Физика дайвинга – погружайся безопасно!

Физика дайвинга и физические законы –

эти понятия и определения сопутствуют нам постоянно в обучении науке дайвинга. Почему? Мы живем на суше, дышим воздухом, испытываем влияние воздушной атмосферы. Под водой все меняется для нас: мы дышим сжатым воздухом; испытываем давление водной массы; существуем в трехмерном пространстве. Для понимания влияния подводной среды на человеческий организм; для выбора оснащения; для пребывания под водой – требуются знания основ физики и физиологии.

Но к тому времени, когда к нам приходит решение – заняться дайвингом, мы  как правило уже забываем, чему нас учили в школе. А зря! Именно в дайвинге, нам приходится сталкиваться с некоторыми законами физики, напрямую. И чем больше мы понимаем действие физических явлений под водой – тем лучше мы подготовлены к сложным ситуациям во время погружения. 

Урок Физики

ВАЖНОСТЬ:

данной темы нам с Вами очевидна: отсутствие знаний законов физики и действия физических явлений на организм человека ведет к проблемам со здоровьем дайвера и к РИСКУ ДЛЯ ЖИЗНИ, при погружении. Однако, дайвинг – настолько ошеломителен, что при обучении мы часто запоминаем: что делать можно, а что – нельзя и редко сопоставляем наши действия с законами физики. Давайте определим себе цель – разобраться с данной темой: раз и навсегда и радоваться каждому погружению, имея в запасе прочные знания!

Закон Бойля -Мариотта

ЦЕЛЬ

  1. Понимать какое значение физика имеет для занятий дайвингом;
  2. Знать, что такое давление; научиться понимать соотношение давления и объема (закон Бойля);
  3. Научиться применять законы растворимости газов (закон Генри, Дальтона);
  4. Знать, что такое плавучесть (закон Архимеда)

КЛЮЧЕВЫЕ ПУНКТЫ

  1. Физика дайвинга;
  2. Давление;
  3. Закон Бойля – Мариотта;
  4. Законы Генри и Дальтона
  5. Закон Шарля
  6. Закон Архимеда – плавучесть

ПРИМЕР

Для наглядного понимания действия законов физики под водой, посмотрим видео, которое сняли фридайверы.

♦ Состояние емкости на поверхности: P1V1=P2V2

♦ Состояние емкости на глубине: V2=(P1V1)/P2

P1 – давление на бутыль на поверхности

V1 – объем бутыли на поверхности

Р2 – давление на бутыль на глубине

V2 – объем бутыли на глубине

1. Физика дайвинга

ФИЗИКА – изучает законы поведения и взаимодействия материи и энергии.
Соотношение глубины, давления, объема и плотности – одна из тем физики в дайвинге.

Физические величины необходимые для дайвинга:

P – Давление         TТемпература       V – Объем              PO Плотность    

L – Расстояние      S – Площадь            M – Масса                 F – Cила  

С данными категориями, мы будем сталкиваться в нашей теме постоянно. Не менее важно понимать применение законов физики, в отношении процессов, происходящих в человеческом организме, при погружении его в подводную среду.      

Это основные газовые законы:

Закон Бойля – Мариотта – закон объема и давления

Закон Генри – закон растворимости газов относительно парциального давления

Закон Шарля (или Гей-Люссака) – закон простых объемных отношений

Закон Дальтона – закон растворимости газов в жидкостях

 Закон Архимеда – применительно к плавучести

Я готовила к презентации эту, и еще некоторые темы и анализировала несколько учебных источников. Надеюсь, что материал будет Вам полезен. Мы не будем торопиться и разберем все по конкретным вопросам.

2. Давление

Давление описывает силу, действующую на единицу площади.
Формула: P=F/S (кг/см2)

Давление

Виды давления, с которыми сталкивается дайвер:

АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ – сила, с которой столб воздуха давит на определенную единицу площади Земли 1АТА/1БАР

Атмосферное давление

ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ – давление воды. Выражается оно через значение давления на единицу глубины. Возрастает пропорционально 1-й дополнительной атмосфере на каждые 10м погружения. В наших формулах гидростатическое давление будет называться избыточным давлением.

АБСОЛЮТНОЕ ДАВЛЕНИЕ – полное давление, действующее на дайвера. Это сумма атмосферного давления на поверхности и гидростатического (избыточного) давления, которое возрастает с увеличением глубины. 
Формула: (БАР)= (глубина/10м)+1(избыточное давление). Табл.№1

ГЛУБИНА (м) ГЛУБИНА / 10м + 1атм (избыточное давление) АБСОЛЮТНОЕ ДАВЛЕНИЕ (атм)
 0 (0 / 10) +1 1
 10 (10 / 10) +1 2
 20 (20 / 10) +1 3
 30 (30 / 10) +1 4
 40 (40 / 10) +1 5
  • 1-й столбец: Значение глубины при погружении;
  • 2-й столбец: Формула расчета абсолютного давления;
  • З-й столбец: Значение абсолютного давления.

3. Закон Бойля – Мариотта – закон объема и давления.

Трубка Бойля

 

Роберт Бойль – ирландский ученый, живший в 17 веке открыл очень важный закон сжатия газов. Он провел ряд экспериментов, чтобы определить физические свойства газов, находящихся под давлением. При помощи U – образной трубки и жидкой ртути, Бойль доказал, что объем газа обратно пропорционален окружающему давлению.

 

Здесь нам нужны будут физические величины:

Абсолютная температура Т– температура отсчитываемая от абсолютного ноля. Абсолютный ноль – наиболее низкая температура, при которой прекращается всякое движение молекул. По шкале Цельсия, которой мы с Вами привыкли пользоваться, вода замерзает при 0 градусов и закипает при 100 градусах.

Температура

 

Объем V – трехмерная величина, имеющая длину/ширину/высоту. В метрической системе измеряется: 1 литр =1000 куб.см; 1 куб.м = 1000л

Давление P – описывает силу, действующую на единицу площади.

♦ Плотность PO – это масса единицы объема: РО = М/V

Выводы Роберта Бойля:

  • При постоянной температуре Т, давление в газе Р обратно пропорционально объему V.
  • Если давление увеличивается, то объем уменьшается и наоборот, при снижении давления – объем увеличивается.
  • Плотность воздуха увеличивается с ростом давления окружающей среды.

Табл.№2

P1 V1 = P2 V2
 P1 – начальное давление
 V1 – начальный объем
 P2 – последующее давление
 V2 – последующий объем

Последующее давление может быть выше или ниже, в зависимости от того, всплывает или погружается дайвер.

ПРИМЕР: травмы, полученные вследствие чрезмерного расширения легких, обжим, бесконтрольное погружение или всплытие могут возникать вследствие недостаточных знаний дайвером соотношения изменения объема газа с глубиной. Давайте вспомним пластиковую бутыль из видео, вначале темы и формулу изменения объема V2=(P1V1)/P2. Представим, что фридайверы на глубине 30м, держат пластиковую бутыль, наполненную 15л воздуха. Мы хотим выяснить: какой объем воздуха будет в бутыли на поверхности. 

  V2=(P1V1)/P2
  Задача: пластиковая бутыль, наполненная 15л воздуха, находится на глубине 30м. Сколько   воздуха будет в бутыли, при всплытии – на поверхности?
  V1 = 15л
  Р1 = (30м / 10м) + 1 бар = 4 бар     Смотри табл.№1
  Р2 = 1 бар – давление на поверхности
  V2 = ?
  V2 = (4 бар * 15л) / 1бар
  V2 = 60л
  Объем воздуха в бутыли на поверхности составит 60л – в 4 раза больше, чем на глубине 30м

Если мы не будем дышать под водой ровно, даже в аварийной ситуации и будем задерживать дыхание, то можете представить себе, что произойдет с нашими легкими!

Применение закона Бойля – Мариотта в дайвинге

Закон Бойля -Мариотта в дайвинге

 

Опыт с колокольчиком
Этот опыт позволяет нам рассчитывать объем и плотность газа на любой глубине. При абсолютном давлении в 2 атм объем газа в стакане уменьшается наполовину. На глубине 20м воздух плотнее в 3 раза, чем на поверхности. 

 

 

Плотность воздуха увеличивается с ростом давления окружающей среды. Зачем это нам? Например для того, чтобы знать: на какое время нам хватит одного баллона с воздухом при погружении. Чтобы ответить на этот вопрос нам нужен закон Бойля.

  • Уровень моря при 1 атмосфере – 1 час на то, чтобы издышать весь воздух в баллоне.
  • Глубина 10м 2 атмосферы – 30 минут на баллон.
  • Глубина 20м 3 атмосферы – 1/3 часа – 20 минут на баллон и т.д.

Вывод: чем глубже Вы погружаетесь, тем быстрее потребляете воздух!

Эксперимент с давлениемЗакон Бойля - Мариотта
Этот эксперимент показывает нам, что когда давление увеличивается в 2 раза, объем уменьшается в 2 раза.  

Что нам это дает? Применительно к дайверу, закон Бойля-Мариотта будет выражаться в том, что любое воздушное замкнутое пространство, находящееся в человеке, либо в его снаряжении – при спуске и подъеме будет менять свой объем, из-за изменений в давлении. Если мы не будем контролировать этот процесс, то изменение объема обязательно создаст серьезные проблемы для человека, погружающегося под воду.

Закон действует в таких эффектах, возможных при подводных погружениях: как обжим маски и гидрокостюма; потеря плавучести; давление на уши и синусы; баротравмы уха. Подробнее об этом в теме “Физиология дайвинга”

Дайвер также должен помнить о том, что закон Бойля-Мариотта имеет и обратное  действие: при понижении давления объем воздуха увеличивается, так объем воздуха в пластиковом контейнере возрастает, при его подъеме на меньшую глубину (смотри пример выше). Это  проявляется в увеличении плавучести при всплытии и самое  главное – в расширении легких при всплытии, создавая наивысший фактор риска, который может привести к баротравме легких – самому серьезному заболеванию, из тех, что могут случиться с дайвером.

4. Законы Генри  и Дальтона – законы растворимости газов в жидкостях.

ЗАКОН ГЕНРИ – при постоянной температуре, количество газа, растворенного в жидкости, прямо пропорционально давлению газа. Чем выше давление и ниже температура – тем больше газа растворится в жидкости и наоборот. Чем этот закон полезен нам, дайверам?

Мы дышим воздухом, который состоит из смеси газов как на поверхности, так и при погружениях. Рассмотрим химический состав воздуха.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВОЗДУХА  
АЗОТ (N2) 78,08%
КИСЛОРОД (O2) 20,94%
АРГОН (Ar) 0,93%
УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ (CO2) 0,03%
ПРОЧИЕ ГАЗЫ 0, 02%

Итак, чем глубже мы погружаемся, тем большее давление на нас оказывает водная масса и тем ниже температура воды. Соответственно, в нашей крови растворяется большое количество газа. Перенасыщение растворенными газами вызывает различные проблемы у дайвера: азотный наркоз, декомпрессионную болезнь, отравление кислородом или углекислым газом. Мы можем это предотвратить, понимая и применяя законы растворимости газа в жидкости – закон Генри и закон Дальтона. 

Закон Генри, в частности, объясняет явление декомпрессионной болезни (ДКБ) у дайвера, происходящего при образовании пузырьков азота в тканях организма.

НайтроксЗАКОН ДАЛЬТОНА – в газовой смеси, общее давление равно сумме парциального давления каждого из газов, то есть: Р = Р+ Р+ Р3 +…

Применительно к воздуху: атмосферный воздух на уровне моря (при давлении  1 атм.) состоит из азота – 79% и кислорода – 21%. Парциальное давление каждого газа: азот – 0,79 атм., кислород – 0,21 атм.: 0,21 атм. + 0,79 атм. = 1 атм.

Если давление воздуха увеличить в 2, 3 раза и более, то парциальное давление каждого газа увеличится в 2, 3 раза и более. Важность этого закона заключается в том, что физиологическое воздействие газа на организм человека зависит от его парциального давления. Многие газы вполне безопасны при низком парциальном давлении, но становятся токсичными при высоком парциальном давлении. Это как раз и происходит при погружении под воду и увеличении глубины погружения. Например рассмотрим азот N2- высокое парциальное давление азота вызывает у дайвера “азотный наркоз”.

Закон Дальтона помогает нам при расчетах обогащенной смеси Nitrox (специальный курс обучения) для дыхания при погружениях. 

5. Закон Шарля

ЗАКОН ШАРЛЯ – при постоянном давлении газа, объем газа прямо пропорционален температуре и наоборот – при постоянном объеме газа,  давление газа прямо пропорционально температуре.

           ПОСТОЯННЫЙ ОБЪЕМ              ПОСТОЯННОЕ ДАВЛЕНИЕ
                   Р1 / Т1 = Р2 / Т2                         V1 / Т1 = V2 / T2

Применительно к дайвингу, этот закон дает нам понимание расширения или сжатия газа в баллоне, в зависимости от температуры окружающей среды.

 Увеличении температуры баллона со сжатым воздухом (если оставить  его  на солнце или вблизи сильного источника тепла) ведет к расширению давления в нем, которое при значительном нагреве может возрасти  до опасного уровня и может произойти разрушение баллона или его взрыв.

 При падении температуры воздуха в баллоне (где высокое давление понижается регулятором до давления окружающей среды, для подачи на вдох водолазу) ведет к тому, что регулятор, в результате, охлаждается до минусовой температуры. При низкой температуре воды возможно замерзание регулятора. В результате воздух перестает подаваться водолазу, либо идет сплошным потоком (свободная подача – free-flow).

6. Закон Архимеда. Плавучесть

Здесь нам пригодятся такие физические величины, как F -сила и M – масса. 

Архимед в ваннеЗАКОН АРХИМЕДА – на объект, погруженный в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости.  Как известно, Архимед открыл этот закон, принимая ванну. Закон Архимеда важен нам с точки зрения плавучести, а так же плотности, которая является отношением массы тела к единице объема. Если плотность тела выше, чем жидкости, в которую он погружается, то оно тонет. И наоборот: если плотность тела меньше, чем плотность жидкости, то оно всплывает. Вода в 800 раз плотнее воздуха!  Соответственно:

ПЛАВУЧЕСТЬ – это сила, под действием которой объект плавает или тонет. Различают следующие виды плавучести:

Нейтральная плавучесть – при нейтральной плавучести, погруженный в жидкость объект не всплывает и не тонет, оставаясь на одной и той же глубине. Нейтральная плавучесть – идеальное состояние для дайвера во время погружения. Есть специальная подготовка и упражнения, позволяющие развить нейтральную плавучесть. Она позволяет дайверу:

  • Принять удобное положение во время погружения;
  • Расслабиться и спокойно наблюдать за окружающим пейзажем или морскими животными;
  • Плавать, не повреждая морские кораллы и растения, не пугать животных резкими движениями;
  • Соблюдать нормальное бади – партнерство;
  • Работать с предметами на глубине, например с ходовиком и катушками в пещерном дайвинге или с веревкой в подледных погружениях и так далее…

Нейтральной плавучести дайвер добивается, благодаря своему снаряжению и профессионализму (дыхательной функции – работе легкими) Об этом – в теме “Снаряжение для дайвинга”.

Нейтральная плавучесть
Фото Д. Рогового

Отрицательная плавучесть – при отрицательной плавучести объект, погруженный в жидкость тонет. Отрицательная плавучесть необходима дайверу:

  • Для выполнения упражнений во время курса;
  • Для собирания гребешка или иных даров моря, чтобы потешить свои гастрономические пристрастия;
  • Подводным художникам и фотографам;
  • Техническим специалистам – водолазам;
  • Рассматриванию предметов на дне или кораблях и так далее…
Отрицательная плавучесть
Фото А. Сидорова

Положительная плавучесть – при положительной плавучести, объект, погруженный в жидкость на любую глубину, стремится достигнуть поверхности. На поверхности, объект с положительной плавучестью, плавает. Соответственно, дайвер с положительной плавучестью будет плавать на поверхности воды. Положительная плавучесть достигается дайвером, с помощью компенсатора плавучести. Подробно мы рассмотрим его в теме “Снаряжение для дайвинга”. Положительная плавучесть поможет Вам экономить силы, пока Вы находитесь на поверхности.

Положительная плавучесть
Фото А.Перовой

Вы должны научиться и уметь устанавливать все три состояния плавучести. В этом Вам помогут – жилет – компенсатор плавучести, грузовая система и контроль дыхания. Надо помнить, что соленая вода гораздо плотнее пресной воды, поэтому грузовую систему надо регулировать, в зависимости от условий погружения.

РЕЗЮМЕ

Если Вы уже учитесь дайвингу и планируете продолжить захватывающее путешествие в мир дайвинга, Вы убедитесь, что основательное изучение законов физики, применительно к дайвингу поможет Вам лучше подготовиться к любой непредвиденной ситуации под водой.

От того, насколько Вы разобрались в действии законов и принципов, изложенных в данной теме, будет зависеть успех и комфорт Ваших погружений и Ваша безопасность.

В дальнейших темах по физиологии дайвинга; снаряжение для дайвинга; подводная среда – Вы увидите применение законов физики на практике и Вам будет более понятно, для чего мы их так подробно рассматриваем.  

Как говорил мой инструктор Сергей Байков – все элементарно – физика, 6-й класс! Небольшое видео с берегов Камчатки – танцующие морские львы (С. Байков).  ПОЛУЧАЙТЕ УДОВОЛЬСТВИЕ ОТ ДАЙВИНГА!

 

Подписывайтесь на новости блога и Вы всегда будете первыми видеть новые, полезные и интересные статьи. Если Вам понравилось то, о чем я пишу – тогда прошу Вас поддержать статью в социальных сетях, нажав кнопки в конце текста. С признательностью и благодарностью, Лена Тайгер!


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *