В процессе эволюционного развития человеческий организм совершенствовался и приспособлялся к существованию в воздушной среде. Нормальная жизнедеятельность всех органов и тканей человека зависит от газового состава воздуха, атмосферного давления, температуры, влажности и других факторов внешней среды. Значительные изменения этих факторов могут вызывать существенные нарушения в организме. Окружающий нас атмосферный воздух является дыхательной газовой смесью имеющей следующий постоянный состав: азота – около 78% (по объему), кислорода – около 21%, углекислого газа – около 0,03%. Кроме этих газов, в состав атмосферного воздуха входит целый ряд других газов (аргон, гелий, неон, криптон, ксенон и др.), но практического влияния на организм водолазов и подводников эти газы не оказывают, т. к. находятся в воздухе в ничтожно малых количествах. В атмосферном воздухе присутствуют также водяные пары (до 4% по объему). Высокая влажность воздуха может вызывать у человека нарушение нормальных процессов выделения и поглощения тепла. Вся масса атмосферного воздуха своим весом давит на поверхность земли и находящиеся на ней предметы и человека с силой, уравновешиваемой столбом ртути в 760 мм на уровне моря, на широте 45° при 0° С. Эта величина, принятая за единицу давления, называется физической атмосферой и обозначается атм (атм = 760 мм рт. ст. или 10,33 м вод.ст., что соответствует 1,033 кгс/см). Атмосферное (барометрическое) давление, равное 1 атм, на-зывается нормальным. В технике и водолазном деле за единицу давления принимают давление в 1 кгс/см. Эта единица называется технической атмосферой и обозначается ат (1 ат = 1кгс/см2, что соответствует 10 м вод.ст. или 735,6 мм рт.ст., или 0,968 атм). Поверхность тела человека составляет 1,5…2 м 2. Следовательно, сила, с которой атмосферный воздух давит на тело человека, составляет 15…20 тс. Однако человек этого не ощущает, т. к. его тело состоит из 65% жидких и 35% твердых веществ, практически не сжимаемых. Кроме того, газ, растворяясь в организме, а также сжимаясь в воздухоносных полостях, создает противодавление, равное окружа-ющему давлению. Если выкачивать воздух из воздухоносных полостей, человек сразу ощутит всю тяжесть столба воздуха. Тело водолаза или подводника, находящегося в воде, испытывает дополнительное давление от веса столба воды. На каждые 10 м погружения в воду тело испытывает дополнительное давление в 1 ат. Оно называется избыточным и обозначается ати. Сумма избыточного и атмосферного давлений называется абсолютным давлением и обозначается ата. Например, на глубине 20 м на водолаза будет действовать абсолютное давление, равное 3 ата (2 ати за счет давления столба воды и 1 ат за счет давления воздуха). В водолазной практике давление определяют водолазными манометрами, которые всегда показывают величину избыточного давления. Однако необходимо принять во внимание величину абсолютного давления, т. к. абсолютное давление является определяющим при возникновении тех или иных нарушений в нашем организме. Для того чтобы водолаз или подводник не ощущал повышенного давления при спусках под воду, необходимо для дыхания применять воздух, сжатый до окружающего давления, который, проникая во все полости и ткани организма, будет уравновешивать внешнее давление. Равенство внешнего и внутреннего давлений – основное условие спусков под воду. Его необходимо строго соблюдать. Газы характеризуются следующими величинами: массой, занимаемым объемом, давлением и температурой. Все эти величины взаимосвязаны и взаимозависимы: при изменении одной из них меняются все остальные. Обратно пропорциональная зависимость между объемом газа и давлением при неизменной температуре устанавливается законом Бойля-Мариотта: P1V1 = P2V2, где P1 и P2 – начальное и конечное давление газа, ат; V1 и V2 – начальный и конечный объемы газа, л (или м3). Из этого закона следует, что при увеличении давления объем будет уменьшаться. Пользуясь этим выражением, можно определить запас воздуха, находящегося в баллонах дыхательного аппарата. Например, в двух баллонах, емкостью по 1 л каждый, под давлением 200 ат находится
приведенного к нормальному давлению воздуха. При одном и том же давлении повышение температуры газа приводит к увеличению его объема: «Объем данной массы газа при постоянном давлении прямо пропорционален температуре» (закон Гей-Люссака). Такая же зависимость существует между давлением газа и его температурой при постоянном объеме (закон Шарля).Эти соотношения можно выразить формулами:
где: V1 и V2 – начальный и конечный объем газов при постоянном давлении, л; t1 и t2 – начальная и конечная температура газа, °С; P1 и P2 – начальное и конечное давление газов при постоянном объеме, ат. Из данных формул видно, что в случае повышения или понижения окружающей температуры объем газа будет меняться, а при неизменном объеме будет повышаться или понижаться давление газа в сосуде. Поправку на температуру, т. е. повышение или понижение давления в баллонах в зависимости от температуры, водолазы учитывают при подводных погружениях. ПРИМЕР. При температуре 27°С давление газа в баллоне равно 200 ат. Каким будет давление газа при погружении под воду, если температура воды 10°С? По формуле находим:
Температурный фактор имеет существенное значение при хранении газа в баллонах: баллоны с газом под давлением нельзя хранить вблизи отопительных приборов и под воздействием солнечных лучей, так как давление может повыситься до величин, превышающих допустимые. Если между газами нет химического взаимодействия, то они относятся друг к другу индифферентно и смешиваются во всех пропорциях. Каждый из них распространяется по объему так, как если бы других газов совершенно не было. Этим пользуются в водолазном деле при приготовлении дыхательных газовых смесей, применяемых при глубоководных спусках. Влияние на организм оказывают не столько процентное содер-жание газа в газовой смеси, сколько его парциальное давление, т. е. давление, создаваемое каждым газом в отдельности. При изменении окружающего давления процентное соотношение газов в составе газовой смеси не меняется, а изменяется их парциальное давление. Парциальное давление газа зависит от общего (абсолютного) давления смеси газов и процентного содержания газа по объему в смеси. Оно определяется по формуле:
где а – процентное содержание газа в газовой смеси; Р – общее давление газовой смеси; ρ – парциальное давление газа. Парциальное давление газа может быть выражено в мм рт.ст., мм вод.ст., в ата или в кПа. Парциальное давление газов атмосферного воздуха равно:
около 8 мм рт.ст. приходится на долю инертных газов. Зная парциальное давление газа и его процентное содержание, всегда можно найти общее давление газовой смеси и, наоборот, зная давление и процентное содержание газа в смеси, можно рассчитать парциальное давление.
Водная среда и ее свойства.
Влияние водной среды на организм Организм человека приспособлен к существованию в воздушной среде. Пребывание человека под водой необычно, т. к. вода по своим физическим свойствам значительно отличается от воздуха: в ней нет газообразного кислорода, она значительно тяжелее и плотнее воздуха, имеет большую теплоемкость и высокую теплопроводность. Эти особенности создают специфические условия при погружениях под воду. Вода в 775 раз плотнее, а следовательно, и тяжелее воздуха. Если на поверхности Земли человек испытывает давление, равное 1 кгс/см 2, то на глубине всего лишь 10 м давление удвоится и будет равным 2 кгс/cм 2. Тело, погруженное в воду, теряет в весе столько, сколько весит вытесненный им объем воды (закон Архимеда). Вес тела человека обычно незначительно больше веса объема вытесняемой им воды. Человек весом 80 кг вытесняет при погружении 78…79 л воды и, таким образом, в воде тело человека обладает отрицательной плавучестью, равной 1…1,5 кгс. Как правило, человек, не умеющий плавать, не удерживается на поверхности воды. Объем водолаза, одетого в водолазное снаряжение, увеличивается на 30…60 л (в зависимости от типа водолазного снаряжения), и следовательно, водолаз будет иметь большую положительную плавучесть. Для компенсации (погашения) этой плавучести используют свинцовые или чугунные грузы (2 груза по 16…18 кг каждый). При этом отрицательная плавучесть водолаза, одетого в снаряжение, в воде колеблется от 5 до 10 кгс. Подводник, одетый в изолирующее снаряжение, при выходе из апл не имеет грузов. Положительная плавучесть его составляет 7…8 кгс. Это обеспечивает лучшие условия для выхода из затонувшей подводной лодки как по специальному концу от пл до поверхности, так и при свободном всплытии, а также обеспечивает возможность удерживаться на плаву после выхода на поверхность до подхода спасательных средств. Кроме силы тяжести и силы плавучести на водолаза действуют гидродинамические силы, обусловленные течением воды, и различные механические силы. Однако основными силами, определяющими положение водолаза, находящегося в воде, являются сила тяжести и сила плавучести. Они определяют способность водолаза сохранять в воде необходимое положение и легко возвращаться к нему при наклоне в любую сторону. При работе под водой водолазу приходится принимать самые разнообразные положения: вертикальное, на коленях, на боку, на спине или животе. Во всех случаях водолаз старается придать своему телу наиболее устойчивое и удобное для выполнения работы положение. Способность удерживаться в воде в удобном положении называется остойчивостью водолаза. Чтобы достичь остойчивого положения, нужно грузы и аппарат для дыхания расположить на теле так, чтобы центр тяжести был ниже центра плавучести на одной вертикальной линии (см. рис. 6).
Рис. 6.
Положение водолаза под водой: А – неостойчивое; Б – остойчивое; ЦП – центр плавучести – точка приложения силы плавучести; ЦТ – центр тяжести – точка приложения силы тяжести
Если грузы расположить иначе, водолазу в воде будет трудно удерживать равновесие и передвигаться по грунту. В случае, когда под водолазным костюмом воздух скопится около нижней части туловища или ног, водолаза может перевернуть вверх ногами и выбросить на поверхность. Поэтому перед погружением под воду или перед выходом из апл в специальных костюмах необходимо тщательно удалить воздух из-под костюма через специальные клапаны. Для достижения положительной расчетной плавучести подводника и во избежание переворачивания в спасательный гидрокомбинезон подводника вставляются металлические стельки. Это обеспечивает вертикальное положение подводника при всплытии. Под водой подводник испытывает разность давлений на нижние и верхние участки тела. Эта разность тем больше, чем выше рост водолаза. Нижние конечности обжимаются сильнее и, следовательно, хуже снабжаются кровью и больше подвергаются переохлаждению. Отток крови от верхних участков тела уменьшается, кровеносные сосуды переполняются кровью, что приводит в некоторых случаях к носовым кровотечениям. Теплоемкость воды в четыре раза больше теплоемкости воздуха, а теплопроводность в 25 раз больше. В холодной воде это ведет к переохлаждению водолаза. Для предупреждения тяжелых последствий время пребывания под водой человека без одежды ограничивается (см. табл. 15).
Таблица 15
| Время пребывания,мин | |
| Пребывание в воде недопустимо |
Если время пребывания в воде превышает приведенные в табл. 15 сроки, это влечет за собой появление «гусиной кожи», мышечной дрожи, синюшности, мышечных болей, затем наступает окоченение мышц, потеря голоса, появляется икота, и человек теряет сознание. При температуре воды ниже 18°С погружение без гидрокомбинезона недопустимо. При температуре воды 12.°С следует одевать шерстяное водолазное белье и гидрокомбинезон. Освещенность предметов под водой зависит от толщины слоя воды, от высоты стояния солнца и угла падения солнечных лучей, а также от рассеивания света растворенными в воде веществами и взвешенными частицами, т. е. от прозрачности воды. Прозрачность воды определяется с помощью стандартного диска диаметром 30 см, который погружается до пределов его видимости. О прозрачности воды морей и океанов можно судить по данным табл. 16.
Таблица 16
Острота зрения в воде понижается в 100…200 раз. Если между глазом и водой имеется воздушная прослойка, то преломляющая способность глаза нарушается незначительно и зрение особенно не страдает, но предметы кажутся приподнятыми и расположенными ближе. Для улучшения видимости под водой в любом типе водолазного снаряжения предусматривают воздушную прослойку между глазом и водой. Для улучшения видимости под водой в темное время суток и на глубине применяют подводные электрические светильники. Звук в воде распространяется со скоростью 1400…1500 м/сек, в воздухе – со скоростью 340 м/сек. Орган, воспринимающий звуковые колебания, у человека расположен во внутреннем ухе, куда звуковая волна может попасть двумя путями: путем воздушной проводимости через наружный слуховой проход и систему среднего уха и путем вибрации костей черепа. На поверхности преобладает воздушная проводимость, под водой – костная. Поэтому звук под водой ослабляется: удар ключом по баллону слышен на расстоянии 100…150 м. Разница во времени между приходом звука в правое и левое ухо очень незначительна, и под водой трудно определить направление звука (ошибка может достигать 180°).
Биологическое действие газов на организм человека при повышенном давлении
Установлено, что биологическое действие газов на организм человека зависит от величин их парциальных давлений. Изменения их парциальных давлений имеют существенное значение для жизнедеятельности. Рассмотрим влияние этих газов на организм человека. Азот – биологически индифферентный газ. В обычных условиях азот – нейтральный для организма газ. Попадая в легкие человека при дыхании, он не вступает в химические соединения с кровью и выделяется из организма через легкие. В нормальных условиях в организме человека растворен 1 л азота. При повышении давления растет парциальное давление азота и в организме растворяется его дополнительное весовое количество. На глубине 50…60 м азот вызывает у человека нарушение внимания и ослабление памяти, при этом нарушается точная координация движений, теряется ориентировка в пространстве. При дальнейшем нарастании парциального давления, т. е. при погружении на большие глубины, появляется веселость, зрительные и слуховые галлюцинации. При погружении на еще большие глубины от азота у человека наступает глубокий сон – наркоз. Наибольшей глубины погружения (123 м) на сжатом воздухе, в котором 78% азота, удалось достичь в 1936 году советскому водолазу Медведеву. Француз Фредерик Дюма в 1948 г. погружался на глубину 93 м, а его соотечественник Морис Фарг достиг глубины 120 м, где он сделал отметку. Продолжая погружаться дальше, Фарг погиб от азотного наркоза. Погружаться на глубины более 50…60 м, пользуясь для дыхания сжатым воздухом, опасно. Правилами водолазной службы спуск под воду на глубины свыше 60 м в аппаратах, в которых для дыхания применяется сжатый воздух, запрещается. Для погружения на большие глубины используются искусственно приготовленные газовые смеси. В этих смесях азот частично или полностью заменяется гелием, наркотическое действие которого проявляется на глубинах свыше 300 м. Кислород – биологически активный газ. В организме человека кислород вступает в соединение с особым веществом гемоглобином, находящимся внутри эритроцитов. С током крови кислород переносится эритроцитами ко всем тканям тела, где происходит обмен между кровью и тканями: кровь отдает тканям кислород, идущий на окисление питательных веществ, а отнимает от тканей образовавшийся в них углекислый газ. В атмосферном воздухе содержится примерно 20,9% кислорода. Жизнь без кислорода невозможна. Внезапный перерыв в снабжении организма человека кислородом или даже уменьшение поступления кислорода к тканям могут привести к тяжелому состоянию, называемому кислородным голоданием. Уменьшение процентного содержания кислорода во вдыхаемом атмосферном воздухе на 1…2% человек практически не ощущает. Если содержание кислорода в воздухе уменьшается до 18%, наступает кислородное голодание. Чистый кислород оказывает на организм человека отравляю-щее действие. Чем больше глубина, тем сильнее оно выражено. Кислород – сильный окислитель. При дыхании чистым кислородом дыхательные пути разрушаются. Затем присоединяется инфекция и наступает воспаление легких. Это так называемая легочная форма кислородного отравления. Установлено, что при дыхании чистым кислородом при нормальном давлении через 2…3 суток у человека возникает воспаление легких. При повышении давления растет парциальное давление кислорода и соответственно увеличивается токсическое, т. е. отравляющее, действие кислорода, а время наступления отравления сокращается. Если человек будет дышать кислородом, парциальное давление которого превышает 3 ат, возникает судорожная форма кислородного отравления. Воспаление легких при этом не успевает развиться, т. к. кислород, быстро растворяясь в мозговой ткани, вызывает бурные окислительно-восстановительные процессы, что влечет за собой полное нарушение функции коры головного мозга и сопровождается общими судорогами. По своему внешнему проявлению кислородные судороги напоминают эпилептический приступ. При продолжающемся токсическом действии кислорода дыхание прекращается, сердце останавливается и наступает смерть. По этой причине в кислородных аппаратах, в соответствии с правилами водолазной службы, на чистом кислороде можно погружаться лишь на глубины до 20 м и находиться под водой не более 20 мин. В аварийных отсеках пл при создании противодавления повышается и парциальное давление кислорода, что существенно влияет на работоспособность и продолжительность жизни личного состава. Углекислый газ – также биологически активный газ. В атмосферном воздухе углекислого газа находится немного – всего 0,03%. В отсеках пл количество углекислого газа может доходить до 1%, 1,5% и даже больше. Углекислый газ при концентрации его во вдыхаемом воздухе до 1% существенного влияния на организм человека не оказывает. Повышение концентрации углекислого газа в отсечном воздухе до 3% и более приводит к острому отравлению. Поэтому на подводной лодке необходимо правильно использовать средства восстановления воздуха в отсеке, не допускать опасных концентраций углекислого газа. В аварийных отсеках пл при поступлении забортной воды и сжатии отсечного воздуха парциальное давление углекислого газа сильно повышается и, следовательно, усиливается его токсическое действие. Чтобы избежать вредного влияния на организм высоких парциальных давлений азота, кислорода и углекислого газа, перед повышением давления в отсеке пл необходимо включаться в изолирующие дыхательные аппараты. Газы, в отличие от жидкостей, обладают малой теплопроводностью. Они являются хорошими тепловыми изоляторами. Теплопроводность газов возрастает с увеличением их температуры, но она не зависит ни от давления, ни от плотности газов. Теплопроводность различных газов сильно отличается друг от друга. Если теплопроводность воздуха принять за единицу, то теплопроводность гелия в 6,18 раза больше, т. е. при дыхании газовыми смесями, содержащими гелий, организм быстрее будет охлаждаться окружающей средой.
Насыщение и рассыщение организма человека индифферентными газами. Действие повышенного давления на организм.
Известно, что всякий газ, приведенный в соприкосновение с жидкостью, будет растворяться в ней. При данной температуре растворимость газов прямо пропорциональна давлению. Растворение газа в жидкости будет происходить до тех пор, пока давление газа в жидкости не сравняется с давлением его над жидкостью. Если в жидкости растворяется одновременно несколько газов, то растворение каждого из них происходит независимо друг от друга. В этом случае каждый газ растворяется пропорционально величине его парциального давления в данной газовой смеси. Растворимость газов зависит также от химической природы газа, его температуры и от самого растворителя. Например, в масле и в воде газы растворяются по-разному. Однако объем растворенного газа не зависит от давления, т. к. по закону Бойля-Мариотта объем газа обратно пропорционален его давлению. Отсюда следует, что объем газа, растворенного в крови, будет одинаков, независимо от того, дышит человек воздухом под давлением в 1 атм или 3 ата. Весовое же количество растворенного газа будет изменяться. При погружении водолаза на глубину 20 м он будет испытывать давление в 3 ата. Объем растворенного в организме газа сразу уменьшится. Этот дефицит газа будет пополняться из крови, а в крови – из легких. Подобный переход газа продолжается до тех пор, пока не установится начальный объем насыщения. В этот момент общий вес растворенного газа будет в три раза больше, чем при дыхании на поверхности. При нормальном атмосферном давлении кислород, растворен-ный в крови, быстро усваивается тканями, углекислого газа растворяется мало. В тканях растворяется большое количество азота. В организме человека, вес которого 70 кг, постоянно растворено около 1 л азота. При повышении давления (например, при спуске под воду на значительную глубину) в тканях организма растворяется дополнительное количество азота. В случае относительно короткого пребывания под давлением ткани не успевают полностью насытиться азотом. В покое насыщение идет медленно, при физической работе – быстрее. Насыщение зависит также от температуры воды и физических свойств организма водолаза. При длительном пребывании под повышенным давлением, особенно при высоких давлениях (более 5…6 ат), в организме растворяется значительное количество азота. Этот процесс называется насыщением. Если окружающее давление постепенно уменьшать, то растворенный газ будет выделяться из организма, т. е. произойдет рассыщение организма от избыточного растворенного газа. Газ при этом удаляется за счет диффузии через легкие с выдыхаемым воздухом. В легких парциальное давление кислорода высокое (105 мм рт.ст.), а в венозной крови, поступающей в легкие, – низкое (37 мм рт.ст.). Кислород свободно переходит из альвеол в кровь вследствие разности парциальных давлений. Зато парциальное давление углекислого газа в крови выше (48 мм рт. ст.), чем в альвеолярном воздухе, где оно составляет 41,8 мм рт. ст. Углекислый газ вследствие этого покидает кровь и переходит в альвеолы. Из альвеол он легко удаляется во время выхода. Проникающая способность углекислого газа очень высокая. Она в 10 раз больше, чем проникающая способность кислорода. В тканях организма, вследствие разности парциальных давлений, кислород из крови поступает к клеткам, а кровь насыщается углекислым газом – конечным продуктом обмена веществ. Находясь на поверхности земли, человек испытывает практически одинаковое давление воздуха на все участки тела. При погружении в воду давление воды на участки тела будет различным. Для человека среднего роста (170 см) разность давлений столба воды на верхние и нижние участки тела составит около 130 мм рт.ст. Отток крови из участков, лежащих выше сердца, будет затруднен; от нижних конечностей кровь будет оттекать легко, т. к. давление столба воды будет выжимать кровь по направлению к сердцу. Нагрузка на сердце увеличивается, поэтому погружения под воду разрешаются только людям со здоровым сердцем. Не весь воздух, попадающий в дыхательные пути, участвует в процессе газообмена между легкими и кровью. В дыхательных путях воздух очищается, нагревается и увлажняется, но непосредственного газообмена в дыхательных путях не происходит. Это так называемый физиологический объем вредного пространства. Для каждого человека он постоянен и равен 140 см 3. Если спуски под воду производятся в снаряжении, то к физиологическому вредному пространству добавляется аппаратный объем вредного пространства. В современных аппаратах он снижен до минимума. Дыхательные пути человека создают определенное сопротивление току воздуха. У здорового человека эта величина столь мала, что практически не учитывается. С ростом давления увеличивается плотность воздуха и сопротивление дыханию. Например, на глубине 20 м сопротивление дыханию увеличивается вдвое. У нетренированных людей длительное пребывание под водой вызывает утомление грудных мышц. Сопротивление дыханию создает и сам дыхательный аппарат. Нормально отрегулированный дыхательный аппарат имеет сопротивление 20…50 мм вод. ст. При повышенном давлении физиологические функции изменяются: дыхание становится реже. Это объясняется тем, что парциальное давление кислорода высокое, поэтому необходимости в усиленной его транспортировке нет. В организме человека имеется ряд полостей (система среднего уха и околоносовые пазухи), которые содержат воздух и соединяются с атмосферой с помощью каналов. Если эти каналы проходимы, то при повышении окружающего давления в этих воздухоносных полостях также создается давление, равное окружающему давлению. Водолаз или подводник при этом никаких неприятных ощущений не испытывает и могут легко, в течение 2…3 мин, осуществить переход от атмосферного давления до давления 7…8 ат. Если каналы, соединяющие воздухоносные полости с атмосферой, непроходимы, давления в воздухоносных полостях не создается. Наступает одностороннее смещение тканей, вследствие чего появляются сильные боли в ушах и надбровных дугах. Аналогичную картину можно наблюдать, если полость больного зуба неправильно запломбирована: под пломбой остается полость, не соединяющаяся с атмосферой. При повышении давления в этом случае также происходит одностороннее смещение тканей и появляется сильная зубная боль. При остром насморке каналы, соединяющие воздухоносные полости с атмосферой, воспаляются и становятся труднопроходимыми. Погружаться под воду при остром насморке не следует. После перенесенных гриппа, ангины, катара верхних дыхательных путей наблюдается частичная непроходимость каналов, соединяющих воздухоносные полости с атмосферой. При погружении под воду у лиц, имеющих частичную непроходимость каналов, может появиться «надавливание» на ухо или околоносовые пазухи. Устраняется это выравниванием давления в воздухоносных полостях с окружающим давлением. Для этого необходимо глотать слюну или воздух, смещать вбок выдвинутую вперед нижнюю челюсть, энергично делать выдох при закрытом рте и зажатом носе. Если это не помогает, нужно подняться на 1,5…2 м и снова попытаться выравнить давление. Если это не удается, следует выйти на поверхность. Пребывание в атмосфере повышенного давления сопровождается ослаблением слуха. Хорошо известно также, что голос под повышенным давлением резко изменяется. Он приобретает носовой оттенок, т. к. изменяется давление в воздухоносных полостях носоглотки. Это следует учитывать при отдаче приказаний в аварийных отсеках пл под повышенным давлением и особенно при включении на дыхание в изолирующие дыхательные аппараты. Команды нужно произносить медленно, с паузами между словами, четко и внятно.
Когда-то путешествия в морские глубины были в состоянии совершить лишь литературные герои Жюля Верна, Но вот в 1960 г. уже не фантастический «Наутилус», а совершенно реальный батискаф с двумя учеными на борту (Ж. Пикар и Д. Уолш) достиг дна одной из глубочайших впадин Тихого океана - 10 919 м.
Даже в своих самых смелых мечтах человечество вряд ли могло рассчитывать на такой успех. Отдавая должное дерзости исследователей, нельзя не признать, что такое достижение стало возможным лишь в наши дни - благодаря развитию современной техники.
Глубина ныряния без акваланга ограничена прежде всего запасами имеющегося в организме кислорода (около 2,5 л). Ныряльщику помогает и то, что давление воды, отжимая кровь из конечностей, увеличивает ее насыщение в легких. Так, например, французу Жаку Майолю удалось без акваланга достигнуть глубины 105 м. В воду он погружался по тросу со скоростью 10 м/с и с такой же скоростью затем поднимался вверх. Один из секретов этого феномена заключается в том, что Майоль к моменту установления своего нового мирового рекорда имел 10-летний опыт тренировки по системе йогов. Он научился в совершенстве расслаблять свою мускулатуру и задерживать дыхание до 4 мин, увеличил жизненную емкость легких до 7,4 л. Благодаря столь длительной задержке дыхания организм человека в подводных глубинах как бы уподобляется батискафу, т. е. в результате выключения газообмена для организма не существует проблемы декомпрессионных расстройств, о которых мы еще расскажем читателю. Интересно и то, что до глубины,50 м Майоль погружается с носовым зажимом, который предотвращает попадание воды в носоглотку. При дальнейшем же погружении он снимает носовой зажим, и тогда за счет проникновения воды в носоглотку выравнивается барометрическое давление с наружной и внутренней стороны барабанных перепонок. Тем самым устраняется неприятное ощущение в ушах, связанное с односторонним давлением воды на барабанные перепонки. Глаза Майоля в подводных глубинах защищены контактными линзами.
Среди женщин блестящего успеха достигла в 1986 г. молодая итальянская ныряльщица Анджела Бандини.
Вблизи острова Эльба она погрузилась без акваланга на рекордную для женщин глубину - 52,5 м. Вся операция заняла 2,5 мин. А пятью годами раньше Бандини совершила погружение на 20 м в ледяные воды озера, лежащего на пятикилометровой высоте в Пepy.
Говоря о подводных рекордах, нельзя не вспомнить о героизме многократного рекордсмена мира по подводному плаванию Шаварша Карапетяна. Когда в 1982 г. троллейбус с 20 пассажирами упал и затонул в холодных водах Ереванского водохранилища на глубине 8-9 м, Карапетян нырял на дно подряд в течение более 20 мин и спас жизнь всем пострадавшим. После этого он еще помог вытащить и сам троллейбус. Это был одновременно и гражданский подвиг, и неофициальный спортивный рекорд.
А вот рекорд проникновения аквалангистов в морские глубины составляет 565 м. Он был установлен в 1972 г. двумя французами.
В 1986 г. американец Джей Смит сумел пробыть под водой с аквалангом 124 ч 30 мин, а его соотечественница Фей Генри - более 72 ч. При этом для отдыха и приема пищи они пользовались воздушным колоколом.
В книге М. В. Васильева «Материя» (1977) описывается, как в барокамере четыре добровольца сумели выдержать барометрическое давление, соответствующее глубине 1520 м! Они провели на такой «глубине» 4 ч без всякого вреда для себя, и это при барометрическом давлении, в 152 раза превышающем давление на Земле. Если при обычном атмосферном давлении предложить человеку подышать смесью, содержащей 99,86% гелия и 0,14% кислорода, то он потеряет сознание из-за кислородной недостаточности уже через 1-2 мин. А вот при барометрическом давлении, соответствующем морской глубине 1,5 км, человек сможет свободно дышать этой смесью так же, как в обычных условиях он дышит атмосферным воздухом. И наоборот, дыхание атмосферным воздухом при давлении несколько десятков атмосфер смертельно опасно. В этих условиях организм будет отравлен азотом и... кислородом. Да, да, тем самым кислородом, который в других случаях спасает жизнь Избыточное насыщение кислородом приводит к серьезным, иногда необратимым изменениям в организме.
В нашей стране в 1985 г. четверо добровольцев более месяца жили в барокамере на «глубине» 450 м, А в это же время водолазы Арктики начали выполнять подводные технические работы на морском дне, находясь на глубине 300 м непрерывно в течение 1,5 ч.
При значительно повышенном барометрическом давлении опасным для жизни становится не только кислород атмосферного воздуха, но и содержащийся в нем азот. Этот газ прекрасно растворяется в нервной ткани, вызывая сначала наркотический, а потом и токсический эффект. Азотный наркоз, или «глубинное опьянение», возникает обычно, если человек дышит атмосферным воздухом на глубине 30-100 м. В этом состоянии он теряет контроль над собой. Известны случаи, когда аквалангисты в состоянии «глубинного опьянения» вынимали изо рта загубник со шлангом, через который из баллонов поступал воздух, и погибали. Поэтому при погружении водолаза на большую глубину ему дают газовую смесь, где азот заменен гелием, который значительно хуже растворяется в нервной ткани и в крови.
Замена азота гелием помогает водолазу избежать при подъеме на поверхность воды так называемой кесонной или декомпрессионной болезни. Возникает она в основном из-за того, что при быстром подъеме растворенное в крови, тканевой жидкости и тканях дополнительное количество азота не успевает выделиться из организма. В крови появляются газовые пузырьки, которые могут привести к закупорке жизненно важных сосудов.
Большой вклад в преодоление этого физиологического барьера сделал в 50-е гг. молодой швейцарский ученый Ганс Келлер. Суть его идеи - последовательная смена разных газовых смесей при подъеме. На глубине от 300 до 90 м он предлагает дышать смесью гелия и кислорода, от 90 до 60 м - смесью азота и кислорода, от 60 до 15 м - аргонно-кислородной смесью и с 15 м до поверхности воды - чистым кислородом. Поставив эксперимент на себе, Келлер поднялся с глубины 222 м всего за 53 мин. А ведь до него с глубины 180 м поднимались в течение 12 ч!
Декомпрессионная болезнь может возникнуть не только при подъеме из глубины на поверхность воды, но и при быстром разрежении атмосферы в барокамере. В нашей практике был случай, когда человек дышал через маску кислородом в барокамере при разрежении атмосферы в ней, соответствующем высоте 11000 м, и одновременно выполнял работу на велоэргометре до 1000 кгм/мин. На 26-й мин работы у него появились декомпрессионные боли в левом колене. Не придав им значения, доброволец продолжал работать. Еще через 5 мин газовые пузыри стали закупоривать крупные сосуды легких. В результате, несмотря на дыхание кислородом, возникло ощущение резкого удушья, человек даже потерял сознание. Всего за 3 мин в барокамере было нормализовано барометрическое давление, а потом пострадавший был даже «погружен» в гипербарической камере на «глубину» 15 м, где пробыл 1 ч. Однако самочувствие продолжало ухудшаться, а артериальное давление снизилось до 50/0 мм рт. ст. Только после реанимации и двухнедельного стационарного лечения все последствия декомпрессионной болезни были полностью устранены.
Между прочим, водолазам для уменьшения вероятности появления у них при быстром подъеме на поверхность воды декомпрессионной болезни можно было бы порекомендовать... заняться высотным альпинизмом. В наших наблюдениях за восемью добровольцами, которые выполняли тяжелую физическую работу на велоэргометре при дыхании кислородом в барокамере «на высоте» 11000 м, у всех без исключения на 13-35-й мин работы появлялись декомпрессионные боли в суставах. После подлинного восхождения на Эльбрус у одного из тех же добровольцев декомпрессионные боли появились уже не на 18-й, а на 39-й мин работы. У остальных они не появлялись, несмотря на непрерывную работу в течение 1 ч.
Вообще же, чтобы легче впоследствии преодолевать различного рода барьеры, с которыми человек встречается в воде, подводную тренировку организма целесообразно начинать с младенческого возраста. Новорожденные обладают довольно большой устойчивостью к кислородному голоданию. И в этом нет ничего удивительного, если учесть, что в организме матери плод получает количество кислорода примерно как на высоте Эвереста.
Под нашим наблюдением находилась кошка, которая за двое суток до рождения котят была «поднята» в барокамере на «высоту» 12 000 м и находилась на ней до Полной остановки дыхания (18 мин). Несмотря на столь выраженную гипоксию, у кошки родились шесть полноценных котят. В другом эксперименте установлено, что новорожденный крысенок живет в бескислородной газовой среде (в чистом азоте) 50 мин. Если же искусственно С помощью введения йодацетата затормозить гликолиз, то время его жизни сокращается до 3 мин.
Наблюдения над детьми, проведенные в последние годы, показали, что новорожденные, с которыми проводятся занятия подводным плаванием, значительно быстрее обучаются длительно не дышать под водой, чем более старшие дети и взрослые. Объясняется это тем, что новорожденные обладают большей способностью к бескислородному получению энергии, чем взрослый человек.
Сотрудник Института общей педагогики и психологии И. Б. Чарковский поставил интересный эксперимент на своей 7-месячной недоношенной дочери. Девочка весила всего 1600 г. Чтобы как-то облегчить ее преждевременный переход из условий иммерсии в утробе матери в условия земной гравитации, к которым недоношенному организму приспособиться довольно трудно, Чарковский периодически помещал свою дочь в аквариум и держал ее там по нескольку часов. Девочка, всем на удивление, чувствовала себя в водной стихии как настоящий ихтиандр, свободно плавала и ныряла, а на 4-месяце жизни уже имела нормальный вес.
Австралийские тренеры по плаванию супруги Тиммерманс начали обучать своего сына плаванию уже с конца первой недели после рождения. К шести месяцам ребенок мог держаться на воде до 15-20 мин, и проплывать несколько сот метров.
Сейчас установлено, что у новорожденного значительно сильнее, чем у взрослого, развит рефлекс перекрытия дыхания при погружении в воду. Доказано также, что у грудных детей еще не утеряно умение ориентироваться в водной среде с помощью самого древнего анализатора - вкусового. «По вкусу» ребенок, находящийся под водой, может даже отличать близких ему людей от посторонних.
Советский академик С. И. Вольфкович, будучи уже пожилым человеком, как-то раз во время морского шторма в Гаграх, рискуя жизнью, спас утопающего мужчину. В ответ на благодарность спасенного он ответил: «За что вы меня благодарите? Не мне, не мне вы жизнью обязаны... А тому, что я имел прекрасных родителей, которые научили меня плавать в два года».
В 1982 г. в городе Тутукака (Новая Зеландия) состоялась первая научная конференция, посвященная рождению детей в воде. К настоящему времени в СССР под водой успешно родились уже сотни детей. На январь 1982 г. во Франции таких родов было зарегистрировано 52, а в США - 15. Разумеется, такие роды принимаются опытными врачами. Ванна с водой тщательно продезинфицирована, температура воды равна температуре чрева матери (примерно 38,5°С); в воду добавляется 0,5% соли, т. е. столько же, сколько ее находится в плазме крови. Так что ребенок появляется на свет в знакомой ему водной среде. Кожи ребенка не касается прохладный воздух, что побудило бы его начать дышать. Роженица при этом, как правило, испытывает не очень сильные болевые ощущения, а ребенок не получает родовой травмы.
Интересно, что еще тысячи лет назад в Древнем Египте, когда женщине грозили трудные роды, ее опускали в воду. Может быть, именно такие случаи позволили подметить, что детишки, родившиеся в воде, опережали в физическом и умственном развитии своих сверстников. И тогда тех, кому предстояло стать жрецами, стали производить на свет в водной среде.
Интересная история произошла в нашей стране в июле 1986 г. с супругами Багрянскими из города Владимира. Они отдыхали в Крыму в районе Судака, ожидая пополнения своего семейства. Нормальные роды произошли во время утреннего купания в кристально чистой морской воде. Родившейся в столь экзотических условиях девочке дали и экзотическое имя Эя.
В книге Сондры Рэй «Идеальное рождение» (1985) описан аналогичный случай, который произошел в 1966 г. с Невиллом фон Шлеффенбергом. Его 23-летняя мать плавала в океане, когда у нее начались схватки Ребенок находился после, рождения в воде 4-5 мин.
Есть проекты (и их планируется осуществить в не таком уж отдаленном будущем) строительства подводных городов. А отдельные подводные дома-лаборатории существуют уже сейчас во многих странах мира. Еще в 1969 г. максимальная глубина погружения достигнута американской подводной лабораторией «Аэгир» - 158,5 м. Шестеро акванавтов находились в ней 5 суток.
В атмосфере подводного дома «Аэгир» содержалось всего 1,8% кислорода, но барометрическое давление было значительно выше, чем на земной поверхности.
Если, например, при столь низком содержании кислорода увеличить барометрическое давление до 10-11 атм, то организм не будет ощущать никакой кислородной недостаточности. Именно повышенным барометрическим давлением воздуха подводные дома отличаются от батискафов. Ведь их обитателям - акванавтам - периодически приходится выходить в своих скафандрах в подводный мир, т. е. в условия, где барометрическое давление достигает еще более высоких величин. Если бы в подводных домах барометрическое давление поддерживалось таким же, как на земной поверхности (и в батискафе), то акванавтам пришлось бы слишком долго ожидать в «прихожей» своего жилища после каждой подводной прогулки во избежание декомпрессионной болезни.
На II Международной конференции по изучению деятельности человека под водой французский исследователь Жак Ив Кусто высказал мысль, что подводные города будущего могут быть заселены людьми с искусственными жабрами, извлекающими кислород непосредственно из воды. В соответствии с этой идеей Кусто у человека для противодействия давлению на глубинах следует удалить легкие, а в его кровеносную систему ввести специальный патрон, который химическим путем выделял бы в кровь кислород и удалял бы из нее углекислоту. Далее, по Кусто, борьбе с кессонной болезнью и свободному передвижению по морскому дну будет способствовать заполнение полости организма инертной жидкостью. Все это будет характеризовать новый вид человека - «гомо акватикус». Кусто не исключал, что первый человек этого вида появится к 2000 г.
В принципе гомо акватикус мог бы обойтись и без жабер, но для этого ему придется жить на глубине 500-700 м. В опытах на мышах и собаках доказано, что если на такой глубине заполнить легкие водой, то растворенного в ней кислорода, благодаря его высокому напряжению, будет достаточно для дыхания... водой. Одну собаку удалось снова вернуть к земной жизни.
На наш взгляд, человечество будет осваивать подводные глубины не совсем так, как предполагает Кусто. Это было бы шагом назад. Ведь вторичное возвращение млекопитающих в водную среду, которое привело к появлению современных тюленей, моржей и китов, не связано с появлением у них жабр. Зато эти животные обладают удивительной способностью к экономному расходованию кислорода. Такую же способность путем специальной тренировки вырабатывает у себя и человек. С помощью специальных тренировок и технических приспособлений человек повысит устойчивость своего организма к декомпрессии и охлаждению, связанному с усиленной теплоотдачей в воде, научится нырять и плавать не хуже дельфинов. Но человек никогда не превратится в особый, исключительный вид «гомо акватикус». Он будет развиваться гармонично и чувствовать себя одинаково свободно в водной стихии, на суше и в космосе.
В наше время человек успешно штурмует не только подводные, но и подземные глубины. Прежде всего это относится к исследователям пещер - спелеологам.
Знаменитый французский спелеолог Мишель Сифр еще в 17-летнем возрасте погружался в пещеры глубиной от 320 до 450 м на 81 ч. В 1962 г. он спустился в пропасть Скарассон, расположенную в Альпах на франко-итальянской границе, на глубину 135 м, где на подземном леднике провел в одиночестве, темноте (при свете очень слабой электрической лампочки), при температуре воздуха около 0°С, 100%-ной влажности, в условиях постоянных обвалов целых два месяца. Вот как описывал он свои ощущения в пещере: «Мой слух был постоянно насыщен музыкой или фантастическим грохотом обвалов. Однако мои зрительные восприятия были сильно ограничены темнотой. Довольно скоро глаза мои начали уставать из-за отсутствия естественного света и слабого электрического освещения, и я почувствовал, что теряю представления о цветах. Я стал, например, путать зеленое с синим. Мне было трудно определить расстояния до предметов... Иногда у меня бывали зрительные галлюцинации».
В 1972 г. Сифр прожил в одной пещере Техаса еще дольше - около 7 месяцев. Интересно, что в пещерах его «сутки», измеряемые по промежуткам времени между двумя пробуждениями, составляли 24,5 ч, а температура тела не превышала 36°С.
Подобные аутоэксперименты можно сравнить разве что с антарктическим одиночеством американского адмирала Ричарда Бёрда. В 1934 г. в период полярной ночи он оказался отрезанным на много месяцев от людей, в условиях страшного холода (на антарктической базе близ 80° южной широты). Тем не менее мужество не покинуло Бёрда, и в единоборстве с мраком и холодом он вышел победителем.
К числу серьезных опасностей, подстерегающих человека в пещерах, относятся и подводные паводки. Вот как описывается один из них в книге Норбера Кастере «Моя жизнь под землей». В 1951 г. доктор Мерей оказался вместе с 6 товарищами в одной из пещер Юры, когда внезапно начался подземный паводок. В отряде возникла паника, и все бросились бежать, пытаясь перегнать подъем воды и добраться до выхода из пещеры, но шестерых из семи членов отряда вода настигла, и они утонули.
Доктор Мерей постарался сохранить хладнокровие и решил остаться на месте, там, где свод был повыше и, кроме того, образовывал нечто вроде выемки. Его расчеты могли не оправдаться, поскольку вода дошла ему до плеч и, кроме того, ему все время приходилось бороться с бурным течением. Вода отступила только через 27 часов. Мерей совершенно обессилел от холода и усталости, но продолжал бороться с водой и устоял.
Интересно, что некоторые пещеры успешно могут использоваться с лечебной целью. Например, в Солотвин-ских солерудниках Закарпатья с 1968 г, ведется лечение ночевками в пещерах больных бронхиальной астмой. Медицинская статистика свидетельствует, что таким способом от бронхиальной астмы избавляются 84% взрослых и 96% детей. Объясняется же лечебный эффект этих пещер чистотой воздуха и его явно выраженной отрицательной ионизацией.
Самая глубокая из изученных на сегодняшний день пещер - пещера Жан-Бернар во Франции - 1445 м. Предполагают, что пещера Снежная на Кавказе имеет глубину 1600 м. Если же говорить о шахтах, то самая глубокая из них - более 3 км от поверхности прорыта в Южной Африке. На такой большой глубине люди добывают золото.
Вес водолаза на воздухе . Вес водолаза в полном снаряжении имеет большое значение при подводных погружениях. Особенно это относится к вопросам плавучести и устойчивости под Водой. Так, например, водолаз в вентилируемом снаряжении весит на воздухе 150 кг, а в воде - до 10 кг.
Плавание тел. Закон Архимеда . По физическому закону Архимеда всякое тело, погруженное в воду, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им вода. При погружении тела под воду на него действуют две противоположно направленные силы: сила тяжести и сила плавучести.
Взаимодействие сил тяжести и плавучести под водой . Понятие о центре тяжести и центре плавучести тела. Сила тяжести (или вес тела) направлена вниз по вертикали и стремится погрузить тело в воду. По закону физики она действует так, будто приложена к одной точке - центру тяжести (ЦТ). Вместе с тем вода препятствует погружению в нее тела - она давит на него снизу и с боков и стремится как бы вытолкнуть на поверхность. Эта сила называется силой плавучести. Она направлена вертикально вверх. Точка приложения этой силы называется центром плавучести (ЦП).
Когда сила тяжести больше силы плавучести, то тело погружается свободно, имеет отрицательную плавучесть. И, наоборот, если сила тяжести меньше силы плавучести, тело плавает на поверхности, т. к. обладает положительной плавучестью. При равенстве этих сил тело находится в состоянии равновесия. Это означает, что сумма сил равна нулю, и тело имеет нулевую плавучесть.
Средний удельный вес тела человека при выдохе колеблется в пределах 1,021-1,098. Человек имеет в воде отрицательную плавучесть около 1 кг. Этим и объясняется, что не умеющий плавать тонет. Но если сделать полный вдох и спокойно лечь на поверхность воды, то появляется незнчительная положительная плавучесть. Еще более устойчивое равновесие получается при отведении рук за голову. При этом центр тяжести совместится с центром плавучести, и пловец свободно продержится на поверхности воды.
Зависимость плавучести от типа водолазного снаряжения . В водолазном снаряжении увеличивается общий объем тела и, следовательно, становится большей положительная плавучесть. При этом вес самого снаряжения несколько увеличит отрицательную плавучесть водолаза, но это увеличение значительно меньше, чем прирост положительной плавучести. Таким образом в любом снаряжении водолаз приобретает некоторую положительную плавучесть, которую необходимо погасить при погружении. Достигается это с помощью грузов (рис. 4).
Рис. 4. Плавучесть водолаза под водой:
а - положительная; б - нулевая; в - отрицательная
Вес водолаза под водой в вентилируемом водолазном снаряжении равен 5-10 кг. В кислородном аппарате и у аквалангиста без гидрокомбинезона он колеблется в пределах до 5 кг. Причем вес аквалангиста зависит от веса баллонов и количества воздуха в них.
При спусках в акваланге следует учитывать, что по мере расходования воздуха в баллонах водолаз теряет в весе под водой до 2 кг.
Регулировка плавучести под водой . Для погружения водолаза наиболее благоприятные условия создаются при небольшой отрицательной плавучести - 0,5-1 кг.
На плавучесть водолаза влияет плотность или удельный вес воды. В морской воде водолаз имеет большую плавучесть; чем в преной, так как она более плотная и обладает большей выталкивающей силой. Поэтому при спусках в море дополнительный вес должен быть больше, чем при спусках в пресную воду.
Плавучссть водолаза зависит также от степени наполнения скафандра воздухом, т. е. от объема воздушной подушки и может изменяться от отрицательной до положительной.
Водолаз должен так регулировать воздух в скафандре, чтобы сохранить некоторую отрицательную плавучесть.
Во время нахождения под водой на грунте опытный водолаз все время регулирует свою плавучесть. Так, при подъеме тяжелых предметов вручную он увеличивает положительную плавучесть, а если нужно упереться в грунт, вытравливает по возможности больше воздуха из скафандра.
Условия, необходимые для устойчивости водолаза под водой
Большое значение имеет способность водолаза сохранять под водой вертикальное положение и легко возвращаться к нему при наклоне в стороны, т. е. сохранять устойчивость. Зависит она от правильного взаиморасположения центра тяжести и центра плавучести водолаза. Иными словами, водолаз под водой будет иметь хорошую устойчивость только в том случае, если центры тяжести и плавучести его лежат на одной вертикальной линии, и центр тяжести расположен примерно на 20 см ниже центра плавучести (рис. 5).
Рис. 5. Основные силы, действующие на водолаза в воде:
а - устойчивое положение водолаза; б - неустойчивое положение водолаза; ЦП - центр плавучести; ЦТ - центр тяжести; 1 - сила тяжести; 2 - сила плавучести; 3 - опрокидывающий момент сил
Поэтому при погружении необходимо обращать особое внимание на правильность расположения снаряжения и особенно грузов. Например, если дыхательный аппарат или грузы находятся высоко, т. е. центр тяжести выше центра плавучести, то водолаза может опрокинуть вниз головой и выбросить на поверхность. И, наоборот, если аппарат или грузы расположены слишком низко, водолазу трудно будет нагибаться. Опрокинуться водолаз вверх ногами может и в том случае, если при спуске в гидрокомбинезоне в нижней его части скопится много воздуха. Поэтому перед погружением в воду необходимо тщательно обжать гидрокомбинезон, вытравив воздух через травящие клапаны. Неправильное расположение центров тяжести и плавучести может быть при смещении грузов или аппарата, например, при обрыве плечевого ремня.
Сопротивление воды движению водолаза . Плотность воды оказывает сильное сопротивление движению водолаза, который затрачивает много труда и энергии на ее преодоление, особенно при работе в громоздком скафандре. Дополнительное затруднение встречается при работе в местах, где много ила.
Плотная среда усложняет работу водолаза с ручным инструментом, поэтому для выполнения водолазных работ рекомендуется пользоваться не громоздким инструментом, а более тяжелым по весу.
В некоторых случаях сопротивление воды имеет и положительную сторону. Например, при резких движениях водолаз может случайно удариться о твердые или острые предметы, плотная же среда смягчает удары.
Особенно трудно работать водолазу на течении. Сильное течение, скорость которого иногда достигает до 2-3 м/сек и более, сносит его в сторону от места работы, может оторвать от спускового конца, а также выбросить на поверхность.
Работа на течении требует от водолаза большой затраты энергии, поэтому он должен (быть физически выносливым.
Еще до рождения человек 9 месяцев живет в водной среде. Младенцы учатся плавать быстрее, чем говорить и чувствуют себя в воде увереннее, чем на твердой поверхности.
Проходят годы и, повзрослев, люди ищут возможности вернуться к воде. Океан зовет нас, и мы не в силах преодолеть этот инстинкт. Мы не чужаки в водном мире. Мы просто возвращаемся на время домой. Дайвинг – это ключ к единению с океаном, занятие влюбленных в море, уверенных в себе и своих друзьях людей.
Спасибо за Ваше внимание к дайвингу!
Дайвинг
С чего начать? Нужно ли специальное обучение для занятий дайвингом?
Физиология дайвинга
Что происходит с организмом человека под водой?
Возможные опасности
Что нужно знать дайверу для комфорт-
ных погружений?
Физиология дайвинга
Что происходит с организмом человека под водой.
У нас для Вас есть хорошая новость. 70% организма человека никак не реагируют на погружения под воду. Почему?... Да просто потому, что организм человека сам на 70% состоит из воды. Поэтому тело человека не испытывает дискомфорта от погружений. Особенно от любительских погружений до глубины 40 метров. Правда остаются еще 30%, которым все-таки придется немножко помочь.
В первую очередь давайте посмотрим, что происходит с легкими человека во время погружения на глубину, скажем, 30 метров. См. рисунок:
На поверхности на наши легкие действует давление равное одной атмосфере. Каждые десять метров, которые мы будем погружаться во время дайвинга, к этой одной атмосфере будет прибавляться дополнительная атмосфера. Таким образом, на глубине 10 метров на легкие действует уже две атмосферы, на глубине 20 метров – три атмосферы, а на глубине 30 метров – 4 атмосферы.
Если не добавлять в легкие воздух, как видно из рисунка, их объем на глубине 30 метров уменьшится в 4 раза и составит всего 25% от исходного объема. Но у нас снова есть хорошая новость. Если Вы не будете задерживать под водой дыхание (а во время дайвинга такой необходимости нет), объем Ваших легких не изменится. Вы постоянно будете компенсировать внешнее давление новыми порциями вдыхаемого воздуха.
Легкие – это очень хрупкий и важный орган человека. Дайверу любителю играть с объемом легких не стоит – это удел опытных подводных охотников и фридайверов. Поэтому отсюда следует один из основных постулатов дайвинга – никогда не задерживать дыхание во время погружений . Если при погружении задержка дыхания не несет существенной опасности, то при всплытии такая опасность есть и она очень серьезная.
Представьте себе, что Вы задержали дыхание на глубине 30 метров и начали всплытие. Объем Ваших легких был нормальным, ведь Вы дышали и постоянно подавали в легкие воздух во время дайвинга. Но вот Вы поднимаетесь наверх, крепко задержав дыхание. Внешнее давление уменьшается в четыре раза. Согласно всем законам физики объем легких пропорционально должен увеличиться в 4 раза, но легкие человека на это не способны. Итог - легкие не выдерживают нагрузки и получают серьезную баротравму изнутри.
Поэтому ни при каких обстоятельствах не задерживайте дыхание во время дайвинга. Постоянное и равномерное дыхание дайвера обеспечивает легким своевременный приток необходимого для поддержания их объема воздуха, и своевременный отток лишнего воздуха, в момент всплытия на поверхность. Простым размеренным дыханием под водой Вы обеспечите легким комфорт во время всего погружения, независимо от глубины, на которую Вы опускаетесь.
Уши, гайморовы и околоносовые пазухи.
Кроме легких у человека также есть еще небольшие полости воздуха, которые могут подвергаться воздействию перепада давлений во время дайвинга. Это – среднее и внутреннее ухо, а также гайморовы и околоносовые пазухи. Давление в этих полостях выравнивается достаточно просто, см. статью как правильно продувать уши . При продувании ушей давление одновременно выравнивается во всех пазухах, при условии отсутствия простудных или хронических лор-заболеваний.
Важно понимать, что при простудных заболеваниях (насморк, ОРЗ, грипп и т.п.) зачастую выровнять давление в ушах и пазухах невозможно. Воспаленная слизистая и расширенные сосуды перекрывают заполненные воздухом полости, и они не могут свободно сообщаться друг с другом. Следует воздержаться от дайвинга до полного выздоровления, потому что погружения на глубину более шести метров без выравнивания давления могут повлечь дискомфорт и даже баротравму уха.
В остальном ничего особенного с изменением глубины дайвера под водой не ждет. Самые серьезные изменения происходят на первых десяти метрах. Если удалось выровнять давление в ушах в начале дайвинга, то и в дальнейшем все будет хорошо. На больших глубинах, правда, следует учитывать парциальное давление кислорода и азота в газовых смесях, но начинающему дайверу эта информация пока ни к чему. Особенностям воздействия азота и кислорода на организм человека с увеличением глубины обучают на специальных курсах.
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.
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