В водной среде жизни при увеличении глубины давление

Показатели давления воды на глубине

Глубина оказывает прямое воздействие на давление воды. Между ними прямая зависимость. Данное значение рассчитывается по специальной формуле. На различных участках глубоководья указанная величина заметно отличается.

Рассмотрим в статье особенности расчет и составляющие формулы, а также отличается ли давление на участках с разной глубиной.

Влияние глубины

Чем глубже происходит погружение в водную толщу, тем больше становится ее сила. Глубина прямо влияет на увеличение давление. Это значение возрастает пропорционально.

Чем глубже, тем больше плотность водной толщи. С каждым последующим опусканием тела возникает все большая разница между внешним и внутренним водным давлением.

На поверхности действует атмосферное давление. При опускании в воду помимо него тела начинают испытывать еще и гидростатическое сдавливание.

Даже на мелководье на тело оказывается суммарное влияние, состоящее из атмосферного и гидростатического. При нырянии внешнее воздействие на тело возрастает. Возникает разница из-за увеличения плотности среды.

Зависимость двух физических показателей

С каждым последующим опусканием на 10 м воздействие становится больше на 1 атмосферу. Уже при погружении на 100 метров тела испытывают давление, соизмеримое с тем, что создается в паровом котле.

С погружением общее давление как на человека, так и на любой другой объект, возрастает. На 10 м оно становится больше вдвое.

Прирост давления на глубоководье неодинаков:

• На 10 м прирост составляет 100%.
• На 20 м он уже уменьшается вдвое (50%).
• На 40 он падает до 25%.
• На 60 он уже меньше 20% и составляет 17%.

В воде помимо атмосферного давления возникает еще гидростатический прессинг. Он также называется избыточным. При нахождении в воде любой объект будет испытывать уже сумму двух давлений: атмосферного и избыточного.

Зависимость двух величин напрямую прослеживается при изучении состояния человека, находящегося в условиях глубоководья. Если поместить человека в глубоководную среду, то он не сможет сделать полноценный вдох.

Формула для расчета

Данный показатель повышается пропорционально погружению. Он рассчитывается по специальной формуле:

• p — плотность среды. Примерно равна 1000 кг/м 2 .
• g — это ускорение, которое придается телу силой тяжести. Это значение называется ускорением силы тяжести или свободного падения. На Земле данная величина примерно равняется 9,81 м/с 2 .
• h — глубина, на которую погружается какой-либо объект. Высчитывается в метрах.

Формула является выражением закона Паскаля. По ней высчитывается значение гидростатического прессинга. Он напрямую зависит от высоты водного столба.

Произведение плотности (p) и ускорения (g) приблизительно равняется 0,1 атм. С каждым метром опускания на дно воздействие в водной среде повышается на 0,1 атм. Данное правило подтверждает тот факт, что чем глубже происходит опускание в толщу, тем выше становится показатель воздействия.

Сколько составляет на различных глубоководных участках?

Если какой-либо объект поместить в воду на один метр, то он будет испытывать на себе силу, равную 0,1 атм.

Предмет, погруженный на 2 м, уже станет испытывать прессинг величиной около 0,2.

С каждым последующим метром показатель будет возрастать на 0,1 атм. При 5 м значение равняется 0,5. При 10 оно будет уже равняться 1. Более точное число равняется 0,97 атмосферы.

На глубоководье водная толща становится сжатой. Ее плотность увеличивается. Уже на 100 м сила будет практически равняться 10. Более точное число составляет 9,7.

На глубинном участке в 1 км водная среда будет сдавливать находящиеся в ней объекты примерно со значением в 97 атм. Поскольку при 100 м величина равна 9,7, то на 1000 м она увеличивается в 10 раз.

Изменение показателя на разных глубоководных участках представлено в таблице.

При первых 10 метрах прирост невысокий и составляет 0,1 атмосферы. Дальше его показатель увеличивается.

Заключение

Глубина влияет на давление воды. С каждым метром движения объекта вглубь его показатель увеличивается на 0,1 атм. Уже на 10 м сдавливающая сила воды составляет почти 1 атмосферу. Зависимость обеих величин обусловлена плотностью воды, которая возрастает по мере движения тела в ней на дно.

Также на глубоководье происходит увеличение внешнего силового воздействия на объект. Если на поверхности тела испытывают воздействие только атмосферного давления, то в воде помимо него на них еще оказывается и гидростатическое.

При этом прирост воздействия на разных глубинных участках неодинаков. Особенно он высок при первых 10 м погружения. Дальше он начинает довольно быстро снижаться.

Источник

Водная среда и ее влияние на организм. Соотношение давления и объема

Архивная статья из №1 за 1998 г.

Погружаясь в воду, человек, кроме атмосферного давления, которое действует на поверхности, дополнительно испытывает гидростатическое (избыточное) давление. Таким образом, общее (абсолютное) давление, действующее на подводного пловца, складывается из давления атмосферного воздуха и избыточного давления воды.

Под воздействием водной среды и избыточного (гидростатического) давления существенно изменяется работа, как отдельных систем, так и всего организма человека в целом.

Свои особенности в силу неравномерного гидростатического давления на различные участки тела имеет система кровообращения под водой. Например, при вертикальном положении человека среднего роста (170 см) в воде, независимо от глубины погружения, его стопы будут испытывать гидростатическое давление на 0,17 атм больше, чем голова. К верхним областям тела, где давление меньше, кровь приливает (полнокровие), от нижних областей, где давление больше, отливает (частичное обескровливание). Такое перераспределение крови несколько увеличивает нагрузку на сердце, которому приходится преодолевать сопротивление сосудов. При горизонтальном положении пловца разность гидростатического давления на грудь и спину не велика — всего 0,02-0,03 атм. Соответственно меньше и нагрузка на сердце.

В условиях пребывания под водой дыхание становится возможным, только если внешнее давление воды равно внутреннему давлению воздуха в системе «легкие-дыхательный аппарат». Несоблюдение этого условия затрудняет дыхание или делает его практически невозможным. Так, дыхание через трубку на глубине 1 м при разности между внешним и внутренним давлением в 0,1 атм требует значительного напряжения дыхательных мышц и долго продолжаться не может. А на глубине 2 м дыхательные мышцы уже не в состоянии преодолевать давление воды на грудную клетку. Если площадь грудной клетки составляет около 6000 см2, то на глубине 2 м гидростатическое давление — 0,2 атм. Усилие, которое необходимо преодолеть дыхательным мышцам, будет равно

0,2 атм * 6000 см2 = 1200 кгс (12 кН), что, как правило, не представляется возможным.

Человек в покое делает от 12 до 90 циклов дыхания в минуту, его легочная вентиляция составляет 6-12 л/мин. В нормальных условиях при каждом вдохе и 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. Часть воздуха остается в дыхательных путях и не участвует в газообмене. При выдохе он удаляется из дыхательных путей, не достигнув альвеол. При выдохе в альвеолы поступает воздух, который остался в дыхательных путях после выдоха, поэтому содержание кислорода в альвеолярном воздухе — 14%, т.е. меньше, чем в атмосферном, где его — 21 %, углекислого газа в альвеолах — 5,6%, в атмосфере — 0,03%, паров воды — 6,2%, что также выше, чем в атмосфере. Объем дыхательных путей, где воздух увлажняется, согревается, но не участвует в газообмене, составляет около 175 см3 ( т.н. «воздух мертвого пространства»). При плавании с аппаратом или шнорхелем объем «мертвого пространства» увеличивается. При этом ухудшается вентиляция альвеол и снижается работоспособность. Интенсивные мышечные движения требуют большего расхода кислорода, что увеличивает МОД, следовательно, увеличивается скорость потока воздуха в системе «легкие — дыхательные пути — аппарат». При этом пропорционально скорости потока воздуха возрастает сопротивление дыханию. С увеличением плотности сжатого воздуха — соответственно глубине погружения — возрастает также сопротивление дыханию. Если оно достигает 60-65 мм рт.ст. (8-9 кПа), то дышать становится трудно, дыхательные мышцы быстро утомляются. Расстягивая 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.

Вследствие большой плотности воды человек, погружаясь в нее, находится в условиях близких к состоянию невесомости. При выдохе средний удельный вес человека повышается и наблюдается небольшая отрицательная плавучесть, примерно 1-2 кгс. При вдохе средний удельный вес понижается и появляется незначительная положительная плавучесть.

Для плавания под водой оптимальной является небольшая отрицательная плавучесть —

Ориентирование под водой затруднено, так как изменяются работа вестибулярного аппарата, мышечно-суставное чувство, проприорецепция в условиях отсутствия опоры и нулевой плавучести. Сопротивление воды оказывает заметное влияние на скорость передвижения подводного пловца.

В связи с тем что звук под водой воспринимается преимущественно путем костной проводимости, которая на 40% ниже воздушной, слышимость в воде ухудшается. Дальность восприятия зависит от тональности звука: чем выше тон, тем лучше слышен звук. Скорость распространения звука в 4,5 раза больше, чем в атмосфере, поэтому под водой сигнал от источника звука, расположенного сбоку, поступает в оба уха одновременно, что приводит к затруднению пространственного восприятия.

Видимость в воде зависит от количества и состава растворенных в ней веществ, взвешенных частиц, которые рассеивают солнечные лучи. В мутной воде даже при ясной, солнечной погоде видимость почти отсутствует. Глубина проникновения света зависит от угла падения лучей и состояния водной поверхности. Косые лучи отражаются сильнее, даже слабая рябь или волна ухудшают видимость.

На глубине 10 м освещенность в 4 раза меньше, чем на поверхности, на 20 м — в 8 раз, на 50 м — в несколько десятков раз меньше.

Вода обладает такой же преломляющей способностью, как оптическая система глаз. Если пловец погружается без маски, лучи света проходят через воду и попадают в глаз не преломляясь. При этом лучи сходятся не на сетчатке, а за ней, т.е. острота зрения ухудшается. Изображение получается неясное, расплывчатое, человек становится как бы близоруким. При погружениях в маске пловец видит изображение предмета несколько ближе и выше его действительного местоположения. Предметы кажутся значительно больше, чем есть на самом деле. Резко ухудшается цветоощущение. Лучше всего воспринимается белый и оранжевый цвета, хуже всего синий и зеленый, которые наиболее близки к естественной окраске воды.

Охлаждение организма в воде происходит быстрее, чем на воздухе. Теплопроводность воды в 25 раз, а теплоемкость в 4 раза больше, чем у воздуха. Если на воздухе при 4!С человек может без опасности для своего здоровья находиться в течение 6 ч и при этом температура тела не понижается, то в воде такой температуры незакаленный человек без защитной одежды погибает от переохлаждения через 30-60 мин. В воздушной среде теплопотеря распределяется следующим образом: излучение 40-45 %, испарение 20-25 %, проведение 30-35 %. В воде без защитной одежды тепло теряется в основном за счет теплопроводности. Воздух, непосредственно соприкасающийся с кожей, быстро нагревается и фактически имеет большую температуру, чем окружающий. Даже ветер не может удалить с кожи этот слой теплого воздуха. В воде с ее большой удельной теплоемкостью и теплопроводностью слой, прилегающий к телу, не успевает нагреваться и легко вытесняется холодной водой. Поэтому температура поверхности тела в воде понижается интенсивнее, чем на воздухе.

Вследствие интенсивного охлаждения и обжатия гидростатическим давлением кожная чувствительность в воде понижается, болевые ощущения притупляются, поэтому небольшие порезы и раны могут остаться незамеченными и вызвать значительную кровопотерю.

Газы, входящие в состав атмосферного воздуха, с увеличением глубины погружения и увеличением их парциального давления начинают изменять свое действие на организм человека.

Азот воздуха начинает оказывать токсическое действие при парциальном давлении 5,5 атм. Так как в атмосферном воздухе содержится 78 % азота, указанному парциальному давлению соответствует абсолютное давление 7 атм (глубина погружения — 60 м. У пловца на этой отметке появляются возбуждение, снижается внимание и работоспособность, затрудняется ориентировка, появляется головокружение). Далее — на глубине 80-100 м — развиваются зрительные и слуховые галлюцинации. Кроме того, здесь человек практически нетрудоспособен из-за наркотического воздействия азота воздуха.

Кислород в больших концентрациях даже в условиях атмосферного давления действует токсически. Так, при парциальном давлении кислорода в одну атмосферу (дыхание человека чистым кислородом в атмосферных условиях) уже после 72 ч в легких развиваются воспалительные явления, переходящие в отек легких. При парциальном давлении кислорода более 3 атм через 15-30 мин возникают судороги, и человек теряет сознание. При малом парциальном давлении кислорода во вдыхаемом воздухе (ниже 0,16 атм) кровь, протекающая через легкие, насыщается кислородом не полностью, что приводит к снижению работоспособности, а в случаях острого кислородного голодания — к потере сознания. Факторы, предрасполагающие к кислородному отравлению: напряженная физическая работа, переохлаждение или перегревание, содержание во вдыхаемом воздухе значительной примеси углекислого газа.

Поддержание нормального содержания углекислого газа в организме регулируется центральной нервной системой, которая очень чувствительна к его концентрации. Повышенное содержание углекислоты в организме приводит к отравлению, пониженное — к снижению частоты дыхания и его остановке (апноэ). В нормальных условиях в атмосферном воздухе содержится 0-0,3 % углекислоты, т.е. парциальное давление = 0,0003 атм. Если парциальное давление углекислого газа во вдыхаемом воздухе повышается более 0,03 атм, организм уже не справляется с выведением этого газа путем усиления дыхания и кровообращения. Следует иметь в виду, что согласно парциальному давлению 0,03 атм на поверхности соответствует концентрация углекислого газа 0,3 %, а на глубине 40 м (абсолютное давление 5 атм) — 0,6 %.

Повышенное содержание углекислоты во вдыхаемом воздухе усиливает токсическое действие азота, которое может проявляться уже на глубине 45 м.

Пребывание под повышенным давлением влечет за собой насыщение организма газами, которые растворяются в тканях и органах. При атмосферном давлении в организме человека массой 70 кг растворено около одного литра азота. С повышением давления способность тканей поглощать газ увеличивается пропорционально абсолютному давлению воздуха. Степень насыщения организма газами зависит от их парциального давления, а также от скорости кровотока и легочной вентиляции, т.е. от степени нагрузки. Снижение давления (декомпрессия) вызывает освобождение индифферентного газа из тканей. Избыток растворенного газа попадает в кровь, далее в легкие, откуда путем диффузии выводится в окружающую среду.

Особенностью подводного плавания является необходимость интенсивной физической нагрузки на фоне задержки дыхания (произвольного апноэ), т.е. в условиях, когда в организм не поступает кислород. Охлаждающее действие воды увеличивает потребление кислорода, вызывая острую кислородную недостаточность. Предшествующая нырянию гипервентиляция, т.е. частое глубокое дыхание, способствующее повышению содержания кислорода в крови и снижению концентрации углекислоты, нередко становится причиной несчастных случаев. После гипервентиляции потребность сделать вдох некоторое время не ощущается в связи с тем, что концентрация углекислоты в крови недостаточна для возбуждения дыхательного центра. Если ныряльщик усилием воли тормозит желание сделать вдох, то концентрация углекислоты продолжает нарастать, а при длительном воздействии углекислоты возбудимость дыхательного центра снижается. Постепенно нестерпимое желание сделать вдох проходит. В то же время происходит интенсивное использование кислорода, концентрация его в крови снижается, но на глубине парциальное давление кислорода соответственно выше, что позволяет ныряльщику дольше находиться под водой без ощущения признаков кислородного голодания. Например, на глубине 30 м (абсолютное давление воздуха 4 атм) при снижении содержания кислорода в воздухе легких до 5 % ныряльщик чувствует себя хорошо, т.к. парциальное давление кислорода в легких (Р = 5,0*0,01*4=0,2 атм) такое же, как в атмосферном воздухе. Во время всплытия парциальное давление кислорода начинает быстро снижаться как за счет продолжающегося потребления кислорода, так, и, главным образом, за счет снижения абсолютного давления:

20 М=Р кислорода=0,15 атм.
10 М=Р кислорода=0,1 атм.
0 М=Р кислорода=0,05 атм.

Такое резкое снижение парциального давления кислорода приводит к потере сознания. Частота потери сознания во время ныряния в длину на 1000 занимающихся составляет 34 случая за 3 года, по данным А.Крэга (1961, 1963, 1976 гг.). Крэг и другие исследователи считают, что причиной этих и подобных трагических случаев могла явиться чрезмерная гипервентиляция перед погружением.

В целях предупреждения гипоксии используют метод, предложенный ведущим специалистом медико-профилактической комиссии CMAS доктором Чарли Р. Суть его в следующем: ныряльщику предлагают выполнить усиленную гипервентиляцию и засечь по секундомеру время от ее начала до появления признаков снижения концентрации углекислоты в крови (гипокапнии), т.е. до появления легкого головокружения, чувства «ползания мурашек по коже», «покалывания» в кончиках пальцев рук. Полученное время делят на три. Результат есть время продолжительности гипервентиляции перед стартом.

Необходимо помнить, что настойчивая потребность сделать вдох во всех случаях должна служить сигналом к немедленному всплытию.

Для измерения давления (ед.силы воздействияна ед. площади) применяются следующие единицы:

Н/м2 — 1 Па, 1 атм — 1 кг/см2,
1 м вод. ст., 1 мм рт.ст.

Соотношения между этими единицами следующие:

1 кгс/см2 = 9,80665 * 10000 Па = 100 кПа = 0,1 МПа
1 м вод.ст. = 9806,65 Па = 10 кПа
1 мм рт.ст. = 133,322 Па = 0,13 кПа
удельная масса морской воды = 1025 кгс/м3
атмосферное давление — 760 мм.рт.ст.

Текст: Илья Роффе,
инструктор московского PADI дайв-центра,
врач анастезиолог-реаниматолог

Метки: Эскулап.

Вам понравилась статья? Поделитесь с другими!

Источник