Что такое отрицательная плавучесть
Плавучесть
Плавучесть — свойство погружённого в жидкость тела оставаться в равновесии, не выходя из воды и не погружаясь дальше, то есть плавать. Также — раздел теории корабля, изучающий плавучесть.
Содержание
Закон Архимеда
Древнегреческий учёный Архимед сформулировал закон, по которому погружённое тело плавает в равновесии, когда его вес равен весу вытесненного им объёма жидкости.
При этом сила выталкивания, по природе сила давления, зависит от плотности жидкости (ρfluid), а вес (Gravity) от плотности тела (ρobject). Обе силы являются равнодействующими распределённых нагрузок. Понятно, что чем выше плотность жидкости, тем меньшая часть тела погрузится до равновесия. Наоборот, чем больше плотность тела при заданном объёме, тем больше его масса m, и тем глубже оно погрузится.
При отсутствии поверхностного натяжения, уравнение равновесия плавающего тела будет выглядеть:
где Pobject — вес тела, g — ускорение свободного падения, Pim — вес погружённого тела.
Считают, что Архимед вывел этот закон, решая задачу определения плотности тела, не прибегая к объёмам. По легенде, ему требовалось узнать, из золота ли сделана корона, весившая столько же, сколько золотой слиток. Прямо измерить объём короны он не мог из-за её сложной формы. [1]
Плавучесть корабля (судна)
Запас плавучести
Под плавучестью корабля понимают его способность оставаться на плаву при заданной нагрузке. Эта способность характеризуется запасом плавучести, который выражается как процент объёма водонепроницаемых отсеков выше ватерлинии к общему водонепроницаемому объёму. Любое нарушение непроницаемости ведёт к снижению запаса плавучести. Для корабля (судна), у которого корпус водонепроницаем по главную палубу:
где Vн — объём подпалубных помещений над ватерлинией, Vo — весь объём подпалубных помещений.
Уравнение равновесия в этом случае имеет вид:
где P — вес судна, γ — плотность воды, V — погружённый объём, и называется основным уравнением плавучести
Физический смысл запаса плавучести — это объём воды, который судно может принять (скажем, при затоплении отсеков), ещё оставаясь на плаву. Запас плавучести 50 % значит, что водонепроницаемый объём выше ватерлинии равен объёму ниже неё. Для надводных кораблей характерны запасы 50÷60 % и выше. Считается, что чем бо́льший запас удалось получить при постройке, тем лучше.
Нейтральная плавучесть
Когда объём принятой воды (для надводного корабля) в точности равен запасу плавучести, считается что плавучесть утеряна — запас равен 0 %. Действительно, в этот момент корабль погружается по главную палубу и находится в неустойчивом состоянии, когда любое внешнее воздействие может вызвать его уход под воду. А в воздействиях, как правило, недостатка нет. В теории этот случай называется нейтральная плавучесть.
Отрицательная плавучесть
При приёме объёма воды больше чем запас плавучести (или любого груза, большего по весу) говорят, что судно получает отрицательную плавучесть. В этом случае оно неспособно плавать, а может только тонуть.
Поэтому для судна устанавливается обязательный запас плавучести, который оно должно иметь в неповреждённом состоянии для безопасного плавания. Он соответствует полному водоизмещению и маркируется ватерлинией и / или грузовой маркой.
Гипотеза прямобортности
Для определения влияния переменных грузов на плавучесть пользуются допущением, при котором считается, что прием малых (менее 10 % водоизмещения) грузов не меняет площадь действующей ватерлинии. То есть изменение осадки считается так, словно корпус является прямой призмой. Тогда водоизмещение прямо зависит от осадки.
Исходя из этого, определяется фактор изменения осадки, обычно в т/см:
где S — площадь действующей ватерлинии, q означает величину изменения нагрузки в тоннах, необходимую для изменения осадки на 1 см. При обратном расчете он позволяет определить, не вышел ли из допустимых пределов запас плавучести.
Глава пятая
ФИЗИКА ПЛАВАНИЯ
В предыдущих главах вам не раз встречалось упоминание о способе отдыха в заплыве. И читатель не раз, наверное, сомневался: а можно ли так лежать каждому в воде, без движения, это только, дескать, доступно редким людям. Так вот, я обоснованно утверждаю: это может каждый. Давайте же теперь вместе и разберемся, в чем состоят секреты такой плавучести. Несмотря на то, что книга посвящена непотопляемости, как в первую очередь психологической проблеме, надо хорошо познакомиться с физическими предпосылками плавания, а также с различными приемами статического плавания, дающими человеку возможность уверенно чувствовать себя в воде.
Способность тела удерживаться па воде, не опускаясь в глубину, называется плавучестью. Ее создает подъемная сила, происхождение которой более двух тысяч лет назад объяснил Архимед: «Тело, погруженное в жидкость, теряет в весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость», или, иными словами, «на погруженное в жидкость тело действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости». Плавучесть человека зависит от степени развития костного скелета и мускулатуры, но главным образом — от умения глубоко дышать: ведь, совершая вдох, мы увеличиваем объем грудной клетки, а это при неизменном весе ведет к уменьшению средней плотности тела. Так, при обычном, неглубоком вдохе, который делает каждый из нас в покое, тело бывает чуть «тяжелее» пресной воды — с удельным весом около 1,01. Глубокий вдох способствует тому, что тело становится более «легким» — с удельным весом от 0,99 до 0,94, и тогда нетрудно удержаться на воде без движения — в плавучем состоянии,
Те, кому доводилось купаться в море, замечали, что соленая вода держит пловца лучше, чем пресная. Действительно при плотности морской воды 1,02—1,03 и весе пловца 70–80 килограммов (среднюю плотность человеческого тела примем за единицу) можно подсчитать, что запас плавучести за счет солености воды составит 1,5–2,5 килограмма.
Полистайте учебники плавания. Для начинающих там есть упражнения, которые не только помогают привыкнуть к воде, учат делать выдох в воду, но и демонстрируют способность тела к плавучести. Это «поплавок» (или «бочонок»), «медуза», «стрела», «солнце» — упражнения, доступные каждому человеку, кроме людей с хроническими заболеваниями легких, у которых вследствие болезненного процесса воздушность легочной ткани уменьшена и способность глубокого вдоха значительно снижена.
Итак, плавучесть прежде всего зависит от объема воздуха, который пловец способен набрать в легкие. Иными словами, глубина вдоха, увеличение объема грудной клетки являются главным механизмом, регулирующим плавучесть. Тут все взаимосвязано: от хорошо развитого дыхания увеличивается наша способность держаться на воде, плавание же, в свою очередь, как никакой другой вид спорта, развивает дыхательную систему — увеличивает жизненную емкость легких, вырабатывает правильный ритм дыхания. Таким образом, занимаясь плаванием регулярно, можно постепенно увеличить свою плавучесть.
Начинающие пловцы нередко отмечают боли в грудной клетке, жалуются, что с непривычки устают дышать в заплыве. Это характерно для нетренированных людей, которым даже небольшой проплыв, проходящий к тому же на фоне психической и физической напряженности (расслабляться такой пловец еще не научился), дается ценой максимальных усилий. Немудрено, что и дыхательные мышцы, не достигшие у новичков нужного развития, устают первыми. В систематических тренировках, которые укрепят мускулатуру, придет и умение расслабляться, позволяющее избавиться от болезненных ощущений.
Статическое плавание. Умение находиться в воде без движения в плавучем состоянии и при этом беспрепятственно дышать называется статическим плаванием. Этот навык черезвычайно важен в аспекте проблемы непотопляемости — именно статическое плавание дает человеку возможность отдыха в воде, особенно необходимого в минуты психогенной напряженности.
Какова физика статического плавания?
Любое свободно плавающее тело размещается в жидкости так, что его центр тяжести находится на одной вертикали с центром погруженного объема. Если этого нет, то тело пребывает в состоянии неустойчивого равновесия и стремится выйти из него.
Центр тяжести тела при горизонтальном положении — точка G. Условный центр приложения подъемной архимедовой силы — точка А. Тело перемещается в пространстве, пока центры не окажутся на одной вертикали.
Центр тяжести человеческого тела, лежащего в воде, находится на уровне первого-второго крестцовых позвонков, а центр объема — на несколько сантиметров ближе к голове. Поэтому в горизонтальной позе с руками, лежащими вдоль туловища, ноги стремятся опуститься, и это продолжается до тех пор, пока тело не займет почти вертикальное положение, и центр тяжести не окажется под центром объема. Это движение ног вниз увлекает пловца с головой под воду, однако погружение можно приостановить, слегка поработав ногами, как в стиле кроль или по типу велосипеда, а можно совершать легкие толчковые движения руками, что, правда, уже требует от человека каких-то усилий, исключая полный отдых и неподвижность.
Чтобы обеспечить устойчивое горизонтальное равновесие тела в воде, достаточно завести прямые руки за голову. При этом центр тяжести переместится чуть ближе к голове и совпадет по вертикали с центром объема. Если этого изменения позы недостаточно и ноги все-таки продолжают опускаться, можно высунуть из воды пальцы или кисти рук. Ноги сразу всплывут и появятся над водой. Кстати, не нужно стремиться высунуть их из воды, это допустимо лишь при достаточном запасе плавучести. Ноги и все тело могут занимать под водой и наклонное положение. Для отдыха важно оставаться в расслабленной и неподвижной позе.
Некоторые люди с повышенной плавучестью подкладывают под голову согнутые в локтях руки и, приподнимая их из воды, регулируют равновесие. Бывает достаточно раскинуть руки в стороны или широко развести ноги — центр тяжести чуть смещается в сторону головы, и ноги всплывают. Наконец, можно согнуть их в коленях и добиться того же эффекта равновесия. Однако в этом непривычном для нас положении со «свесившимися» ногами не удается оставаться с полным расслаблением мускулатуры: скоро появляются неприятные ощущения в мышцах бедер, что заставляет выпрямить ноги.
Достаточно выставить из воды пальцы или кисти рук, как ноги всплывут к поверхности и тело примет устойчивое положение на спине.
Как видите, есть много возможностей поддерживать состояние горизонтального равновесия в воде. Надо только хоть однажды «прочувствовать» это, и тогда легко научиться лежать долго в такой позе. И все же, повторяю, главным фактором, обусловливающим плавучесть, для большинства людей остается глубина вдоха, степень развертывания грудной клетки. Если сделать недостаточно полный вдох, запас плавучести может оказаться малым и будет трудно балансировать во взвешенном состоянии.
Разучивая позу отдыха на спине, можно сначала отработать исходное положение тела на суше: лечь на спину со слегка разведенными ногами и прямыми, вытянутыми за голову руками. Расслабление мускулатуры должно быть полное: любое напряжение мешает правильно овладеть этим приемом отдыха. В воде первые уроки статического плавания лучше проводить при тихой погоде, когда волна не заливает лицо и не пугает новичка.
Ошибки, допускаемые при разучивании позы отдыха, сводятся к следующему: чрезмерно выставляются из воды кисти рук, предплечья, локти, слишком обнажаются из воды живот или грудь; недостаточно запрокидывается голова из-за боязни, что вода зальет уши, лицо; неправильно дыхание (вдох должен быть коротким, но глубоким, выдох — задержанным, медленным); нет полного расслабления, мышцы напряжены. Вероятно, таких ошибок будет меньше, если пловец сначала научится делать выдох в воду и усвоит первые упражнения на плавучесть, в частности поворот в воде со спины на живот и обратно. Технически этот прием осуществляется так: сделав наплыв вперед с опущенной в воду головой и вытянутыми руками, надо постепенно поворачиваться па левый бок. При этом левая рука остается вытянутой (по не напряженной!), и на нее как бы ложится голова, а правая рука совершает круг перед туловищем и, не высовываясь из воды, проводится за голову, располагаясь рядом с левой. Подобный переход к отдыху на спине может быть совершен и через правый бок с соответствующей сменой рук.
Чтобы выполнить упражнение «поворот на спину» без излишнего погружения, надо ни на мгновение не высовывать руки из воды. Тогда не возникнет топящая сила и вода не зальет лицо, повернутое кверху.
При освоении горизонтальной позы отдыха сначала трудно следить за руками, поэтому локти, предплечья, кисти высовываются из воды больше, чем это позволяет индивидуальная плавучесть. Тут сразу обнаруживает себя топящая сила, и вода будет заливать нос. Это вызывает неприятные ощущения, заставляя каждый раз вставать на ноги, если мелко, или переворачиваться на живот.
Добрую услугу здесь может оказать зажим для носа. Одно время они продавались в комплекте с маской и дыхательной трубкой для подводного плавания. Сейчас изменилась конструкция, и сжимающие нос резиновые выступы вмонтированы в маску. Если не удастся достать зажим, то его может заменить самодельный, наподобие бельевой прищепки, который своими резиновыми лапками мягко придавливает крылья носа. На период разучивания позы отдыха можно применять затыкание ноздрей ватой с вазелином.
В период разучивания позы отдыха на спине такие зажимы позволяют избежать попадания в нос воды. Их можно изготовить и самостоятельно.
Отдыхать можно и в вертикальном положении, правда, эта поза применима в основном при спокойной поверхности воды в тихую погоду. Прочувствовать ее первый раз проще, если из положения на спине постепенно переходить в вертикальное, уложив руки вдоль туловища. При этом ноги начнут опускаться, набирая скорость. Как только они станут приближаться к отвесной линии, важно успеть сделать глубокий вдох и чуть оттолкнуться руками, чтобы погасить инерцию опускающихся ног. Голову нужно запрокинуть как можно дальше (но без напряжения!) к спине. Тогда лицо не скроется под воду, тело же займет вертикальное положение. Дыхание в этой позе должно быть таким, как при отдыхе на спине, а глубина вдоха и здесь играет главную роль.
Удерживаться в воде вертикально совсем без движения несколько труднее, чем в позе «отдых на спине»: быстро устают мышцы шеи и затылка, сказывается давление воды на грудную клетку. Кроме того, горизонтальное положение более удобно при значительном волнении — в лицо попадает меньше воды и легче дышать. Это особенно важно для восстановления нормального дыхания, если оно было сорвано в момент наибольшей нагрузки. Таким образом, осваивать вертикальную позу отдыха целесообразно, лишь овладев навыком отдыха на спине.
Гидростатическое давление возрастает по мере погружения. Сравните толщину слоя воды (h) при горизонтальном и вертикальном положении тела и прикиньте, как изменяется давление воды на живот и грудную клетку.
В последнее десятилетие пропагандируется метод длительного удерживания себя на воде, предложенный американским тренером Фредом Лану и являющийся разновидностью вертикальной позы отдыха. Предназначен он в первую очередь для людей, которые, оказавшись в воде, почему-либо не могут плыть и должны продержаться до прихода помощи. В его основе лежит использование той самой плавучести, которой обладает каждый человек со здоровыми легкими и с их жизненной емкостью не менее трех литров (это у взрослого, у детей же она соответственно возрасту меньше).
Особенность этого метода заключается в чередовании периода расслабления — основной и наиболее длительной фазы отдыха — с периодом незначительных движений, необходимых для того, чтобы поднять из воды лицо и сделать вдох (выдох осуществляется под водой). Весь цикл от одного вдоха до другого вначале занимает 9—14 секунд, по мере тренировки он может удлиниться за счет задержки дыхания и замедленного выдоха.
Состоит цикл из пяти основных фаз:
1) короткий вдох ртом с поднятым из воды лицом (1–2 секунды);
2) погружение с головой в воду, легкие движения рук гасят инерцию опускания (2 секунды);
3) полное расслабление в воде (4–6 секунд). В середине этой паузы начинается постепенный выдох — медленно выпускаются пузыри воздуха через рот или нос;
4) подготовка к поднятию головы: одна нога выводится вперед (ноги в положение открытых ножниц), а руки медленно подносятся к лицу. Выдох продолжается еще 1–2 секунды;
5) гребок руками от лица и сводящее движение ногами (ножницы закрываются); тело принимает почти вертикальное положение, голова поднята над водой для вдоха (1–2 секунды).
Затем все повторяется снова — фаза расслабления с задержкой дыхания, потом постепенный выдох. Он может быть растянутым и прерывистым (выдох порциями); растянутым, непрерывным; коротким, форсированным (быстрым).
Последний наименее предпочтителен, так как вынуждает долго держать грудную клетку развернутой на вдохе, а это утомляет дыхательные мышцы, и без того работающие в условиях повышенной нагрузки, вызванной давлением воды на тело.
Ошибки, которые обычно совершают в начале обучения, заключаются в следующем:
1) делается слишком глубокий вдох, и, так как сразу за этим не следует выдох, межреберные мышцы быстро устают, появляются боли в груди;
2) противоположная ошибка: делается мелкий вдох. Это сокращает фазу расслабления, заставляя чаще дышать, больше двигаться, что опять-таки не дает необходимого отдыха;
3) слишком затянута дыхательная пауза — время от конца выдоха до начала вдоха. От этого тоже скорее устают мышцы грудной клетки. Дыхательная пауза может быть исключена совсем или, в зависимости от тренированности, длиться 2–6 секунд;
4) затянут весь цикл от одного вдоха до другого: возникает чувство удушья, начинает «стучать в висках», появляется нервозность. Все это быстро утомляет пловца и не ведет к желаемым результатам.
Средний ритм, не требующий напряжения и хорошо переносимый, состоит из 5–8 циклов (вдохов) в минуту.
Способ длительного удержания себя на воде с минимальной тратой физических сил (метод Фреда Лану):
а) вдох, подготовка к погружению; б) начало погружения, притормаживание руками, расслабление; в) полное расслабление, начало медленного выдоха; г) расслабление, продолжение выдоха; д) под* ведение рук к лицу и разведение ног ножницами для толчка, позволяющего принять более вертикальное положение, конец выдоха; е) толчок руками и ногами, подъем головы, вдох.
Метод Фреда Лану действительно хорош и достоин того, чтобы быть освоенным каждым. Это можно сделать очень быстро, примерно за час. Особенно метод незаменим в том случае, когда в горизонтальной позе лежать не удается, например, если человек оказался в воде одетым.
Однако в целом для отдыха надо считать более удобной горизонтальную позу (если она возможна), особенно при порывистом ветре, срывающем гребни волн, когда приходится следить за обстановкой вокруг, чтобы успевать чередовать вдох и выдох с моментами захлестывания лица водой. С опущенным по методу Фреда Лану в воду лицом труднее ориентироваться. Но когда требуется долго продержаться в воде, рекомендуется чередовать оба способа. Поэтому, важно овладеть разными приемами отдыха, как и несколькими способами плавания, чтобы менять их, если наступает усталость или возникает чувство апатии от надоевших однообразных движений, чтобы лучше приспосабливаться к волнению на воде и, конечно, более уверенно чувствовать себя в любых условиях.
Важно помнить, что грудная клетка в любом из этих способов отдыха находится в состоянии некоторого повышенного вдоха, поэтому выдох должен быть по возможности полным. Лишь тогда обеспечивается достаточная вентиляция легких и газообмен соответствует запросам организма.
Динамическое плавание. Несмотря на то, что с физикой динамического плавания люди знакомы в большей степени, чем с приемами статического плавания, здесь есть моменты, на которые надо обратить внимание.
Известно, что, отбрасывая ногами воду, отталкиваясь от нее руками, мы создаем силу тяги на основании третьего закона Ньютона, по которому «всякому действию есть равное ему и противоположное по направлению противодействие».
Эта реактивная сила и помогает нам плыть, удерживая голову над водой. Но чем больше энергии уходит на поддержание выступающей из воды головы, тем меньше ее остается для продвижения вперед.
В этом и заключается одна из серьезнейших ошибок, которую совершает в критические минуты плохо плавающий человек: пугаясь и задыхаясь, он тратит свои последние силы на то, чтобы высовывать голову из воды как можно выше. Но это стремление находится в явном противоречии с законом Архимеда: чем большая часть тела выступает над водой, тем больше мышечной энергии требуется для удержания его у поверхности — ведь эта часть тела не уравновешена выталкивающей силой воды.
Встречались вам, конечно, такие пловцы, которые, плывя вразмашку, стремятся высунуться из воды чуть ли не до пояса, причем руки у них порхают, едва касаясь воды. Продвигаются они небыстро, но им это и надо, чтобы подольше покрасоваться на виду у других.
Понятно, что нагрузка здесь приходится в основном на ноги, с помощью которых пловец «выпрыгивает» из воды. Однако способ этот непрактичен: «форса» хватает ненадолго, поэтому копировать таких пловцов неразумно.
Абсолютное большинство «водоплавающих», не пройдя обучения, пользуется народными способами, которые отдаленно напоминают классические и относятся к разряду вольных: саженками, на боку, по-собачьи, по-лягушачьи, по-морскому. Иногда такие пловцы могут совершать сравнительно далекие заплывы, однако, не владея основами правильного дыхания и отдыха, быстрее устают, а главное, могут оказаться беспомощными в критической ситуации, если, например, на реке начнется волнение, особенно при встречном ветре, когда срывающаяся волна плещет в лицо, сбивает дыхание и заставляет пловца поднимать голову выше над водой. Это требует большего напряжения, выматывает физически и морально.
Когда в проплыве человек все время держит голову над водой, его тело вынужденно занимает наклонное (к поверхности воды) положение, иначе быстро устает шея от запрокинутой головы. А чем менее горизонтально держится пловец, тем заметнее возрастает лобовое сопротивление и снижается скорость движения, тем больше сил уходит впустую.
Это не имеет значения, если речь идет о плавании «в свое удовольствие». Но когда дистанцию надо проплыть быстро, да еще при ветреной погоде, или помогая уставшему товарищу, либо продвигаясь с грузом, то сделать это, не опуская голову в воду, бывает трудно или даже невозможно. Вот в таких обстоятельствах особенно важно владеть основами спортивного плавания, ибо только оно обеспечивает высокую скорость передвижения при строгой экономии сил.
Приглядитесь к спортсмену на дистанции. Каким бы способом он ни плыл, главное неизменно: голова опущена в воду, поднимает он ее лишь на мгновение для короткого вдоха, выдыхает всегда только в воду — и ни одного лишнего движения. Так и надо плавать!
Короче говоря, необходима начальная школа спортивного плавания, которую должен пройти каждый.
Осторожно: глубина!
Будущему подводному пловцу.
В одной из популярных книг об изобретателе акваланга Жак-Ив Кусто говорится: «Плавать под водой безопасно и увлекательно. Но люди, которые не подготовились, как следует, для плавания под водой, могут попасть в беду.
Не погружайтесь на глубину, пока не будете знать физиологии подводного плавания и правил дыхания при повышенном давлении. Хорошо изучите, как действует ваш воздушный аппарат и вызубрите наизусть водолазные таблицы, чтобы знать, сколько времени можно оставаться на той или иной глубине.
Прежде чем погружаться, непременно изучите руководство. Внимательно прочтите все, что в нем сказано о трех главных опасностях. Первая – газовая эмболия, вторая – глубинное опьянение, третья – пресловутая кессонная болезнь. Все опасности легко избежать, если знать водолазные таблицы.
Золотое правило: «Никогда не погружайтесь в одиночку!» Под водой каждый внимательно следит за товарищами, не уходит из поля зрения и всегда готов придти на помощь другу. Наибольшая радость и наибольшая отдача – удел тех, кто заранее изучил правила поведения под водой и тренируется в составе группы».
В наши дни акваланг и другое снаряжение для подводного плавания доступны всем, были бы деньги. Эта доступность порождает иллюзии безопасности подводного плавания без достаточных знаний и тренировок и зачастую приводит к печальным результатам.
Часто можно наблюдать как снаряженный аквалангист идет под воду в одиночку, плавает неизвестно где, вызывая беспокойство у своих товарищей на берегу. Они могут ориентироваться только по времени. Это недопустимо! Нырять нужно в составе пары, а если в одиночку, то с буйком и в сопровождении плавсредства. Особенно это важно в начале занятий подводным плаванием.
Все водолазные происшествия случаются от незнания, нарушения правил и большого самомнения («Я все знаю!»).
Автор несколько лет был инструктором и преподавателем легководолазного дела и водолазной физиологии во Владивостокском морском клубе ДОСААФ и мореходной школе Морфлота. Считаю в обязательном порядке проводить легководолазную подготовку рядового и командного состава флота. Все моряки должны уметь грамотно использовать акваланг.
При работе на плавбазах Крабофлота неоднократно приходилось погружаться под воду для освобождения винтов сейнеров от сетей. На мое предложение снабдить плавбазы и сейнеры аквалангами мне ответили, что мое предложение – не рационализаторское. Плавбазы были оснащены водолазным снаряжением СВВ-55 (снаряжение с выходом в воду), для обслуживания которого необходимо было привлекать несколько человек обеспечивающих специалистов, а с аквалангом такие задачи решались значительно проще. В настоящее время учебников и руководств по подводному плаванию в продаже нет. К сожалению, их нет и в библиотеках.
Не претендуя на изложение полного курса обучения подводному плаванию, предложим читателю сведения о физических и физиологических основах подводного плавания в аппаратах на сжатом воздухе, как это требуется для подготовки аквалангистов в специальных руководствах.
Физические условия подводного плавания
Организм человека приспособлен к существованию в воздушной среде. В воде – среде, не поддающейся сжатию, намного более плотной, чем воздух, – человеческий организм ведет себя совершенно иначе, чем на суше. Поэтому желание людей проникнуть в глубину моря связано с преодолением многих трудностей физического и физиологического характера.
Давление. В обычных условиях человек испытывает давление в одну атмосферу, т.е. 1 килограмм на каждый квадратный сантиметр кожного покрова. В целом это составляет нагрузку примерно в 16 тонн!
Но давление воздуха внутри организма уравновешивает давление извне. Вода, однако, значительно тяжелее, чем воздух. Погружаясь в нее, человек испытывает повышение давления, величина которого определяется весом столба воды над ним. Чем глубже погружение, тем больше величина давления. Так, при погружении в воду на глубину 10 метров давление на тело снаружи увеличивается приблизительно в два раза по сравнению с атмосферным. На глубине 20 метров оно утраивается, и так далее.
При этом баланс между внешним давлением на тело и внутренним давлением в организме все больше и больше нарушается, что влечет за собой различные негативные последствия. Например, на глубине 20 метров у человека могут лопнуть барабанные перепонки в ушах. Усиливается также сжатие грудной клетки. Вот почему погружение на глубину свыше 40 метров невозможно без специального костюма и шлема. Кроме того, подводным пловцам следует помнить, что наибольший относительный прирост давления (100%) приходится на первые 10 метров погружения. В этой критической зоне наблюдаются значительные физиологические перегрузки, наиболее опасные для начинающих пловцов-подводников.
Удельный вес и плотность. Удельный вес воды зависит от температуры и плотности. В свою очередь, плотность, хотя и незначительно, изменяется под действием температуры. Так, при 20 градусах плотность воды на 0,2% меньше, чем при 4 градусах. Дистиллированная вода, свободная от всяких примесей, при температуре 4 градусов имеет удельный вес 1, т.е. 1 мл воды весит 1 г. Вода служит условной единицей, с которой сравниваются удельные веса всех жидкостей и твердых тел. Морская вода тяжелее речной на 2,5-3% из-за наличия в ней большого количества солей, а удельный вес ее в среднем равен 1,025.
Удельный вес тела имеет значение при определении его плавучести.
Плавучесть тела. При погружении в воду на любое тело действуют две противоположно направленные силы – сила тяжести и сила плавучести. Сила тяжести – это собственный вес тела. Она направлена вертикально вниз. Точка приложения ее называется центром тяжести. Одновременно вода препятствует погружению тела, как бы выталкивая его на поверхность. Эту выталкивающую силу называют силой плавучести. Она направлена вертикально вверх. Точка приложения этой силы называется центром плавучести. По закону Архимеда, тело, погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненный им объем жидкости. Таким образом, все зависит от объема жидкости, который вытесняет тело во время погружения. Больший объем – большая сила плавучести и наоборот.
В том случае, когда вес тела больше веса вытесненной им воды, оно будет тонуть, так как обладает отрицательной плавучестью.
Величина отрицательной плавучести равна разности между собственным весом тела и весом объема жидкости, вытесненной им при погружении.
Если же вес объема вытесненной жидкости больше собственного веса тела, то последнее будет плавать, обладая положительной плавучестью, величина которой равна разности между весом объема вытесненной жидкости и весом тела.
Понятие о плавучести имеет большое значение для подводных пловцов. От умения уравновесить себя в воде зависит успех работы и даже безопасность пребывания под водой.
Вследствие большой плотности воды человек, погружаясь в нее, находится в условиях, близких к состоянию невесомости. При выдохе средний удельный вес человека находится в пределах 1,020-1,060 кг/м3 и наблюдается отрицательная плавучесть 1-2 кг, – разность между весом вытесненной телом воды и его весом. При вдохе средний удельный вес человека понижается до 0,970 кг/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 кг. Большая отрицательная плавучесть требует постоянных активных движений для удержания на нужной глубине и обычно создается только при работах с опорой на грунт (объект).
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 кг. 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 метров брассом за 37,1 сек, под водой проплывает то же расстояние за 32,2 сек.
Средняя скорость плавания под водой в гидроодежде с дыхательным 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 (5,4 км/час).
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 до 1000 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, то лучи света проходят через воду и попадают в глаз, почти не преломляясь. Пои этом лучи сходятся не у сетчатой оболочки, а значительно дальше, за ней. В результате острота зрения ухудшается к 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 проходит 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. Но опытные пловцы приспосабливаются к этим особенностям зрения и не испытывают затруднений.
Резко ухудшается в воде цветоощущение. Особенно плохо воспринимаются синий и зеленый цвета, которые близки к естественной окраске воды, лучше всего – белый и оранжевый.
Ориентирование под водой представляет определенные трудности. На поверхности человек ориентируется в окружающей среде с помощью зрения, а равновесие его тела 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 надежда лишь на 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 градусов.
Больше 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 градусов.
Для ориентирования под водой пловец вынужден использовать внешние факторы, сигнализирующие о положении тела в пространстве: движение пузырьков выдыхаемого воздуха, буйки и т.п. Большое значение для ориентирования под водой имеет тренировка.
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.
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;00001 секунды. Столь незначительная разница по времени поступления сигнала плохо дифференцируется, и четкого пространственного восприятия звука не происходит. Следовательно, установить направление на источник звука под водой человеку трудно.
Охлаждение организма в воде протекает гораздо интенсивнее; чем на воздухе. Теплопроводность воды в 25 раз, а теплоемкость в 4 раза больше, чем воздуха. Если на воздухе при 4 градусах человек может без особой опасности для своего здоровья находиться в течение 6 часов и при этом температура тела у него почти не понижается, то в воде при такой же температуре незакаленный человек без защитной одежды в большинстве случаев погибает от переохлаждения уже спустя 30-40 минут. Охлаждение организма усиливается с понижением температуры воды и при наличии течения.
В воздушной среде интенсивные теплопотери при температуре воздуха 15-20 градусов 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 быстрее 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. Вследствие интенсивного охлаждения и обжатия гидростатическим давлением кожная чувствительность в воде понижается, болевые ощущения притупляются, поэтому могут оставаться незамеченными небольшие порезы и даже раны.
При спусках под воду в гидрозащитной одежде температура кожи понижается неравномерно. Наибольшее падение температуры кожи отмечается в конечностях.
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 кг/см2 больше, чем голова. К верхним областям тела, где давление меньше, кровь приливает (полнокровие), от нижних областей тела, где давление больше, отливает (частичное обескровливание). Такое перераспределение тока крови 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 кг/см2 и нагрузка на сердце возрастает незначительно.
Дыхание под водой возможно лишь при том условии, что внешнее давление воды равно внутреннему давлению воздуха в системе «легкие – дыхательный аппарат». Несоблюдение этого равенства затрудняет дыхание или делает его вообще невозможным. Так, дыхание через трубку на глубине 1 метр при разности между внешним и внутренним давлением 0,1 кг/см2 требует большого напряжения дыхательных мышц и долго продолжаться не может, а на глубине 2 метра дыхательные мышцы уже не в состоянии преодолеть давление воды на грудную клетку.
Если считать площадь грудной клетки 6000 квадратных см, то на глубине 2 м (гидростатическое давление 0,2 кг/см2) усилие со стороны воды на грудную клетку составит 0,2 х 6000 = 1200 кг!
Человек в покое на поверхности делает 12-24 вдохов-выдохов в минуту, и его легочная вентиляция (минутный объем дыхания) составляет 6-12 л/мин.
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. Даже незначительные изменения в его составе приводят к физиологическим сдвигам, которые являются компенсаторной защитой организма. При значительных изменениях компенсаторная зашита не будет справляться, в результате возникнут болезненные (патологические) состояния.
Не весь воздух, попадающий в организм, достигает легочных альвеол, где происходит газообмен между кровью и легкими. Часть воздуха заполняет дыхательные пути организма (трахею, 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 см кубических. При плавании с дыхательным аппаратом (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.
А это оказывает существенное влияние на длительность и скорость плавания под водой. Если сопротивление дыханию достигает 60-65 мм рт. ст., то дышать становится трудно и дыхательные мышцы быстро утомляются. Растягивая по времени фазу вдоха и выдоха, можно уменьшить скорость потока воздуха в дыхательных путях, что приводит к некоторому снижению легочной вентиляции, но в то же время заметно уменьшает сопротивление дыханию.
Окончание в следующем номере