Физика дайвинга
Физика дайвинга , или физика подводного плавания , — это основные аспекты физики , которые описывают влияние подводной среды на подводного дайвера и его оборудование, а также эффекты смешивания, сжатия и хранения смесей дыхательных газов, а также подачи их для использования. при атмосферном давлении. Эти эффекты в основном являются последствиями погружения в воду, гидростатического давления глубины и воздействия давления и температуры на дыхательные газы. Понимание лежащей в основе физики полезно при рассмотрении физиологических эффектов дайвинга, планирования и управления дыхательным газом, плавучести контроля и балансировки дайвера , а также опасностей и рисков, связанных с дайвингом .
Изменения плотности дыхательного газа влияют на способность дайвера эффективно дышать, а изменения парциального давления компонентов дыхательного газа оказывают глубокое влияние на здоровье и способность дайвера функционировать под водой.
физики, имеющие особое значение дайвинга для Аспекты
К основным законам физики , описывающим влияние среды подводного плавания на водолаза и водолазное снаряжение, относятся:
Плавучесть [ править ]
Принцип Архимеда ( плавучесть ) — игнорируя незначительное влияние поверхностного натяжения, объект, полностью или частично погруженный в жидкость, выдерживается силой, равной весу жидкости, вытесняемой объектом. Таким образом, находясь в воде, вес вытесненного объема воды по сравнению с весом тела дайвера и снаряжения дайвера определяет, плавает ли дайвер на плаву или тонет. [1] [2] Контроль плавучести и, в частности, способность поддерживать нейтральную плавучесть являются важным навыком безопасности. Дайверу необходимо понимать плавучесть, чтобы эффективно и безопасно использовать сухие гидрокостюмы , компенсаторы плавучести , системы утяжеления для дайвинга и подъемные сумки . [3]
Давление [ править ]
Концепция давления как силы, распределенной по площади, и изменение давления в зависимости от глубины погружения занимают центральное место в понимании физиологии дайвинга , особенно физиологии декомпрессии и баротравмы .
Абсолютное давление на дайвера представляет собой сумму местного атмосферного давления и гидростатического давления . [4] [5] Гидростатическое давление — это составляющая давления окружающей среды, обусловленная весом столба воды над глубиной, и обычно описывается в метрах или футах морской воды .
Парциальные давления составляющих газов смеси дыхательных газов контролируют скорость диффузии в кровь и из нее в легких, а также их концентрацию в артериальной крови, а концентрация газов крови влияет на их физиологическое действие в тканях организма. Расчеты парциального давления используются при смешивании и анализе дыхательного газа.
Класс опасностей при дайвинге, обычно называемый опасностями дельта-P, вызван разницей давления, отличной от давления окружающей среды, которая вызывает поток, который может увлечь дайвера и перенести его в место, где может произойти травма, например, на входе в водоем. морское подруливающее устройство или шлюзовой затвор.
газа Изменения свойств
Уравнения состояния газа , которые могут быть выражены в виде Комбинированного газового закона или Закона идеального газа в диапазоне давлений, с которыми обычно сталкиваются дайверы, или как традиционно выраженные газовые законы, связывающие отношения между двумя свойствами, когда другие сохраняются. постоянные, используются для расчета изменений давления, объема и температуры, например: Закон Бойля , который описывает изменение объема при изменении давления при постоянной температуре. [1] Например, объем газа в нежестком контейнере (таком, как легкие дайвера или устройство компенсации плавучести) уменьшается по мере увеличения внешнего давления, когда дайвер погружается в воду. Аналогично, объем газа в таких нежестких контейнерах увеличивается при подъеме. Изменения объема газов в водолазе и водолазном снаряжении влияют на плавучесть. Это создает положительную обратную связь как при подъеме, так и при спуске. Количество газа открытого контура, вдыхаемого дайвером, увеличивается с увеличением давления и глубины. [5] Закон Шарля , описывающий изменение объема с изменением температуры при фиксированном давлении, второй закон Гей-Люссака , описывающий изменение давления с изменением температуры при фиксированном объеме, (первоначально описанный Гийомом Амонтоном , а иногда и называемый законом Амонтона). Это объясняет, почему дайвер, который входит в холодную воду с теплым баллоном для дайвинга, например, после недавнего быстрого наполнения, обнаруживает, что давление газа в баллоне падает на неожиданно большую величину в начале погружения, поскольку газ в баллоне остывает. . [6] [3]
В смесях дыхательных газов концентрация отдельных компонентов газовой смеси пропорциональна их парциальным давлениям и объемной газовой доле . [1] Газовая доля постоянна для компонентов смеси, но парциальное давление изменяется пропорционально изменению общего давления. Парциальное давление является полезной мерой для определения пределов предотвращения азотного наркоза и кислородной токсичности . [5] Закон Дальтона описывает комбинацию парциальных давлений, образующую общее давление смеси.
Газы обладают высокой сжимаемостью , а жидкости практически несжимаемы. Газовые пространства в теле дайвера и газ, удерживаемый в гибком оборудовании, сжимаются по мере спуска дайвера и расширяются по мере подъема дайвера. [7] [5] При ограничении свободного расширения и сжатия газы будут оказывать несбалансированное давление на стенки их защитной оболочки, что может привести к повреждению или травме, если оно будет чрезмерным.
Растворимость газов и диффузия [ править ]
Закон Генри описывает, как с увеличением давления увеличивается количество газа, которое может раствориться в тканях тела. [8] Этот эффект связан с азотным наркозом , кислородным отравлением и декомпрессионной болезнью . [5]
Концентрация растворенных в тканях организма газов влияет на ряд физиологических процессов и зависит от скорости диффузии , растворимости компонентов дыхательного газа в тканях организма и давления. При наличии достаточного времени под определенным давлением ткани насыщаются газами и больше не поглощаются до тех пор, пока давление не увеличится. Когда давление снижается быстрее, чем растворенный газ может быть удален, концентрация возрастает и происходит пересыщение , и ранее существовавшие зародыши пузырьков могут расти. На образование и рост пузырьков при декомпрессионной болезни влияет поверхностное натяжение пузырьков, а также изменение давления и пересыщение.
плотности Эффекты
Плотность , дыхательного газа пропорциональна абсолютному давлению и влияет на дыхательные характеристики регуляторов и работу дыхания что влияет на способность дайвера работать, а в крайних случаях и дышать. дайвера Плотность воды, тела дайвера и снаряжения определяет кажущийся вес в воде и, следовательно, его плавучесть , а также влияет на использование плавучего снаряжения. [9] Плотность и сила тяжести являются факторами создания гидростатического давления. Дайверы используют материалы высокой плотности, такие как свинец , для систем утяжеления для дайвинга , и материалы низкой плотности, такие как воздух, в компенсаторах плавучести и подъемных подушках . [5]
вязкости Эффекты
Абсолютная (динамическая) вязкость воды выше (порядка в 100 раз), чем у воздуха. [10] Это увеличивает сопротивление объекта, движущегося в воде, и для движения в воде требуется больше усилий, чем в воздухе, относительно скорости движения.
Тепловой баланс [ править ]
Теплопроводность воды выше, чем у воздуха. [11] Поскольку вода проводит тепло в 20 раз больше, чем воздух, и имеет гораздо более высокую теплоемкость, передача тепла от тела водолаза к воде происходит быстрее, чем к воздуху, и во избежание чрезмерных потерь тепла, приводящих к переохлаждению , теплоизоляция в виде гидрокостюмов , или используется активный нагрев. Газы, используемые при дайвинге, имеют очень разную теплопроводность; Гелиокс и, в меньшей степени, тримикс проводят тепло быстрее, чем воздух из-за содержания гелия, а аргон проводит тепло медленнее, чем воздух, поэтому технические дайверы, дышащие газами, содержащими гелий, могут надувать свои сухие костюмы аргоном. [12] [13] Некоторые значения теплопроводности при 25 °C и атмосферном давлении на уровне моря: аргон: 16 мВт/м/К; воздух: 26 мВт/м/К; неопрен: 50 мВт/м/К; шерстяной войлок: 70 мВт/м/К; гелий: 142 мВт/м/К; вода: 600 мВт/м/К. [11]
Подводное видение [ править ]
На подводное зрение влияет показатель преломления воды, который аналогичен показателю преломления роговицы глаза . и примерно на 30% больше, чем у воздуха Закон Снелла описывает угол преломления относительно угла падения. [14] Это сходство показателей преломления является причиной того, что дайвер не может ясно видеть под водой без маски для дайвинга с внутренним воздушным пространством. [3] Поглощение света зависит от длины волны, это приводит к потере цвета под водой. [15] [16] Красный конец спектра света поглощается на небольшом расстоянии и теряется даже на мелководье. [15] Дайверы используют искусственный свет под водой, чтобы выявить поглощенные цвета. На большую глубину свет с поверхности не проникает, и искусственное освещение вообще необходимо для того, чтобы видеть. [5] На подводное зрение также влияет мутность, вызывающая рассеяние, и растворенные материалы, поглощающие свет.
Подводная акустика [ править ]
Подводная акустика влияет на способность дайвера слышать через капюшон гидрокостюма или шлема, а также на способность определять направление источника звука.
представляющие интерес для дайверов окружающей среды , Физические явления
К физическим явлениям, наблюдаемым в больших водоемах и которые могут оказать практическое влияние на дайверов, относятся:
- Воздействие погоды , такое как ветер , вызывающий волны , а также изменения температуры и атмосферного давления на воде и в ней. Даже умеренно сильный ветер может помешать дайвингу из-за повышенного риска заблудиться в море или получить травму. Низкая температура воды вынуждает дайверов носить водолазные костюмы и может вызвать такие проблемы, как замерзание водолазных регуляторов . [3] [5]
- Галоклины или сильные вертикальные солености градиенты . Например, там, где пресная вода попадает в море, она плавает над более плотной соленой водой и не может сразу смешаться. Иногда на границе слоев возникают визуальные эффекты, такие как мерцание и отражение, поскольку показатели преломления различаются. [3]
- Океанские течения могут переносить воду на тысячи километров и приносить в регион воду с разной температурой и соленостью. Некоторые океанские течения оказывают огромное влияние на местный климат, например, теплые воды североатлантического дрейфа смягчают климат северо-западного побережья Европы. Скорость движения воды может повлиять на планирование и безопасность погружения. [3] [5]
- Термоклины , или резкие изменения температуры. Если температура воздуха выше температуры воды, мелководье может нагреваться воздухом и солнечным светом, но более глубокая вода остается холодной, что приводит к снижению температуры по мере спуска дайвера. Это изменение температуры может быть сосредоточено на небольшом вертикальном интервале, когда оно называется термоклином . [3] [5]
- Там, где холодная пресная вода попадает в более теплое море, пресная вода может плавать над более плотной соленой водой, поэтому температура повышается по мере спуска дайвера. [3]
- В озерах, подверженных геотермальной активности, температура более глубокой воды может быть выше, чем температура поверхностной воды. Обычно это приводит к конвекционным потокам. [3]
- Вода при температуре, близкой к нулю, менее плотная, чем немного более теплая вода — максимальная плотность воды составляет около 4 ° C, поэтому при температуре, близкой к замерзанию, вода на глубине может быть немного теплее, чем на поверхности. [3]
- Приливные течения и изменения уровня моря, вызванные гравитационными силами и вращением Земли . На некоторых дайв-сайтах можно безопасно погружаться только при стоячей воде , когда приливной цикл меняется на противоположный и течение замедляется. Сильные течения могут вызвать проблемы у дайверов. Контроль плавучести может быть затруднен, когда сильное течение встречается с вертикальной поверхностью. Дайверы расходуют больше дыхательного газа при плавании против течения. Дайверы, находящиеся на поверхности, могут быть отделены течением от укрытия лодки. С другой стороны, дрифт-дайвинг возможен только при разумном течении. [3] [5]
См. также [ править ]
- Давление окружающей среды – Давление окружающей среды.
- Атмосферное давление - статическое давление, создаваемое весом атмосферы.
- Плавучесть - направленная вверх сила, противодействующая весу объекта, погруженного в жидкость.
- Давление – сила, распределенная по площади.
Ссылки [ править ]
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Экотт, К. (1999). «Ныряющие «Юристы»: Краткое резюме их жизни» . Журнал Общества подводной медицины Южно-Тихоокеанского региона . 29 . ISSN 0813-1988 . OCLC 16986801 . Архивировано из оригинала 2 апреля 2011 года . Проверено 7 июля 2008 г.
{{cite journal}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ) - ^ Тейлор, Ларри «Харрис». «Практическое управление плавучестью» . Мичиганский университет . Проверено 10 октября 2008 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к Программа дайвинга NOAA (США) (28 февраля 2001 г.). Джойнер, Джеймс Т. (ред.). Руководство NOAA по дайвингу, Дайвинг для науки и технологий (4-е изд.). Силвер-Спринг, Мэриленд: Национальное управление океанических и атмосферных исследований, Управление океанических и атмосферных исследований, Национальная программа подводных исследований. ISBN 978-0-941332-70-5 . Компакт-диск подготовлен и распространен Национальной службой технической информации (NTIS) в партнерстве с NOAA и Best Publishing Company.
- ^ "Давление" . Oracle ThinkQuest. Архивировано из оригинала 12 октября 2008 года . Проверено 10 октября 2008 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к Скалли, Редж (апрель 2013 г.). Теоретическое руководство CMAS-ISA для дайверов с тремя звездами (1-е изд.). Претория: Инструкторы CMAS, Южная Африка. ISBN 978-0-620-57025-1 .
- ^ «Закон Амонтона» . Университет Пердью . Проверено 8 июля 2008 года .
- ^ «Сжимаемость и приближения идеального газа» . UNC-Чапел-Хилл . Проверено 10 октября 2008 г.
- ^ «Закон Генриха» . Интернет-медицинский словарь. Архивировано из оригинала 13 августа 2007 года . Проверено 10 октября 2008 г.
- ^ «Плотность и дайвер» . Погружение с Deep-Six . Проверено 10 октября 2008 г.
- ^ Догерти, РЛ; Франзини, Дж. Б. (1977). Механика жидкости с инженерными приложениями (7-е изд.). Когакуша: МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-085144-3 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б «Теплопроводность некоторых распространенных материалов» . Инженерный инструментарий . Проверено 10 октября 2008 г.
- ^ Нуколс, МЛ; Гибло, Дж; Вуд-Патнэм, Дж. Л. (15–18 сентября 2008 г.). «Тепловые характеристики водолазной одежды при использовании аргона в качестве газа для надувания костюма» . Proceedings of the Oceans 08 Встреча MTS/IEEE в Квебеке, Канада . МТС/IEEE. Архивировано из оригинала 21 июля 2009 года . Проверено 2 марта 2009 г.
{{cite journal}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ) - ^ Майкен, Эрик. «Почему Аргон» . www.decompression.org . Проверено 11 апреля 2011 г.
- ^ «Закон Снеллиуса» . scienceworld.вольфрам . Проверено 10 октября 2008 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Лурия, С.М.; Кинни, Дж. А. (март 1970 г.). «Подводное видение». Наука . 167 (3924): 1454–61. Бибкод : 1970Sci...167.1454L . дои : 10.1126/science.167.3924.1454 . ПМИД 5415277 .
- ^ Браун, Чарльз Л.; Смирнов, Сергей Н. (1993). «Почему вода голубая» . Дж. Хим. Образование . 70 (8): 612. Бибкод : 1993ЖЧЭд..70..612Б . дои : 10.1021/ed070p612 . Архивировано из оригинала 25 мая 2019 года . Проверено 10 октября 2008 г. - через Дартмутский колледж.
