Физика погружения

Атмосферное давление
С самого рождения мы живем на дне воздушного океана, который называется атмосферой.
Воздушная оболочка, толщиной около 1000 км, давит на земную поверхность с силой в
760 мм рт.ст., что впервые определил итальянский ученый Торичелли в 1642 г. Это
давление, равное столбу воды высотой 10,33 м называется нормальным атмосферным
давлением (атм). В зависимости от величины поверхности тела (1,7-1,8 м2) воздух давит
на человека с силой равной 17-18 тонн. Мы не чувствуем этого давления, так как оно
уравновешивается изнутри равным ему противодавлением воздуха. Кроме того, наше тело
состоит на 69-70% из жидких тканей, которые практически при давлении, в
интересующих нас пределах, не сжимаются (плазма крови - 5 л, лимфа 2,5 л,
межклеточная жидкость - 10 л, внутриклеточная жидкость - 30 л и спинномозговая
жидкость - 120-150 мл).
В атмосферных условиях мы хорошо ориентируемся в пространстве. У нас имеются
внешние анализаторы надежно сигнализирующие о свойствах предметов и явлений, а
также о воздействии их на организм. Это органы зрения, слуха, осязания, положения тела,
боли, обоняния, вкуса, восприятия тепла и холода.
Физические и химические свойства воды
Вода - это самый распространенный на Земле минерал. Объем воды только в Мировом
океане составляет 1370 млн км3. Химическая сущность воды - оксид водорода (Н2О).
Вода обладает уникальными физико-химическими свойствами, которые отличают ее от
всех известных человеку веществ. Она может быть в трех состояниях (пар, вода, лед). При
температуре 1000С вода преобразуется в пар, объем которого в 1650 раз больше объема
испарившейся воды. При образовании льда, при температуре О0С, вода также
расширяется, вследствие чего лед становится легче воды и остается на плаву.
Вода, в интересующих нас пределах, до глубин 1000 метров, практически несжимаема. Но
под давлением 200 кгс/см2 и более она уменьшается в объеме на 1%. Если бы вода не
сжималась вообще, то уровень Мирового океана поднялся бы на 25 метров.
Плотность воды в 775 раз больше плотности воздуха. Наибольшая плотность воды, а
следовательно, наиболее тяжелая по весу вода, наблюдается при температуре 40С.
Поэтому на больших глубинах, куда опускается наиболее тяжелая вода, температура
всегда 40С.
Большое сопротивление движению в воде создается вследствие того, что вода
несжимаема, а тело при перемещении сталкиваясь с частицами воды, передает им часть
своей энергии. Кроме того, при движении в воде создаются течения, преимущественно
вихревого характера, на создание которых также расходуется энергия. При сильном
течении передвижение водолаза по грунту против течения становится невозможным.
При плавании под водой со скоростью 15-24,5 м/мин аквалангист может плавать без
явлений переутомления в течение 3-4 часов. При увеличении скорости плавания до 24,630,5 м/мин время плавания сокращается до 2-х часов, а при скоростном плавании 30,6-43,2
м/мин - до 1 часа. При скорости встречного течения более одного узла плавание вообще
не эффективно.
Вода является универсальным растворителем и окислителем. Как морская вода, так и
пресная вода содержат в себе соли. Содержание солей в морской воде зависит от
количества впадающих в море рек. В Средиземном море на 1 л приходится 37 г солей. В
Тихом, Атлантическом и Индийском океанах равно по 35 г на 1 л воды. В Черном море, в
верхних слоях, до 20 г. в 1 л., а в Балтийском море вода является почти пресной. В 1 л.
этой воды содержится всего лишь от 3 до 8 г солей.
Во время войны в 1944 году при переходе на тендерах из Кронштадта в Таллинн мы были
вынуждены в течение 15 дней готовить пищу на морской воде и пища не казалась нам
пересоленой. В морской воде соли состоят, главным образом, из хлористого натрия, солей
магния, кальция и др.
При атмосферном давлении и при температуре 380С в 100 см3 воды растворяется 2,37 см2
кислорода, 55,5 см3 углекислого газа и 1,2 см3 азота.
Плавучесть и остойчивость водолаза
С погружением на глубину на водолаза действует дополнительное давление воды. С
погружением на каждые 10 метров давление воды увеличивается на 1 кгс/см2 (0,1 МПа).
При вертикальном положении водолаза гидростатическое давление на ноги в зависимости
от роста, будет больше на 0,17-0,2 кгс/см2, чем на голову водолаза. Это обстоятельство
приводит к обжатию ног нарушению кровообращения и быстрому их охлаждению.
В соответствии с законом Архимеда при погружении под воду на водолаза будут
действовать две силы: сила тяжести, направленная сверху вниз, и сила плавучести,
направленная снизу вверх.
Сила плавучести равна массе объема воды, вытесненной водолазом, а сила тяжести равна
весу водолаза. Водолаз вытесняет большое количество воды и поэтому без груза не может
погружаться на глубину.
Точка приложения силы тяжести называется центром тяжести, а точка приложения силы
плавучести - центром плавучести.
Способность сохранять под водой удобное для работы положение, а при отклонении от
него легко к нему возвращаться называется остойчивостью. Водолазы, спускающиеся в
вентилируемом снаряжении, для сохранения остойчивости должны грузы размещать так,
чтобы центр тяжести и центр плавучести располагались на одной вертикали. При этом
центр плавучести должен быть на 20 см. выше центра тяжести. Если водолазные грузы
будут расположены выше центра плавучести, то водолаз может опрокинуться вниз
головой, что чревато выбрасыванием его на поверхность. Если водолазные грузы
расположены очень низко, то у него возникают трудности при работе, так как ему
приходится много тратить сил на преодоление плавучести при наклонах. Водолаз в этом
случае напоминает детскую игрушку "Ванька-встанька".
Особенно опасным является потеря обеих свинцовых галош в илистом грунте. При этом
центр тяжести может быстро оказаться выше центра плавучести. Как только водолаз
наклонится, он под действием силы тяжести и силы плавучести, начнет опрокидываться
до тех пор, пока центр тяжести не расположится ниже центра плавучести. В этом случае
воздух переместится в штанины скафандра и водолаза выбросит на поверхность. Если при
этом глубина была большой, то у водолаза может возникнуть декомпрессионная болезнь,
а при задержке дыхания во время быстрого всплытия - баротравма легких.
При спуске в вентилируемом снаряжении сопротивление передвижению, кроме большой
плотности воды, будут оказывать ил, неровности грунта, встречное течение, излишне
длинные воздушный шланг, сигнальный конец, телефонный кабель и т.п. Для успешной
работы под водой водолаз должен быть не только физически выносливым, но иметь
определенные навыки по рациональному использованию положительной плавучести
снаряжения при передвижении под водой. Опытные водолазы, умело манипулируя своей
плавучестью могут легко передвигаться, совершая гигантские прыжки под водой. В
случае прекращения подачи воздуха в вентилируемое снаряжение и одновременного
стравливания воздуха, в шлеме скафандра создается разрежение. При этом кровь и другие
жидкие ткани под влиянием более высокого давления на туловище и конечности водолаза
перемещаются в области головы и шеи. Значительная разница в давлениях приводит к
общему обжиму.
Для сохранения пловцом-подводником горизонтального положения необходимо
учитывать вес различных частей тела, а также плотности тела при полном вдохе и полном
выдохе.
Вес частей тела среднего человека:
Голова - 5,4 кг
Туловище - 35,4 кг
Руки - 9,7 кг
Ноги - 20,5 кг
Всего 71 кг
Плотность тела человека (г/см3) при полном вдохе 0,94-0,99, а при полном выдохе 1,021,06. Плотность морской воды 1,02-1,03 (плотность дистиллированной воды при t = 40С 1,00).
Таким образом, плотность тела человека близка к плотности воды. Для того, чтобы
пловцу-подводнику сохранить остойчивость в горизонтальном положении, ему
достаточно иметь на лице объемную маску с дыхательной трубкой и ласты. В состоянии
невесомости он будет "парить" в толще воды свободно, как птица в небе.
При использовании плавательного снаряжения в комплекте с аквалангом и
гидрокостюмом груз должен создавать водолазу нулевую плавучесть и располагаться на
поясе. В случае смещения груза в сторону головы водолаз при плавании будет вынужден
преодолевать силы, которые направлены на погружение. При смещении пояса с грузом
вниз пловцу-подводнику придется преодолевать силы, которые направлены на всплытие.
Распространение света и видимость в воде
Скорость распространения света в воздухе около 300000 км/сек. Свет распространяется в
воде значительно хуже, чем в воздухе. Так, если в воздухе, при ясной погоде, поглощается
всего лишь 5-10% света на 1 км пути, то даже в самой прозрачной воде поглощается
значительно больший процент на протяжении одного метра. Дело в том, что в воздухе
приходится считаться только с законом уменьшения освещенности пропорционально
квадрату расстояния от источника света до освещаемой поверхности, а в воде необходимо
учитывать и поглощение света, которое в этих условиях имеет огромное значение. Даже в
водопроводной воде на 1 м расстояния поглощается более 25% света, в озерной воде свыше 50%, в воде рек, а также у берегов морей, особенно после шторма, поглощение
лучистой энергии увеличивается до 85-95%. Поглощение световой энергии
осуществляется разными путями. Часть энергии, проходя через воду, превращается в
другие виды энергии, например, в тепловую. На степень видимости предметов в воде еще
большее влияние, чем поглощение света, оказывает рассеивание световой энергии. Это
обусловлено, главным образом, количеством взвешенных частиц.
Помимо поглощения и рассеивания существенное значение имеет отражение световых
лучей. При переходе лучистой энергии из воздушной в водную среду часть световых
лучей отражается поверхностным слоем воды. Степень отражения находится в
зависимости от угла падения световых лучей. Чем больше угол падения лучей, тем
больше степень их отражения от поверхности воды. Так, когда высота стояния солнца
значительна (90 - 60 ) и угол падения световых лучей невелик (30 и менее), то от
поверхности воды отражается всего 2% лучей.
При высоте стояния солнца менее 30 и увеличении угла падения солнечных лучей более
60 количество отраженных лучей увеличивается, достигая 21,2%.
Поглощение лучей с различной длиной волны идет неравномерно. Длинноволновая часть
видимого спектра (красные лучи) почти полностью поглощаются поверхностными слоями
воды. Зеленые лучи могут проникать на глубину до 100 м. Коротковолновая часть
(фиолетовые лучи) в прозрачной воде может проникать на глубины до 1000-1500 м.
В воде морей, которая менее прозрачна, чем океанская, видимость предметов, при
естественном освещении, прекращается на глубине в 40-60 м, что связано в первую
очередь с обилием взвешенных частиц ("голубая пелена"). Рябь или волна резко
ухудшают видимость в воде. В воде резко ухудшается также цветоощущение. Особенно
плохо воспринимаются синий и зеленые цвета, которые близки к естественной окраске
воды. Лучше всего под водой различают белый и оранжевые цвета. В каждом море, в
зависимости от прозрачности воды, видимость будет разной. Так, например, в
Саргассовом море, где очень прозрачная вода, видимость около 50-60 м. В Черном море,
вдали от берегов, - 28-30 м, в Белом море - до глубины 20 м, а в Балтийском море
видимость не превышает глубин 7-13 м.
Зрение под водой
Световые лучи, прежде чем достигнуть сетчатки глаза, проходят через ряд преломляющих
сред - роговицу, влагу передней камеры глаза, хрусталик и стекловидное тело. Эти
преломляющие среды имеют коэффициент преломления от 1,336 до 1,406.
В воде преломляющая сила глаза резко уменьшается, так как показатель преломления
воды (1,33) очень приближается к показателю преломления роговицы (1,376).
При непосредственном соприкосновении с водой, из-за отсутствия преломляющей силы,
глаз становится гиперметропическим (дальнозорким) и все предметы проецируются на
сетчатке в кругах светорассеяния. Поэтому острота зрения резко ухудшается - в 100-200
раз. Если в воздушной среде на расстоянии 50 см от глаза, человек способен различать
нити толщиной около 0,05 мм, то в воде остаются невидимыми все предметы, толщина
которых менее 3-5 мм.
При наличии воздушной прослойки между глазами и водой преломляющая сила глаза
сохраняется полностью. Пространственное зрение в воде при этом имеет свои
особенности. Световой луч, переходя из водной среды в воздушную, преломляется так,
что предметы, находящиеся в воде, воспринимаются не на своих местах. Они кажутся
ближе и крупнее, чем это есть в действительности, приблизительно на 25%. Этим
объясняется, что начинающему подводному охотнику бывает, на первых порах, сложно
попасть при стрельбе в рыбу. А после выхода из воды кажется странным, что убитая рыба
на поверхности оказалась значительно меньше по величине, чем это было под водой.
Распространение звука и слух под водой
В противоположность свету, звук в воде поглощается в сотни раз меньше, чем в воздухе.
Звук в морской воде распространяется со скоростью 1510-1550 м в 1 с, что в 4,5 раза
превышает скорость распространения звука в воздухе (340 м в 1 с). Звуки, издаваемые в
воздушной среде, практически не переходят в водную среду, так как 99,9% звуковой
энергии отражается от поверхности воды. Звуки, воспроизводимые под водой, также резко
ослабляются при переходе в воздушную среду.
Существует два способа проведения звуковых волн к внутреннему уху: путем воздушной
и путем костной проводимости, которая на 40% ниже воздушной. На поверхности у
людей воздушная проводимость преобладает над костной. При погружении под воду без
снаряжения на первое место выступает костная проводимость, это объясняется тем, что
акустическое сопротивление тканей организма и акустическое сопротивление воды
близки по своим величинам.
При спусках под воду в водолазном снаряжении могут преобладать тот или иной способ
проведения звука. При работе под водой в вентилируемом снаряжении, когда голова
водолаза находится в медном объемном шлеме, звук воспринимается путем воздушной
проводимости. Если же голова водолаза непосредственно соприкасается с водой или же
имеется резиновый облегающий шлем, то звук передается в основном посредством
костной проводимости.
При работе в вентилируемом снаряжении звуковая волна, при переходе из воды через
металл в подшлемное пространство, теряет часть энергии вследствие отражения звука. Но
больше хорошему восприятию звука мешает шум подаваемого и стравливаемого из шлема
воздуха.
Определить направление звука в воде сложно. В воздушной среде звук приходит в правое
и в левое ухо с разницей в 0,00003 с, что мы легко различаем. В воде, где скорость звука в
4,5 раза быстрее, нам кажется, что звук приходит в оба уха одновременно. В случае
использования плавательного снаряжения еще сложнее определить направление звука. За
счет костной проводимости "звучит вся голова". Специальные исследования показали, что
величина ошибки при поиске генератора звука достигает 80-1000, а в отдельных случаях и
1800.
Потеря ориентировки под водой, а следовательно и потеря времени, необходимого для
выхода на поверхность, является одной из наиболее частых причин гибели как
неорганизованных любителей подводной охоты, так и аквалангистов, совершающих
спуски под лед. Вот один из типичных примеров гибели аквалангистов при потере
ориентации под водой.
Зимой на озере "Отрадном" аквалангисты после спуска под лед развели костер с целью
обогреться и подкрепиться. Но двоим захотелось еще раз спуститься под лед. Под воду
они пошли без сигнальных концов. Через некоторое время товарищи забеспокоились их
отсутствием и стали подавать сигналы, стуча гаечным ключом по баллону, опущенному
на половину под воду. Все было безрезультатным - аквалангисты не смогли по звуку
определить правильное направление для выхода из воды. (Некоторые по наивности,
плавая подо льдом, полагают что тонкий лед можно легко взломать изнутри. Если у
пловца нет опоры о грунт, то он даже тонкий лед взломать не сможет).
Переохлаждение водолаза в воде
При погружении в воду значительно возрастают теплопотери, так как теплоемкость воды
в 4,2 раза больше теплоемкости воздуха, а теплопроводность в 28,7 раза больше
теплопроводности воздуха. Вода отбирает, примерно, в 14 раз больше тепла, чем воздух
той же температуры. При попадании большого количества холодной воды под
гидрокомбинезон интенсивные теплопотери могут привести к холодовому шоку. При
глубоководных спусках с дыханием газовыми смесями, содержащими гелий, для
профилактики переохлаждения недостаточно одежды с высокими теплозащитными
свойствами - необходим обогрев тела и обязательный подогрев гелиокислородной смеси
до температуры тела.
При охлаждении у водолазов понижается болевая чувствительность и они не замечают
иногда глубокие порезы рук, полученные под водой.
Ориентирование под водой
На поверхности человек ориентируется с помощью зрения, а равновесие тела
поддерживается с помощью вестибулярного аппарата, мышечно-суставного чувства и
ощущений, возникающих во внутренних органах и коже при изменении положения тела.
При плавании под водой человек лишен привычной опоры. В этих условиях из органов
чувств, ориентирующих человека в пространстве, иногда остается только вестибулярный
аппарат.
При использовании плавательного снаряжения водолаз находится в относительной
невесомости и ему, в случае голубой пелены, бывает сложно определить, где верх и где
низ. Если же в наружный слуховой проход попала холодная вода и возникла калорическая
реакция с явлениями головокружения и тошноты, то возникает полная потеря
орентировки в пространстве, так как вестибулярный аппарат выведен из строя.
Интересно отметить, что трижды Герой Советского Союза летчик-истребитель
А.И.Покрышкин после того, как совершил свой первый водолазный спуск на Черном море
в Балаклаве, заметил, что профессия водолаза более опасная, чем профессия летчика.
Барьеры на пути человека в бездну
По мере погружения человека (водолаза, водолаза-глубоководника, акванавта) на очень
большие глубины (300-400-500 метров) усложняются условия его пребывания и работы
под водой, а также возможности возвращения к нормальной жизни при атмосферном
давлении. Все как в сказке, чем глубже - тем страшнее. Царь морей Нептун для охраны
сокровищ, которыми сказочно богат океан, создал глубоко эшелонированную оборону. В
течение всего времени пребывания под водой на человека действует нарастающее с
глубиной давление и охлаждающее действие воды.
Почти через каждые 10, 20, 50 метров водолаз встречает все новые и новые барьеры,
препятствующие его работе под водой и дальнейшему погружению на глубину. Если
водолаз не умеет выравнивать давление в полости среднего уха, он на первых же метрах
спуска получает предупреждающую "оплеуху" в виде баротравмы среднего уха. При
несвоевременном выдохе носом под маску пловец-подводник получит местный обжим.
Неправильная регуляция воздуха в вентилируемом снаряжении или обрыв шланга может
привести к общему обжиму. Если же водолаз погружается в кислородном снаряжении, то
на 20-ти метровой глубине у него уже могут возникнуть судороги в результате
кислородного отравления. При спуске в вентилируемом снаряжении на глубинах 60 и
более метров водолаза подстерегает азотный наркоз, который делает водолаза
неработоспособным. При погружении в гелиокислородном снаряжении на глубине 200
метров возникает гелиевый наркоз, при котором водолаз, ясно соображая, практически не
в состоянии выполнять физическую работу. При быстром погружении на глубинах 250300 метров, а при медленном погружении на глубине 450-500 метров, на водолаза
действует целый комплекс физических и физиологических, в том числе, наркотических, а
также токсических факторов, которые принято называть "Нервным синдромом высокого
давления" (НСВД). На глубине 500-600 метров появляется новый барьер, связанный с
затруднением дыхания, так как плотность дыхательной газовой смеси на этих глубинах
превышает плотность атмосферного воздуха более чем в 20 раз. Дыхание становится
работой средней тяжести. Нарушается носовое дыхание и акванавты в барокамере при
длительном пребывании испытывают затруднение при приеме пищи. Человеку сложно
после длительного пребывания на глубине быстро возвратиться снова на землю в
атмосферные условия.
При снижении давления Нептун может активно препятствовать безопасному
возвращению своих пленников на поверхность. Одна из "расплат при выходе" - это
декомпрессионная болезнь. После дыхания гелиокислородной смесью может возникнуть
Меньеровский синдром. При задержке дыхания во время быстрого всплытия - баротравма
легких. При снижении парциального давления кислорода появляется опасность
кислородного голодания, а при плохой очистке выдыхаемой газовой смеси - отравление
углекислым газом. При нарушении герметичности снаряжения может быть
переохлаждение и утопление.
Кроме того, каждое погружение является своебразным стрессом, так как связано с
опасностью и определенным нервно-психическим напряжением. Поэтому не удивительно,
что американский астронавт Скотт Карпентер, который 30 суток жил и работал на глубине
76 метров в лаборатории "Силаб-2", сделал заключение о том, что водная среда
агрессивнее, чем космос.