērs: risinājums novērtēts ar 1 punktu (spriedums nav pamatots ar formulām).
4. piemērs: risinājums novērtēts ar 0 punktiem.
