Газы для дыхания человека под водой
Пребывание человека под водой в непривычной для него среде имеет существенные особенности. Погружаясь в воду, человек кроме атмосферного давления воздуха, которое действует на поверхность воды, дополнительно испытывает гидростатическое (избыточное) давление.
Абсолютное давление воды на человека значительно увеличивается с глубиной погружения (1 атмосфера на каждые 10 м погружения). Так, на глубине 10 метров по сравнению с атмосферным давлением оно удваивается и равно 2 кгс/см (200 кПа), на глубине 20 м — утраивается и т.д. Однако относительный прирост давления с увеличением глубины уменьшается.
Наибольший относительный прирост давления приходится на зону первых десяти метров погружения. В этой критической зоне наблюдаются значительные физиологические перегрузки, о которых не следует забывать, особенно начинающим пловцам — подводникам.
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 кгс/см (17 кПа) больше, чем голова. К верхним областям тела, где давление меньше, кровь приливает (полнокровие), от нижних областей тела, где давление больше, отливает (частичное обескровливание, ноги мерзнут сильнее). Такое перераспределение тока крови несколько 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 кгс/см (2 — 3 кПа) и нагрузка на сердце возрастает незначительно.
Дыхание
В нормальных условиях при каждом вдохе-выдохе в легких обменивается не более всего находящегося в них воздуха. Альвеолярный воздух имеет постоянный состав и в отличии от атмосферного содержит 14% кислорода, 5,6% углекислого газа и 6,2% водяных паров.
Часть воздуха заполняет дыхательные пути организма (трахеи, бронхи) и не участвует в процессе газообмена. При выходе этот воздух удаляется, не достигнув альвеол. При входе 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 0.175 литра.
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.
При усилении 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.
Растягивая по времени фазу вдоха и выдоха, можно уменьшить скорость потока воздуха в дыхательных путях. Это приводит к некоторому снижению легочной вентиляции, но в то же время заметно уменьшает сопротивление дыханию.
Плавучесть
При выдохе средний удельный вес человека находится впределах 1020 — 1060 кгс/м куб. (10,2 — 10,6 кН/м куб.) и наблюдается отрицательная плавучесть 1 — 2 кгс (10 — 20 Н). При вдохе средний удельный вес человека понижается до 970 кгс/м re,. и появляется незначительная положительная плавучесть.
При плавании в гидрозащитной одежде плавучесть увеличивается. Плавучесть можно отрегулировать с помощью грузов. Для плавания под водой обычно создают незначительную отрицательную плавучесть — 0,5 — 1 кгс.
Ориентирование
При плавании под водой человек лишен привычной опоры. Под водой пловец с закрытыми глазами допускает ошибки в определении положения тела в пространстве на угол 10 — 25 градусов .
При попадании в слуховой проход холодной воды вследствие раздражения вестибулярного аппарата у пловца появляется головокружение, затрудняется определение направления и ошибка часто достигает 180 град..
Для ориентирования под водой пловец вынужден использовать внешние факторы, сигнализирующие о положении тела в пространстве: движение пузырьков выдыхаемого воздуха из аппарата, буйки и т.п.
Сопротивление воды оказывает заметное влияние на скорость плавания. 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.
Температурный баланс
Охлаждение организма в воде протекает интенсивней, чем на воздухе. Теплопроводность воды в 25 раз, а теплоемкость в 4 раза больше, чем воздуха. Если на воздухе при 4 град человек может без опасности для своего здоровья находиться в течении 6 ч и при этом температура тела у него не понижается, то в воде при такой же температуре незакаленный человек без защитной одежды в большинстве случаев погибает от переохлаждения уже спустя 30..60 мин. Охлаждение организма усиливается с понижением температуры воды и при наличии течения.
Воздух, непосредственно соприкасающийся с кожей, быстро нагревается и фактически имеет более высокую температуру, чем окружающий. Даже ветер не может удалить с кожи этот слой теплого воздуха. В воде с ее большей удельной теплоемкостью и большей теплопроводностью слой, прилегающий к телу, не успевает нагреваться и легко вытесняется холодной водой. Поэтому температура поверхности тела в воде понижается интенсивней, чем на воздухе.
Вследствие интенсивного охлаждения и обжатия гидростатическим давлением кожная чувствительность в воде понижается, болевые ощущения притупляются, поэтому могут остаться незамеченными небольшие порезы и даже раны.
Слышимость
Слышимость в воде ухудшается, так как звуки под водой воспринимаются преимущественно путем костной проводимости, которая на 40% ниже воздушный. Дальность слышимости при костной проводимости зависит от тональности звука: чем выше тон, тем лучше слышен звук.
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 с. Столь незначительная разница во времени поступления сигнала недостаточно хорошо дифференцируется, и четкого пространственного восприятия звука не происходит. Следовательно, установить направление на источник звука под водой человеку трудно.
Видимость
Видимость в воде зависит от количества и состава растворенных в ней веществ, взвешенных частиц, которые рассеивают световые лучи. Глубина проникновения света в толщу воды зависит от угла падения лучей и состояния водной поверхности.
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.
Зрение под водой имеет свой особенности. Вода обладает примерно такой же преломляющей способностью, как и оптическая система глаза. Если пловец погружается без маски, то острота зрения ухудшается в 100..200 раз, а поле зрения уменьшается, изображение предметов получается неясным, расплывчатым, и человек становится как бы дальнозоркий.
При погружении пловца-подводника в маске изображение предметов несколько ближе и выше его действительного местоположения. Сами же предметы кажутся под водой значительно больше, чем в действительности.
Цветоощущение в воде резко ухудшается. Особенно плохо воспринимаются синий и зеленый цвета, которые близки к естественной окраске воды, лучше всего — белый и оранжевый.
Влияние на организм парциального давления газов
Газы, входящие в состав воздуха для дыхания, оказывают влияние на организм человека в зависимости от величины парциального (частичного) давления, то есть давления газа в объеме если удалить все другие компоненты газовой смеси:
Рг — парциальное давление газа, кгс/см , мм рт. ст. или кПа;
n — содержание газа в воздухе, %;
Ра — абсолютное давление воздуха, кгс/см , мм рт. ст. или кПа.
Азот воздуха начинает оказывать токсическое действие практически при парциальном давлении 5,5 кгс/см (550 кПа). Так как в атмосферном воздухе содержится примерно 78% азота, указанному парциальному давлению азота, согласно формуле, соответствует абсолютное давление воздуха 7 кгс/см (глубина погружения — 60 м).
Кислород в больших концентрациях даже в условиях атмосферного давления действует на организм отравляюще. Так при парциальном давлении кислорода 1 кгс/см (дыхание чистым кислородом в атмосферных условиях) уже после 72 — часового дыхания в легких развиваются воспалительные явления. При парциальном давлении кислорода более 3 кгс/см через 15..30 мин возникают судороги и человек теряет сознание.
При малом парциальном давлении кислорода во вдыхаемом воздухе (ниже 0,16 кгс/см ) кровь, протекая через легкие, насыщается не полностью, что приводит к снижению работоспособности, а в случаях острого кислородного голодания — к потере сознания.
Углекислый газ . Повышенное содержание углекислого газа в организме приводит к отравлению, пониженное — к снижению частоты дыхания и его остановке (апноэ). В нормальных условиях парциальное давление углекислого газа в атмосферном воздухе составляет 0,0003 кгс/см (=30Па). Если парциальное давление углекислого газа во вдыхаемом воздухе составляет 0,03 кгс/см (=3кПа), организм уже не справится с выделением этого газа путем усиленного дыхания и кровообращения и могут наступить тяжелые расстройства.
Насыщение организма газами. Пребывание под повышенным давлением влечет за собой насыщение организма газами, которые растворяются в тканях и органах.
Влияние на организм задержки дыхания при нырянии
В воде во время ныряния потребность сделать вдох некоторое время не ощущается. Это происходит до тех пор, пока парциальное давление углекислого газа в крови не достигнет величины, необходимой для возбуждения дыхательного центра. Но и в этом случае усилием воли можно подавить потребность сделать вдох и остаться под водой. При продолжительном воздействии углекислого газа на дыхательный центр его чувствительность сделать вдох в дальнейшем притупляется.
Появление потребности сделать вдох является для ныряльщика сигналом к всплытию на поверхность. Если же ныряльщик не всплывает, то по мере расхода запасов кислорода, содержащегося в воздухе легких, начинает развиваться явление кислородного голодания, которое быстротечно заканчивается неожиданной потерей сознания. Кислородное голодание — наиболее частая причина гибели при нырянии.
Источник
Газы для дыхания человека под водой
Чем дышат водолазы? Инертные газы.
Задержать дыхание человек может только на относительно небольшое время, до нескольких минут. Поэтому для глубоководных длительных погружений необходимо дополнительное снаряжение и запас смеси газов, который обеспечит ныряльщику дыхание под водой. На сегодняшний день существуют дыхательные смеси различных типов, отличные друг от друга составом и свойствами.
Некоторые из них применяют, чтобы сократить или вовсе убрать эффект декомпрессии. Другие служат для погружений на большие глубины и призваны предотвратить отравление, которое могут вызвать в этих условиях газы, растворяясь в крови человека.
Так чем же дышат под водой водолазы?
Самой первой дыхательной смесью, которую человек использовал для дыхания под водой, был воздух. Еще в трудах древнегреческого ученого Аристотеля можно найти упоминание о погружениях с перевернутым котлом, заполненным воздухом. Впоследствии эта технология стала прототипом водолазного колокола. Воздух и сейчас применяется для погружений на малые глубины.
Но, ныряя с баллонами, заполненными воздухом, следует помнить об ограничениях по времени нахождения под водой и по глубине погружения. Максимальная глубина, на которой может находиться аквалангист с воздухом в баллонах, составляет сорок метров. При более глубоких погружениях начинает сказываться давление воды. Азот, которого в воздушной смеси около 80 процентов быстро насыщает, пропитывает ткани организма. Возникает явление, носящее название «азотного наркоза».
Чтобы избавиться от негативных последствий этого явления, необходима декомпрессия. То есть медленное приведение давления в норму. На этот процесс тратится дополнительное время, столь необходимое под водой. Чтобы решить эту проблему, в 1943 году Крисом Ламберстеном было предложена замена части азота в дыхательной смеси на кислород. Это была первая дыхательная смесь, из которой впоследствии возникла серия смесей «нитрокс».
Вообще термином «нитрокс» называют все смеси кислорода с азотом, в том числе и обычный необработанный воздух. Различаются такие смеси процентным содержанием в них кислорода. Существуют смеси с 40, 50 и 60 процентами кислорода. Кроме них широко применяются NITROX I, которая содержит кислорода — 32 % и 68 % азота, а также NITROX II с содержание азота — 64 % и кислорода — 36 %. Такие смеси, поскольку процент кислорода в них больше, называют еще и обогащенным воздухом.
Обогащенный воздух помогает водолазу дольше оставаться под водой. При этом риск развития кессонной болезни меньше, чем при использовании воздуха. Но, такие смеси нельзя использовать на больших глубинах. Чем глубже опускается под воду ныряльщик, тем большее давление оказывает на его организм толща воды. При этом кислород начинает проявлять токсические свойства. Чем больше процент кислорода в смеси, тем короче становится время безопасного нахождения под водой и уменьшается глубина, на которой нет риска отравиться.
Обедненный воздух – это еще один вариант смесей из серии нитрокс. В них процент кислорода понижен. Их использование предотвращает отравление кислородом. К сожалению, при их применении необходимо затрачивать больше времени на всплытие. Современные водолазы почти не пользуются этим видом смеси.
Следующим этапом развития дыхательных смесей стала замена в них азота гелием. Эти смеси называются геликсными. Их недостатком оказалось возбуждающее действие, проявляемое ими на больших глубинах. На сегодняшний день такие смеси применяются крайне редко.
В ходе экспериментального поиска лучшего варианта дыхательной смеси начали смешивать все три газа: азот, гелий и кислород. Получая при этом так называемые «тримиксные» смеси. При соразмерном подборе компонентов такой смеси тормозящее действие азота компенсируется возбуждающим действием гелия. Кислорода в тримиксные смеси добавляется минимум, не токсичное количество. Оно должно быть не больше, чем требуется для дыхания. Соотношение компонентов таких смесей вычисляют для конкретных диапазонов глубин.
Тримиксные смеси являются наиболее употребляемыми дыхательными смесями для самых глубоких погружений. Их используют при длительных водолазных работах на глубинах до пятисот метров. Например, при спасении людей с затонувших подводных лодок. Единственный существенный недостаток этих смесей – это их высокая цена.
Разработка новых дыхательных смесей продолжается. Она основывается на все более полном познании биофизических процессов, происходящих в организме человека на больших глубинах под воздействием давления.
Давление воды на большой глубине несколько изменяет процесс дыхания человека. На берегу организму для полноценного дыхания требуется около семнадцати процентов кислорода. На глубине примерно в двадцать метров эта потребность снижается до шести процентов.
Избыток кислорода на глубине вызывает отравление, которое может привести к отеку легких, судорогам, конвульсиям и даже к смерти. Применение чистого кислорода делает опасным погружение ниже шести метров.
Чтобы приостановить ржавение баллонов, перед закачкой в них какой-либо дыхательной смеси, их «высушивают». Если для закачки используется воздух, его тоже предварительно подсушивают, освобождая от паров воды. При дыхании влага, находящаяся в легких водолаза теряется, уходит с выдыхаемыми газами. Поэтому после погружения возникает сильная жажда и сухость во рту.
Использование дыхательных смесей под водой имеет несколько направлений. Они служат для заполнения баллонов аквалангов. С помощью этих смесей создаются необходимые условия для декомпрессии в барокамерах. Из специальных дыхательных смесей создается пригодная для дыхания атмосфера в подводных лодках. Разные смеси применяют для поддержания дыхания ныряльщика в водолазном скафандре.
Современные водолазные скафандры инжекторно-регенеративного типа оборудуются воздушно – кислородным или гелиокислородным снаряжением. Оно позволяет проводить работы на глубине около ста метров и более. Глубина погружения в этом случае зависит от состава дыхательной смеси и конструкционных возможностей скафандра. В регенеративной коробке таких скафандров дыхательная смесь может полностью или частично восстанавливаться. Длительность пребывания под водой регулируется мощностью регенеративной коробки.
Тримиксная смесь или смесь типа «Нитрокс» применяются еще и в ребризерах, которые еще называют изолирующими дыхательными аппаратами. В них выдыхаемый углекислый газ поглощается химическим поглотителем, а оставшийся неиспользованным кислород подается обратно в дыхательный мешок.
Будучи ведущим поставщиком промышленных газов в Украине, Компания «DP Air Gas» осуществляет реализацию газов, входящих в состав дыхательных смесей для аквалангов. Кроме вышеперечисленных газов, Компания реализует и другие промышленные газы, а также смеси газов различного назначения. Подробная информация об их продаже, а также об оказываемых компанией услугах, связанных с продажей газов и обслуживанием газового оборудования размещена здесь.
Источник
