Физика дайвинга - Diving physics

Физика дайвинга аспекты физика которые напрямую влияют на подводный дайвер и которые объясняют эффекты, которые дайверы и их оборудование подвергаются под водой, которые отличаются от нормального человеческого опыта вне воды.

Эти эффекты в основном являются следствием погружения в воду, гидростатического давления на глубине и воздействия давления на дыхательные газы. Понимание физики полезно при рассмотрении физиологических эффектов дайвинга и опасности и риски дайвинга.

Законы физики с особым акцентом на дайвинг

Плавучесть corr.svg

Главный законы физики которые описывают влияние подводное плавание окружающая среда на дайвере и оборудование для дайвинга находятся:

  • Принцип Архимеда (Плавучесть ) - Игнорируя незначительный эффект поверхностного натяжения, объект, полностью или частично погруженный в жидкость, поднимается вверх силой, равной весу жидкости, вытесняемой объектом. Таким образом, при нахождении в воде (жидкости) вес объема вытесненной воды по сравнению с весом материалов в теле дайвера и в снаряжении дайвера определяет, плавает ли дайвер или тонет.[1][2] Контроль плавучести и, в частности, способность поддерживать нейтральную плавучесть - важный навык безопасности. Дайвер должен понимать плавучесть, чтобы иметь возможность эффективно и безопасно работать. сухие костюмы, компенсаторы плавучести, системы взвешивания для дайвинга и подъемные сумки.[3]
  • Закон Бойля - при изменении давления изменяется и количество газов в теле водолаза и мягком снаряжении.[1] Объем газа в нежестком контейнере (например, водолазном легкие или устройство компенсации плавучести), уменьшается по мере увеличения внешнего давления во время погружения дайвера в воду. Точно так же объем газа в таких нежестких контейнерах увеличивается при подъеме. Изменения объема газов в водолазе и снаряжении водолаза влияют на плавучесть. Это создает петля положительной обратной связи и на подъеме, и на спуске. Количество газа открытого цикла, которым дышит дайвер, увеличивается с увеличением давления и глубины.[4]
  • Второй закон Гей-Люссака - по мере увеличения температуры давление в баллон для дайвинга увеличивается (первоначально описано Гийом Амонтон ).[5] Вот почему дайвер, который входит в холодную воду с теплым водолазным баллоном, например, после недавнего быстрого наполнять, обнаруживает, что давление газа в баллоне падает на неожиданно большую величину в начале погружения, когда газ в баллоне остывает.[3]
  • Закон Дальтона - в смесях дышащие газы концентрация отдельных компонентов газовой смеси пропорциональна их частичное давление[1] Парциальное давление - полезная мера для обозначения пределов избегания азотный наркоз и кислородное отравление.[4]
  • Закон Генри - по мере увеличения давления количество газа, поглощаемого ткани человеческого тела увеличивается.[6] Этот механизм участвует в азотном наркозе, кислородном отравлении и декомпрессионная болезнь.[4]
  • Закон Снеллиуса - индекс преломление воды похож на роговица из глаз -30% больше воздуха.[7] Это причина того, что дайвер не может четко видеть под водой без маска для ныряния с внутренним воздушным пространством.[3]

Физические характеристики воды, наиболее важные для дайверов

Сравнение проникновения света разных длин волн в открытом океане и прибрежных водах

Физические эффекты воды или подводный окружающей среды являются:

  • Давление - общее давление на дайвера складывается из местных атмосферное давление и гидростатическое давление.[8][4]
  • Плотность - от воды тело и оборудование дайвера определяют плавучесть дайвера и использование плавучего снаряжения.[9] а плотность является фактором создания гидростатического давления. Дайверы используют материалы высокой плотности, такие как вести для подводных утяжелителей и материалов с низкой плотностью, таких как воздуха в компенсаторах плавучести и подъемных подушках.[4]
  • Теплопередача - Передача тепла от тела водолаза к воде происходит быстрее, чем к воздуху, и чтобы избежать чрезмерных потерь тепла, ведущих к переохлаждению, используется теплоизоляция в виде гидрокостюмов или активного нагрева.
    • Теплопроводность воды выше, чем воздуха.[10] Поскольку вода проводит тепло в 20 раз больше, чем воздух, ныряльщики в холодной воде должны изолировать свое тело водолазные костюмы избежать переохлаждение.
    • Газы, используемые в дайвинге, имеют очень разную теплопроводность; Heliox, и в меньшей степени тримикс проводит тепло быстрее воздуха из-за содержания гелия, и аргон проводит тепло медленнее, чем воздух, поэтому технические водолазы, дышащие газами, содержащими гелий, могут надуть свои сухие костюмы аргоном.[11][12]
      • Аргон: 16 мВт / м / К; воздух: 26 мВт / м / К; неопрен: 50 мВт / м / К; шерсть: 70 мВт / м / К; гелий: 142 мВт / м / К; вода: 600 мВт / м / К.[10]
  • Поглощение света и потеря цвет под водой.[13][14]
    Красный конец спектр света впитывается даже на мелководье.[13] Дайверы используют искусственный свет под водой, чтобы выявить эти поглощенные цвета. В более глубокие воды свет от поверхности не проникает.[4]
  • Под давлением, газы находятся очень сжимаемый но жидкости почти несжимаемы. Воздушные пространства в теле дайвера и газ, удерживаемый в гибком оборудовании, сжимаются при спуске дайвера и расширяются при подъеме.[15][4]
  • Абсолютный (динамический) вязкость воды выше (порядка 100 раз), чем воздуха.[16] Это увеличивает сопротивление объекта, движущегося через воду, и требует большего усилия для движения в воде по сравнению со скоростью движения.

Физические явления, интересующие дайверов

График, показывающий термоклин тропического океана (глубина в зависимости от температуры)

Физические явления в больших водоемах, которые могут иметь практическое влияние на дайверов, включают:

  • Эффекты Погода Такие как ветер, что приводит к волны, и изменения температура атмосферное давление на воде и в воде. Даже умеренно сильный ветер может помешать нырянию из-за повышенного риска потеряться в море или получить травму. Низкая температура воды заставляет дайверов носить гидрокостюмы и может вызвать такие проблемы, как замерзание воды. регуляторы для дайвинга.[3][4]
  • Галоклины, или сильный, вертикальный соленость градиенты. Например, когда пресная вода попадает в море, пресная вода плавает над более плотной соленой водой и не может сразу перемешиваться. Иногда на границе между слоями возникают визуальные эффекты, такие как мерцание и отражение, поскольку показатели преломления различаются.[3]
  • Океанские течения может переносить воду на тысячи километров и может переносить в регион воду с разной температурой и соленостью. Некоторые океанические течения имеют огромное влияние на местный климат, например, теплая вода Дрейф Северной Атлантики смягчает климат северо-западного побережья Европы. Скорость движения воды может повлиять на планирование и безопасность погружений.[3][4]
  • Термоклины, или резкие перепады температуры. Там, где температура воздуха выше, чем температура воды, мелководье может быть согрето воздухом и солнечным светом, но более глубокая вода остается холодной, что приводит к понижению температуры по мере спуска дайвера. Это изменение температуры может быть сосредоточено в небольшом вертикальном интервале, когда его называют термоклином.[3][4]
  • Там, где холодная пресная вода попадает в более теплое море, пресная вода может плавать над более плотной соленой водой, поэтому температура повышается по мере погружения дайвера.[3]
  • В озерах, подверженных геотермальной активности, температура более глубокой воды может быть выше, чем температура поверхностной воды. Обычно это приводит к конвекционным токам.[3]
  • Вода при температуре, близкой к замерзанию, менее плотная, чем немного более теплая вода - максимальная плотность воды составляет около 4 ° C - поэтому, когда она близка к замерзанию, вода на глубине может быть немного теплее, чем на поверхности.[3]
  • Приливный течения и изменения уровня моря, вызванные гравитационный силы и вращение Земли. На некоторых дайв-сайтах можно безопасно нырять только на стоячая вода когда приливный цикл меняется на противоположный и течение замедляется. Сильные течения могут вызвать проблемы у дайверов. Контроль плавучести может быть затруднен, когда сильное течение встречается с вертикальной поверхностью. При плавании против течения дайверы потребляют больше дыхательного газа. Водолазы на поверхности могут быть отделены от укрытия лодки течениями. С другой стороны, дрифт-дайвинг возможно только при наличии разумного тока.[3][4]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Акотт, С. (1999). «Дайвинг« Юристы »: краткое изложение их жизни». Журнал Южнотихоокеанского общества подводной медицины. 29. ISSN  0813-1988. OCLC  16986801. Получено 2008-07-07.
  2. ^ Ларри «Харрис» Тейлор, доктор философии. «Практический контроль плавучести». университет Мичигана. Получено 2008-10-10.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я j k Программа дайвинга NOAA (США) (28 февраля 2001 г.). Джоинер, Джеймс Т. (ред.). Руководство NOAA по дайвингу, Дайвинг для науки и технологий (4-е изд.). Силвер-Спринг, Мэриленд: Национальное управление океанических и атмосферных исследований, Управление океанических и атмосферных исследований, Национальная программа подводных исследований. ISBN  978-0-941332-70-5. CD-ROM подготовлен и распространяется Национальной службой технической информации (NTIS) в партнерстве с NOAA и Best Publishing Company
  4. ^ а б c d е ж грамм час я j k Скалли, Рег (апрель 2013 г.). CMAS-ISA Three Star Diver Теоретическое руководство (1-е изд.). Претория: инструкторы CMAS, Южная Африка. ISBN  978-0-620-57025-1.
  5. ^ "Закон Амонтона". Университет Пердью. Получено 2008-07-08.
  6. ^ "Закон Генри". Медицинский онлайн-словарь. Получено 2008-10-10.[постоянная мертвая ссылка ]
  7. ^ "Закон Снеллиуса". scienceworld.wolfram. Получено 2008-10-10.
  8. ^ "Давление". Oracle ThinkQuest. Архивировано из оригинал на 2008-10-12. Получено 2008-10-10.
  9. ^ «Плотность и ныряльщик». Дайвинг с Deep-Six. Получено 2008-10-10.
  10. ^ а б «Теплопроводность некоторых распространенных материалов». Инженерный инструментарий. Получено 2008-10-10.
  11. ^ Наколс М.Л., Гибло Дж., Вуд-Патнэм Дж. Л. (15–18 сентября 2008 г.). «Тепловые характеристики одежды для дайвинга при использовании аргона в качестве газа для накачивания костюма». Протоколы океанов 08 MTS / IEEE Quebec, Canada Meeting. МТС / IEEE. Получено 2009-03-02.
  12. ^ Эрик Майкен. "Почему Аргон". Автор. Получено 2011-04-11.
  13. ^ а б Лурия С.М., Кинни Дж. А. (март 1970 г.). «Подводное зрение». Наука. 167 (3924): 1454–61. Bibcode:1970Sci ... 167.1454L. Дои:10.1126 / science.167.3924.1454. PMID  5415277.
  14. ^ Воспроизведено из J. Chem. Эду., 1993, 70 (8), 612. "Почему вода голубая". Дартмот колледж. Получено 2008-10-10.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  15. ^ «Сжимаемость и приближения идеального газа». UNC-Chapel Hill. Получено 2008-10-10.
  16. ^ Dougherty, R.L .; Францини, Дж. Б. (1977). Гидромеханика с инженерными приложениями (7-е изд.). Когакуша: Макгроу-Хилл. ISBN  978-0-07-085144-3.