Какое давление со стороны воды испытывает
Содержание статьи
1.1. Водная среда и ее влияние на организм
Пребывание человека под водой в непривычной для
него среде имеет существенные особенности. Погружаясь
в воду, человек кроме атмосферного давления воздуха,
которое действует на поверхность воды, дополнительно
испытывает гидростатическое (избыточное) давление. Общее
(абсолютное) давление, измеряемое от нуля — полного
вакуума, которое фактически испытывает человек под водой:
или приближенно для пресной воды
Pa — где абсолютное давление воды, кгс/см²(1);
Pв — атмосферное давление воздуха, кгс/см²;
Ри — избыточное давление воды, кгс/см²;
Б — барометрическое давление воздуха, мм рт. ст.;
Y — удельный вес воды, кгс/м³;
H — глубина погружения, м.
Пример 1.1. Определить абсолютное давление воды, действующее
на пловца-подводника на глубине 40 м:
1) в море, если атмосферное (барометрическое) давление
760 мм рт. ст. и удельный вес морской воды 1025 кгс/м³;
2) в горном озере, если атмосферное давление 600 мм рт. ст.
и удельный вес пресной воды 1000 кгс/м³;
3) в равнинном водоеме с пресной водой, если атмосферное
давление 750 мм рт. ст.
Решение.
Абсолютное давление воды:
1) в море по (1.1)
2) в горном озере по (1.1)
3) в равнинном водоеме по (1.1)
или по (1.2)
Результаты примера показывают, что с достаточной для практики
точностью в большинстве случаев для расчетов можно использовать
приближенную формулу (1.2).
Абсолютное давление воды на человека значительно
увеличивается с глубиной погружения. Так, на глубине
10 м по сравнению с атмосферным давлением оно удваивается
и равно 2 кгс/см² (200 кПа), на глубине 20 м —
утраивается и т. д. Однако относительный прирост давления
с увеличением глубины уменьшается.
Как видно из табл. 1.1, наибольший относительный прирост
давления приходится на зону первых десяти метров
погружения. В этой критической зоне наблюдаются значительные
физиологические перегрузки, о которых не следует
забывать, особенно начинающим пловцам-подводникам
(см. 10.2).
Кровообращение под водой в силу неравномерного
гидростатического давления на различные участки
тела имеет свои особенности. Например, при вертикальном
положении человека среднего роста (170 см) в воде независимо
от глубины погружения его стопы будут испытывать
гидростатическое давление на 0,17 кгс/см² (17 кПа) больше, чем голова.
Таблица 1.1. Изменение давления воды в зависимости от глубины погружения
К верхним областям тела, где давление
меньше, кровь приливает (полнокровие), от нижних
областей тела, где давление больше, отливает (частичное
обескровливание). Такое перераспределение тока крови несколько
увеличивает нагрузку на сердце, которому приходится
преодолевать большее сопротивление движению
крови по сосудам.
При горизонтальном положении тела в воде разность
гидростатического давления на грудь и спину невелика —
всего 0,02…0,03 кгс/см² (2…3 кПа) и нагрузка на сердце
возрастает незначительно.
Дыхание под водой возможно, если внешнее давление
воды равно внутреннему давлению воздуха в системе
«легкие — дыхательный аппарат» (рис. 1.1). Несоблюдение
этого равенства затрудняет дыхание или делает
его вообще невозможным. Так, дыхание через трубку на
глубине 1 м при разности между внешним и внутренним
давлением 0,1 кгс/см² (10 кПа) требует большого напряжения
дыхательных мышц и долго продолжаться не может,
а на глубине 2 м дыхательные мышцы уже не в состоянии
преодолеть давление воды на грудную клетку(2).
Человек в покое на поверхности делает 12…24 дыхания
в минуту, и его легочная вентиляция (минутный объем
дыхания) составляет 6… 12 л/мин.
Рис. 1.1. График необходимого давления
воздуха в системе «легкие — дыхательный
аппарат» в зависимости от глубины
погружения:
1 — избыточное (по манометру) давление воздуха;
2 — абсолютное давление воздуха
В нормальных условиях при каждом вдохе-выдохе в
легких обменивается не более 1/6 всего находящегося в
них воздуха. Остальной воздух остается в альвеолах легких
и является той средой, где происходит газообмен с
кровью. Альвеолярный воздух имеет постоянный состав и
в отличие от атмосферного содержит 14% кислорода,
5,6% углекислого газа и 6,2% водяных паров (см. 1.2).
Даже незначительные изменения в его составе приводят
к физиологическим сдвигам, которые являются компенсаторной
защитой организма. При значительных изменениях
компенсаторная защита не будет справляться, в результате возникнут болезненные (патологические) состояния
(см. 10.5…10.8).
Не весь воздух, попадающий в организм, достигает легочных
альвеол, где происходит газообмен между кровью
и легкими. Часть воздуха заполняет дыхательные пути организма
(трахеи, бронхи) и не участвует в процессе газообмена.
При выдохе этот воздух удаляется, не достигнув
альвеол. При вдохе в альвеолы вначале поступает воздух,
который остался в дыхательных путях после выдоха
(обедненный кислородом, с повышенным содержанием углекислого
газа и водяных паров), а затем свежий
воздух.
Объем дыхательных путей организма, в которых воздух
увлажняется и согревается, но не участвует в газообмене,
составляет примерно 175 см³. При плавании с дыхательным
аппаратом(3) (дыхательной трубкой) общий объем
дыхательных путей (организма и аппарата) увеличивается
почти в два раза. При этом вентиляция альвеол ухудшается
и снижается работоспособность.
Интенсивные мышечные движения под водой требуют
большого расхода кислорода, что приводит к усилению
легочной вентиляции, в результате увеличивается скорость
потока воздуха в дыхательных путях организма и аппарата
(дыхательной трубки). При этом пропорционально
квадрату скорости потока воздуха возрастает сопротивление
дыханию. С увеличением плотности сжатого воздуха
соответственно глубине погружения сопротивление дыханию
также возрастает.
Сопротивление дыханию оказывает существенное влияние
на длительность и скорость плавания под водой.
Если сопротивление дыханию достигает 60…65 мм рт. ст.
(8…9 кПа), дышать становится трудно и дыхательные
мышцы быстро утомляются. Растягивая по времени фазу
вдоха и выдоха, можно уменьшить скорость потока воздуха
в дыхательных путях. Это приводит к некоторому
снижению легочной вентиляции, но в то же время заметно
уменьшает сопротивление дыханию.
Плавучесть. Вследствие большой плотности воды
человек, погружаясь в нее, находится в условиях, близких к состоянию невесомости. При выдохе средний удельный
вес человека находится в пределах 1020… 1060 кгс/м³
(10,2… 10,6 кН/м³) и наблюдается отрицательная плавучесть
1…2 кгс (10…20 Н) — разность между весом вытесненной
телом воды и его весом. При вдохе средний удельный
вес человека понижается до 970 кгс/м³ (9,7 кН/м³) и
появляется незначительная положительная плавучесть.
При плавании в гидрозащитной одежде за счет воздуха
в ее складках положительная плавучесть увеличивается,
что затрудняет погружение в воду. Плавучесть
можно отрегулировать с помощью грузов. Для плавания
под водой обычно создают незначительную отрицательную
плавучесть — 0,5… 1 кгс (5… 10 Н). Большая отрицательная
плавучесть требует постоянных активных движений
для удержания на нужной глубине и обычно создается
только при работах с опорой на грунт (объект).
Ориентирование под водой представляет определенные
трудности. На поверхности человек ориентируется
в окружающей среде с помощью зрения, а равновесие
тела его поддерживается с помощью вестибулярного
аппарата, мышечно-суставного чувства и ощущений, возникающих
во внутренних органах и коже при изменении
положения тела. Он все время испытывает действие силы
тяжести (чувство опоры) и воспринимает малейшее изменение
положения тела в пространстве.
При плавании под водой человек лишен привычной
опоры. В этих условиях из органов чувств, ориентирующих
человека в пространстве, остается вестибулярный аппарат,
на отолиты которого продолжают действовать силы земного
тяготения. Особенно затруднено ориентирование под
водой человека с нулевой плавучестью. Под водой пловец
с закрытыми глазами допускает ошибки в определении
положения тела в пространстве на угол 10…25°.
Большое значение для ориентирования под водой имеет
положение человека. Наиболее неблагоприятным считается
положение на спине с запрокинутой назад головой.
При попадании в слуховой проход холодной воды вследствие
раздражения вестибулярного аппарата у пловца появляется головокружение, затрудняется определение направления
и ошибка часто достигает 180°.
Для ориентирования под водой пловец вынужден использовать
внешние факторы, сигнализирующие о положении
тела в пространстве: движение пузырьков выдыхаемого
воздуха из аппарата, буйки и т. п. Большое значение для ориентирования под водой имеет тренировка
пловца.
Сопротивление воды оказывает заметное влияние
на скорость плавания. При плавании на поверхности
со скоростью 0,8… 1,7 м/с сопротивление движению тела
возрастает соответственно с 2,5 до 11,5 кгс (с 25 до
115 Н ). При плавании под водой сопротивление движению
меньше, так как пловец-подводник занимает более горизонтальное
положение и ему не надо периодически поднимать
голову из воды, чтобы сделать вдох. Кроме того,
под водой меньше тормозящая сила волн и завихрений,
возникающих в результате движений пловца. Опыт в бассейне
показывает, что один и тот же человек, проплывающий дистанцию 50 м брассом за 37,1 с, под водой проплывает то же расстояние за 32,2 с.
Средняя скорость плавания под водой в гидроодежде
с аппаратом 0,3…0,5 м/с. На коротких дистанциях хорошо
подготовленные пловцы могут развивать скорость 0,7..,
1 м/с, отлично подготовленные — до 1,5 м/с.
Охлаждение организма в воде протекает интенсивнее, чем на воздухе. Теплопроводность воды в 25 раз,
а теплоемкость в 4 раза больше, чем воздуха. Если на
воздухе при 4° С человек может без опасности для своего
здоровья находиться в течение 6 ч и при этом температуря
тела у него не понижается, то в воде при такой же температуре
незакаленный человек без защитной одежды в
большинстве случаев погибает от переохлаждения уже
спустя 30…60 мин. Охлаждение организма усиливается с
понижением температуры воды и при наличии течения.
В воздушной среде интенсивные теплопотери при температуре
воздуха 15…20° С происходят в результате излучения
(40…45%) и испарения (20…25%), а на долю теплоотдачи
с помощью проведения приходится лишь 30…35%.
В воде у человека без защитной одежды тепло в основном
теряется в результате проведения. На воздухе теплопотери
происходят с площади, составляющей около
75% поверхности тела, так как между соприкасающимися
поверхностями ног, рук и соответствующими областями
туловища существует теплообмен. В воде же теплопотери
происходят со всей поверхности тела.
Воздух, непосредственно соприкасающийся с кожей,
быстро нагревается
и фактически имеет более высокую
температуру, чем окружающий. Даже ветер не может
полностью удалить с кожи этот слой теплого воздуха. В
воде с ее большой удельной теплоемкостью и большой теплопроводностью
слой, прилегающий к телу, не успевает
нагреваться и легко вытесняется холодной водой. Поэтому
температура поверхности тела в воде понижается интенсивнее,
чем на воздухе. Кроме того, вследствие неравномерного
гидростатического давления воды нижние области
тела, которые испытывают большее давление, охлаждаются
больше и имеют температуру кожи ниже, чем верхние,
менее обжатые водой.
Тепловые ощущения организма на воздухе и в воде
при одной и той же температуре различны. В табл. 1.2
дана сравнительная характеристика ощущений человека
при одинаковой температуре воды и воздуха.
Таблица 1.2.
Тепловые ощущения организма на воздухе и в воде
Вследствие интенсивного охлаждения и обжатия гидростатическим
давлением кожная чувствительность в воде
понижается, болевые ощущения притупляются, поэтому
могут остаться незамеченными небольшие порезы и даже
раны.
При спусках под воду в гидрозащитной одежде температура
кожи понижается неравномерно. Наибольшее
падение температуры кожи отмечается в конечностях
(табл. 1.3).
Слышимость в воде ухудшается, так как звуки
под водой воспринимаются преимущественно путем костной
проводимости, которая на 40% ниже воздушной.
Дальность слышимости при костной проводимости зависит
от тональности звука: чем выше тон, тем лучше слышен
звук. Это имеет практическое значение для связи пловцов
между собой и с поверхностью.
При погружении в снаряжении с объемным шлемом
воздушная проводимость сохраняется почти полностью.
Таблица 1.3.
Средняя температура кожных покровов пловца-подводника
после пребывания в холодной воде (1…9°С) в гидрозащитной одежде в течение 2 ч
Звук в воде распространяется в 4,5 раза быстрее, чем
в атмосфере, поэтому под водой сигнал от источника
звука, расположенного сбоку, поступает в оба уха почти
одновременно, разница составляет менее 0,00-001 с. Столь
незначительная разница во времени поступления сигнала
недостаточно хорошо дифференцируется, и четкого пространственного
восприятия звука не происходит. Следовательно,
установить направление на источник звука под
водой человеку трудно.
Видимость в воде зависит от количества и состава
растворенных в ней веществ, взвешенных частиц, которые
рассеивают световые лучи. В мутной воде даже при
ясной солнечной погоде видимость почти отсутствует.
Глубина проникновения света в толщу воды зависит от
угла падения лучей и состояния водной поверхности.
Косые солнечные лучи, падающие на поверхность воды,
проникают на малую глубину, и большая часть их отражается
от поверхности воды. Слабая рябь или волна
резко ухудшают видимость в воде.
На глубине 10 м освещенность в 4 раза меньше, чем на
поверхности. На глубине 20 м освещенность уменьшается
в 8 раз, а на глубине 50 м — в несколько десятков раз.
Лучи с различной длиной волны поглощаются неравномерно. Длинноволновая часть видимого спектра (красные
лучи) почти полностью поглощается поверхностными слоями
воды. Коротковолновая часть (фиолетовые лучи) в
наиболее прозрачной океанской воде может проникать на
глубину не более 1000… 1500 м. Зеленые лучи не проникают
глубже 100 м.
Зрение под водой имеет свои особенности. Вода
обладает примерно такой же преломляющей способностью,
как и оптическая система глаза. Если пловец погружается
без маски, лучи света проходят через воду и попадают в
глаз, почти не преломляясь. При этом лучи сходятся не
у сетчатой оболочки, а значительно дальше, за ней. В результате
острота зрения ухудшается в 100…200 раз, а
поле зрения уменьшается, изображение предметов получается
неясным, расплывчатым, и человек становится как
бы дальнозорким.
При погружении пловца-подводника в маске световой
луч из воды преходит слой воздуха в маске, попадает в
глаз и преломляется в его оптической системе как
обычно. Но пловец-подводник при этом видит изображение
предмета несколько ближе и выше его действительного
местоположения. Сами же предметы кажутся под водой
значительно больше, чем в действительности. Опытные
пловцы приспосабливаются к этим особенностям зрения и
не испытывают затруднений.
Резко ухудшается в воде и цветоощущение. Особенно
плохо воспринимаются синий и зеленый цвета, которые
близки к естественной окраске воды, лучше всего — белый
и оранжевый.
(1) В системе СИ единицей силы является ньютон (Н), а единицей
давления — Н/м², которой присвоено наименование паскаль
(Па). В водолазной практике пока еще применяются единицы
силы — кгс и единицы давления — кгс/см², м вод. ст. и мм рт. ст.
Для пересчета используются соотношения: 1 кгс=9,80665 ЮН;
1 кгс/см²=9,80665 — 10 Па=100 кПа (килопаскаль) =0,1 МПа (мегапаскаль); 1 м вод. ст.=9806,65 Па=10 кПа; J мм рт. ст.= 133,322 Па = 0,13 кПа. — Прим. ред.
(2) Если считать площадь грудной клетки 6000 см², то на глубине
2 м (гидростатическое давление 0,2 кгс/см²) усилие со стороны
воды на грудную клетку составит 0,2 — 6000=1200 кгс (12 кН).
(3) Здесь и далее под дыхательными аппаратами подразумеваются
воздушно-дыхательные аппараты (прежнее название — воздушнобаллонные аппараты), автономные (акваланги), шланговые
и универсальные. — Прим. ред.
Вперед
Оглавление
Назад
Источник
Давление под водой в морских глубинах: как измерить
Со школьных лет всем известно, что вода плотнее воздуха. Из-за этого изменение давления под водой с погружением происходит быстрее, чем смена его при увеличении высоты. Так, при спуске на 10 метров происходит рост давления на одну атмосферу. В глубоких океанических впадинах, достигающих 10 тысяч метров, этот показатель составляет 1 тысячу атмосфер. Как узнать, как изменяется давление под водой и как оно влияет на живых существ, будет описано ниже.
Физические расчеты
Плотность соленой морской воды на 1-2% выше показателя пресной жидкости. Поэтому с определенной точностью можно высчитать, какое давление под водой, потому что при погружении на каждые 10 метров происходит его рост на одну атмосферу. К примеру, подводная лодка на глубине 100 метров испытывает давление в 10 атмосфер, что можно сравнить с показателями внутри парового котла в паровозе. Из этого следует, что каждому слою в море соответствует свой гидростатический показатель. Все подводные лодки снабжены манометрами, которые измеряют давление воды за бортом, на основании чего можно определить степень погружения.
На большой глубине становится заметной сжимаемость воды, поскольку ее плотность в глубоких слоях выше, чем на поверхности. И давление растет быстрее, чем по линейному закону, из-за чего график слегка отклоняется от прямой линии. Дополнительное давление, вызванное сжатием жидкости, увеличивается пропорционально квадрату. При спуске на 11 км оно составляет около 3% от всего давления на этой глубине.
Как исследуют моря и океаны
При изучении используются батискафы и батисферы. Батисфера — это стальной шар с пустотой внутри, который выдерживает очень высокое давление морских глубин. В стенку батисферы ставится иллюминатор — герметичное отверстие, закрытое прочными стеклами. Батисферу с исследователем опускают с корабля на стальном тросе до того слоя воды, который не может осветить прожектор. Благодаря этому приспособлению удавалось спуститься до 1 км. Батискафы с батисферой (укрепленной внизу большой цистерной из стали), которая заполнена бензином, может достигнуть еще большего погружения.
Поскольку плотность бензина меньше воды, подобная конструкция может перемещаться в море, словно дирижабль в воздухе. Вместо легкого газа используется бензин. При этом батискаф снабжен запасом балласта и двигателем, благодаря которому он, в отличии от батисферы, может перемещаться самостоятельно, не требуя связи с кораблем на поверхности.
Исследования давления под водой на глубине
Поначалу батискаф плавает по воде, словно всплывшая подводная ложка. Для начала погружения в пустые балластные отсеки вливается забортная вода, из-за чего конструкция начинает опускаться под воду все глубже и глубже, пока не достигнет дна. Для всплытия на поверхность выполняется сброс балласта, и без лишнего груза батискаф легко поднимается на поверхность.
Самое глубокое погружение с использованием батискафа было выполнено 23 января 1960 года, когда он пробыл 20 минут в Марианской впадине на глубине 10919 метров под водой, где давление составляло более 1150 атмосфер (расчет проводился с учетом повышения плотности жидкости из-за сжатия и солености). По итогу эксперимента исследователи обнаружили живых существ, обитающих даже в таких труднодоступных местах.
Давление воды
Ныряя, аквалангист или пловец сталкивается с гидростатическим давлением по всей поверхности тела, при этом оно превышает нормальные показатели его организма. Хотя тело водолаза может не соприкасаться с водой напрямую за счет резинового костюма, он сталкивается с тем же давлением, что оказывает влияние на тело пловца, поскольку воздух в скафандре требуется сжать с учетом показателей окружающей среды. Из-за этого даже подаваемый через шланг воздух для дыхания должен закачиваться с учетом давления воды на предполагаемой глубине. Тот же показатель обязан быть у воздуха, доставляемого из баллонов в маску аквалангиста. Таким образом, ныряльщикам приходится дышать воздухом с непривычными показателями.
Не поможет от давления и водолазный колокол или кессон, поскольку в нем следует сжать воздух, чтобы он не попал под колокол, то есть увеличить до показателей окружающей среды. По этой причине при постепенном погружении происходит постоянная подкачка воздуха с расчетом на давление воды на достигнутой глубине.
Высокие показатели плохо влияют на самочувствие и здоровье человека, из-за чего есть определенный предел, до которого могут работать люди без вреда для здоровья. Обычно при нырянии в водолазном костюме он достигает 40 метров, что соответствует 4 атмосферам. Опуститься на большую глубину водолаз может только в жестком скафандре, который примет на себя давление воды. В нем можно спокойно погрузиться до 200 метров.
Влияние на здоровье человека
При долгом нахождении под водой при высоком давлении немалое количество воздуха растворится в крови и других биологических жидкостях тела. Если произойдет быстрый подъем водолаза на поверхность, то растворенный воздух начнет выделяться из крови в виде пузырьков. Резкое выделение пузырьков может привести к появлению сильной боли по всему телу и привести к кессонной болезни. Поэтому поднятие водолаза, долго проработавшего на большой глубине, может занять много времени (несколько часов), чтобы растворенный газ выделялся постепенно и без пузырьков.
Давление в море и морские животные
Хотя ранее были указаны огромные значения давления, имеющего место на дне моря, для морских животных это не столь существенные показатели. Местные обитатели могут в течении суток легко и спокойно переносить огромные колебания этого показателя. Однако некоторые такие животные очень плохо переносят резкую смену давления. К примеру, при извлечении на сушу морской окунь раздуется, особенно если его очень быстро извлечь из воды.
Атмосферное давление под водой достаточно просто рассчитывается. Достаточно запомнить, что на каждые 10 метров приходится 1 атмосфера. Однако на больших глубинах вступают в силу и другие показатели, такие как сжатие и плотность воды. В связи с чем придется проводить расчет с учетом этих значений.
Источник