Вопросы на повторение к главе 4

Запишите ответы на соответствующем листе

1. Как член команды Divecon специалист рассматривается учениками в качестве ____________________________.

2. Входящие в команду инструкторы несут ответственность за обучение навыкам, необходимым, чтобы студенты превратились в независимых подводников; Divecon специалисты несут ответственность за ­­­­­­­­­­_________________________________________.

3. В качестве помощника инструктора ты будешь иметь влияние на новых подводников. Никогда не забывай о той власти, которую имеет это влияние, и старайся использовать его с умом, чтобы помочь воспитать ________________________________ подводников.

4. Профессиональная этика – это моральные нормы и рассудок. Для Divecon специалиста это означает – следовать _____________________________________ и политике клуба.

5. Чтобы произвести правильную оценку, необходим __________.

6. Профессиональное отношение означает, что, когда ____________________________ __________________________, нужно оставить дома все свои проблемы.

7. Подходяще одеваться означает, что нужно надевать фирменную форму клуба, в котором ты работаешь там, где ________________________.

8. Не важно, где ты находишься, – опрятный внешний вид рекомендует тебя как профессионала, способного __________________________________________.

9. Чтобы стать хорошим помощником инструктора нужно создать хорошие рабочие отношения с действующим инструктором, благодаря чему вы сможете стать ___________________________________________________________________командой.

10. Стандарты обучения SSI позволяют Divecon специалистам проводить часть урока под ____________________ действующего инструктора SSI.

11. Если инструктору придется работать со студентом, у которого возникли проблемы, Divecon специалист может повторять пройденные упражнения под ________________ __________________.

12. Divecon специалист может обучать новым упражнениям в бассейне под _________________________________ действующего инструктора SSI.

13. После успешного выполнения студентами упражнений 2-го урока открытой воды, в соответствии со стандартами SSI ты имеешь право отправиться со всеми учениками на _____________________________.

14. Часто люди должны увидеть учебный материал, чтобы его запомнить. По этой причине, безусловно, лучше показать, как предмет работает, чем ___________________________.

15. Урок состоит из следующих трех частей: (назвать все три) ______________________ _____________________________________.

16. Подведение итогов урока – это, прежде всего, заключение. Подводя итоги, повтори ключевые тезисы, цель и _____________________________________________________.

Глава 5 физика погружения

содержание

панорама главы

Плотность и удельный вес

Жидкость и газ

Соленая вода и пресная вода

Тепло и температура

Давление

Законы поведения газа

Свет

Звук

ВОПРОСЫ НА ПОВТОРЕНИЕ

вопросы на повторение стандартов обучения SSI

введение

В курсе Open Water Diver были изложены основные понятия, касающиеся физических явлений, связанных с подводной деятельностью. Основная цель пройденного курса, тем не менее, заключалась в том, чтобы научиться технике погружения, а не усовершенствовать знания по физике; поэтому подобные вопросы были рассмотрены не достаточно глубоко.

Настоящий курс, напротив, имеет целью проведение углубленного анализа физических явлений, которые имеют место в подводной среде; лучшее понимание таких явлений и их практических проявлений позволит Divecon специалисту улучшить собственное поведение в воде и стать более подготовленным руководителем группы, способным существенно помогать инструктору при обучении под водой.

плотность и удельный вес

Первое понятие, которое следует хорошенько усвоить, – это «плотность» определенного вещества. Она определяется как «масса единицы объема»; например, масса одного литра пресной воды равна 1 кг, следовательно, ее плотность равна 1кг/л или же 1кг/дм³ или 1000 кг/м³.

«Удельный вес» имеет аналогичное определение – это «вес единицы объема». В качестве единиц удельного веса применяются традиционные килограммы; на практике значение удельного веса совпадает со значением плотности.

жидкость и газ

Материя может находиться в трех состояниях: газообразном, жидком и твердом. Как известно, воздух – это газ, тогда как вода – жидкость; это основная причина, по которой эти вещества имеют различную плотность (следовательно, и различный удельный вес) и по-разному ведут себя в условиях различных физических условий, которые мы будем анализировать.

В частности, из-за различной плотности при температуре около 20^оС 1 кубический метр воздуха весит около 1,2 кг, тогда как кубический метр соленой воды – около 1023!

соленая вода и пресная вода

Из-за растворенных частичек соли плотность соленой воды больше плотности пресной воды. Как мы увидим при детальном рассмотрении вопросов о плавучести, именно по этой причине одно и то же тело в соленой воде имеет бόльшую плавучесть, нежели в пресной.

тепло и температура

Тепло и температура – это не одно и то же. Два различных вещества, например, вода и воздух при одинаковой температуре поглощают и отдают тепло по-разному.

Первое понятие, которое нужно усвоить – это «теплоемкость» или количество тепла, необходимое, чтобы повысить на один градус температуру определенного количества материи (теплоемкость единицы массы вещества (кг, г) называется «удельной теплоемкостью»). Теплоемкость воды намного больше теплоемкости воздуха, иными словами, требуется передать намного больше тепла, чтобы согреть воду, и намного больше отнять его, чтобы охладить ее (именно поэтому даже в теплые летние дни вода остается холоднее, тогда как зимой, наоборот, она обычно теплее воздуха).

Другое фундаментальное понятие – это «коэффициент теплообмена» или, простыми словами, легкость, с которой одно вещество передает тепло другому (или, наоборот, поглощает его). Тепло может быть передано от одного тела другому посредством трех явлений: теплопроводности, конвекции, лучистого теплообмена.

Явление теплопроводности происходит при прямом контакте двух тел (или внутри одного тела), если смещение материй одинаково или незначительно; говоря проще, можно сказать, что происходит статическая передача тепла между неподвижными относительно друг друга частями тела (так бывает, например, если разогревается один конец стального прутка, тогда посредством теплопроводности тепло передается на другой конец). Коэффициент теплообмена при теплопроводности зависит от типа материи. Например, металлы являются прекрасными проводниками тепла, тогда как пористый неопрен гидрокостюма – плохой проводник, а точнее, хороший изолятор.

Явление конвекции типично для текучих тел (газа или жидкости), и его можно рассматривать как механизм теплопроводности, образуемой движением молекул текучего тела, которые создают самую настоящую «транспортировку» тепла от одной точки к другой. Типичным примером является аквалангист в воде: теплообмен с окружающей водой будет тем больше, чем выше скорость движения воды относительно подводника (заметим, что, если вода и подводник остаются «неподвижными», будет происходить не только теплопроводность, но также и некоторая конвекция: кроме неизбежных небольших движений подводника, молекулы воды, разогретой при контакте с телом, будут подниматься вверх и замещать другие, создавая таким образом что-то вроде «естественной конвекции»). Коэффициент теплообмена при конвекции воды намного выше, чем при конвекции воздуха; поэтому при равной температуре вода «остывает» или «нагревается» гораздо больше, чем воздух.

Явление лучистого теплообмена совсем иное: он происходит не только при контакте, как предыдущие явления, а также и при отсутствии материальной среды, разделяющей тела. Речь идет об энергии, выходящей в форме электромагнитного излучения, которое испускает любое тело лишь потому, что оно имеет определенную температуру. Интенсивность такой передачи зависит от типа вещества и состояния поверхности, которая испускает или принимает излучаемое тепло (например, термосы имеют блестящую внутреннюю поверхность именно потому, что таким образом уменьшается количество тепла, которое жидкость внутри термоса передаст стенкам). Вообще речь идет о достаточно незначительном теплообмене применительно к подводной деятельности.

давление

Давление обычно определяется как отношение между силой, перпендикулярно действующей на определенную поверхность, и площадью такой поверхности. Следовательно, при равной площади поверхности давление будет тем больше, чем больше действующая на поверхность сила. Как дальше станет яснее, в случае текучих тел (жидкости или газа) давление, даже когда можно считать, что оно определяется «весом» определенного столпа текучего тела, действует на помещенный в такое жидкое тело объект не только в вертикальном направлении, но во всех направлениях.

Для указания значения давления часто используются различные единицы измерения. Международная система предусматривает в качестве единицы измерения «бар», который приблизительно равен прежней «атмосфере» (1кг/см²), но в Соединенных Штатах все еще часто используется PSI (фунт/квадратный дюйм). Полезно помнить следующее отношение:

1 Бар = около 1 Атм = 1кг/см² = 14,5 PSI

Например, если баллон заряжен до 200 Бар, значит он заряжен до 2900 PSI (приблизительно 3000 PSI).

атмосферное давление

Это давление, оказываемое массой окружающего Землю воздуха. На уровне моря оно равняется примерно 1 Бар, это значение уменьшается по мере подъема на большую высоту (см. материалы, касающиеся «погружений на Возвышенности и в Море»).

законы гидростатики

Возьмем любую жидкость, помещенную в сосуд, и измерим давление в различных точках; не беря во внимание внешнее атмосферное давление, мы немедленно заметим, как давление увеличивается пропорционально глубине и приобретает тем большее значение, чем больше плотность жидкости. Это можно интуитивно объяснить, подумав о воздействии, оказываемом весом различных слоев жидкости, находящихся над заданной точкой; пусть однако это объяснение не вводит вас в заблуждение: действительно, в заданной точке давление будет равным во всех направлениях независимо от формы сосуда.

В море и озере происходит то же самое: давление увеличивается пропорционально глубине (Гидростатическое давление = удельный вес воды  глубину) и оно будет тем больше, чем выше плотность воды.

Этот же закон действует и для газа, не только для жидкости; по этой причине на возвышенности атмосферное давление меньше, чем на уровне моря. Далее заметим, что из-за различной плотности, давление, оказываемое столпом воды высотой 10 метров, равно атмосферному давлению или давлению, оказываемому столпом воздуха высотой с атмосферу, окружающую Землю.

абсолютное и относительное давление

В техническом лексиконе для указания «общего агента» часто используется термин «абсолютное давление»; в нашем случае, когда мы рассматриваем тело, погруженное в воду, оно будет равно атмосферному давлению плюс давление воды, т.е. гидростатическое давление.

Иногда, напротив, удобнее получить значение давления путем вычитания из него атмосферного давления, тогда речь пойдет об «относительном» давлении; в случае тела, погруженного в воду относительное давление равно гидростатическому давлению.

При подсчетах, касающихся погружения, нужно использовать абсолютное давление. Например, нужно считать, что на глубине 10 метров общее давление, действующее на подводника, будет равно 2 Бар (1 Бар атмосферного давления + 1 Бар гидростатического давления), на 20 метрах – 3 Бар.

измерение давления

Давление любого текучего тела (жидкости или газа, воды или воздуха) измеряется с помощью приборов (называемых манометрами), которые в основном бывают механическими (мембрана, трубка Бурдона) или электронными (в последнем случае речь идет о датчике давления).

Обратим внимание, что глубиномеры в действительности тоже являются измерителями давления, т.е. манометрами, сделанными таким образом, чтобы измерять только гидростатическое давление (т.е. относительное давление = абсолютное давление – атмосферное давление). Индикация в таких приборах вместо того, чтобы быть выраженной в нормальных единицах давления, выражается в метрах глубины; глубиномеры калиброваны для использования в море, показывая увеличение глубины на 1 метр при увеличении давления на 0,1 Бар.

законы поведения газа

Во время погружения подводник подвергается, как мы видели, существенным изменениям давления. Поскольку эти изменения являются основной причиной проблем, связанных с дыханием газом (см. подробнее главу 6: Физиология погружения), важно хорошо знать законы, регулирующие поведение газов.

законы поведения идеальных газов

Речь идет о математическом отношении между давлением, объемом и температурой газа. Это отношение будет точным, если речь идет о газах, которые считаются «идеальными». Не углубляясь здесь в характеристики, которым должен соответствовать газ, чтобы считаться идеальным, скажем, что для нашего применения, когда газ, с которым мы имеем дело – это воздух и его компоненты (кислород, азот и т.д.), такой закон может считаться достаточно точным.

Современная формула выглядит так:

pv = rt (1)

где:

P – абсолютное давление

V – объем единицы массы (например, объем 1 кг исследуемого газа)

R - константа

T – абсолютная температура

Это отношение немедленно показывает, как при поддержании постоянной температуры давление и объем газа оказываются обратно пропорциональны, и как при поддержании постоянного объема давление изменяется в зависимости от изменения температуры.

Однако такие отношения скорее принято вычислять с помощью отдельных законов (Бойля, Чарльза, Гей-Люссака) из-за уважения к историческому открытию этих явлений.

закон бойля

«При постоянной температуре объем данной массы идеального газа обратно пропорционален его давлению».

По этой причине по мере погружения глубже под воду объемы газа уменьшаются, тогда как по мере всплытия они увеличиваются (подумай о том, что в действительности происходит с воздухом, содержащимся в легких, в компенсаторе, маске, микропорах неопренового гидрокостюма). Именно это явление вызывает необходимость производить компенсацию, предписывает не всплывать, задерживая дыхание, при погружении с аквалангом, является причиной изменения плавучести на различной глубине и т.д.

закон чарльза

«При постоянном объеме давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре».

Это причина, по которой, к примеру, баллоны, разогретые во время зарядки, теряют давление по мере охлаждения.

парциальное давление и закон дальтона

Рассмотренные законы поведения идеальных газов дают нам через общее отношение 1) или через отдельные законы Бойля, Чарльза, Гей-Люссака математическое отношение между давлением, объемом и температурой в идеальном газе (будь то чистый газ или смесь газов).

Однако когда газ состоит из смеси различных газов (а именно таков воздух), стоит спросить себя, как оценивать поведение отдельных газов, входящих в смесь. На это дает ответ концепция «парциального давления» и соответствующий закон Дальтона.

Парциальное давление отдельного газа из смеси определяется как давление, которое испытуемый газ оказывал бы, если бы он один занимал весь объем, занимаемый смесью. Отталкиваясь от этого определения, Дальтон вывел следующий закон:

«Общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений ее компонентов».

Отсюда сразу же следует, что, к примеру, в атмосферном воздухе (абсолютное давление 1 Бар), где содержание кислорода равняется примерно 21%, парциальное давление кислорода составит 0,21  1 = 0,21 Бар. На глубине 10 метров (абсолютное давление 2 Бар) парциальное давление вдыхаемого кислорода будет равняться 0,21  2 = 0,42 Бар.

Проще говоря, можно объяснить закон Дальтона, сказав, что каждый компонент газовой смеси способствует формированию общего давления смеси пропорционально собственному процентному содержанию.

Важность принципов парциального давления и закона Дальтона состоит в том, что они позволяют оценить поведение отдельных газов, входящих в состав воздуха при изменении различных параметров (например, при изменении общего давления).

В случае погружения под воду это имеет основополагающее значение, поскольку кислород и азот, из которых состоит воздух (не считая небольшого количества углекислого газа и других газов, которые мы, в данном случае, можем не брать в расчет), если дышать ими дольше установленных ограничений, являются причиной различных проблем (см. примеры отравления кислородом и азотного наркоза).

В Таблице 1 показано, как изменяются парциальные давления кислорода и азота при изменении глубины, если мы дышим сжатым воздухом (20,95  21% кислорода и 78,8  79% азота).

ГЛУБИНА (в метрах)	ПАРЦИАЛЬНОЕ Д. О2 (в Бар)	ПАРЦИАЛЬНОЕ Д. N2 (в Бар)
0	0,21	0,79
20	0,63	2,37
40	1,05	3,95
60	1,45	5,53
70	1,68	6,32

Как мы видим, на глубине 70 метров парциальное давление кислорода достигло уже 1,68 Бар – границы, за которой он может оказаться токсичным.

закон генри

До сих пор мы анализировали математические законы, касающиеся только газов и газовых смесей. Однако бывают случаи, когда газ присутствует вместе с жидкостью, и мы знаем, что в таких условиях часть газа растворяется в жидкости (говориться, что он «переходит в жидкое состояние»); например, мы знаем, что рыбы дышат «растворенным» в воде кислородом, и что все газированные напитки содержат растворенный углекислый газ.

Эти явления объясняются законом Генри:

«При постоянной температуре растворимость газа в данной жидкости прямо пропорциональна давлению этого газа над раствором».

Этот закон также имеет огромное значение для погружения под воду, поскольку он объясняет механизм, при помощи которого такой инертный газ, как азот (который, напомним, является компонентом воздуха), может раствориться в крови и различных тканях; как мы знаем, речь идет о явлении, которое, если его не контролировать путем грамотного проведения погружения, является причиной Декомпрессионного Заболевания.

выталкивающий импульс и плавучесть

Если мы будем рассматривать тело, погруженное в жидкость или газ, то из законов гидростатики, рассмотренных ранее, сразу же следует, что такое тело получает вертикальный импульс вверх, пропорциональный погруженному объему и плотности жидкости.

В этом случае также принято, уважая историческое право открытия, рассматривать это явление как «Закон Архимеда» по имени знаменитого греческого ученого:

«Тело, помещенное в жидкость, приобретает импульс, направленный вверх, равный весу вытесненной телом жидкости».

Этим объясняется, почему корабли держатся на воде или почему дирижабли висят в воздухе: в обоих случаях выталкивающий импульс компенсирует общий вес всего тела. Это объясняется просто: сравниваются общий вес тела (которое приобретает импульс, направленный вверх) и вес вытесненного текучего тела или же удельный вес жидкости умноженный на объем погруженной части тела (которое приобретает импульс, направленный вверх); если первый вес больше второго, тело будет тонуть, если второй больше первого – оно будет плавать на поверхности.

Другим очевидным выводом из этого закона будет то, что одно и то же тело при помещении его в разные жидкости (а точнее, в имеющие разный удельный вес), будет иметь различные выталкивающие импульсы. Например, в соленой воде (имеющей большую плотность) выталкивающий импульс будет больше, чем в пресной воде; в воде Мертвого моря плавают на поверхности те тела, которые в обычной воде тонут!

Некоторые тела очень тяжелые, хотя имеют маленький объем (как, например, грузы для пояса с балластом), – в таком случае выталкивающий импульс очень мал по сравнению с весом и, следовательно, не оказывает заметного влияния.

Баллон для подводного плавания, в свою очередь, много весит, но одновременно имеет большой объем, следовательно, в этом случае выталкивающий импульс очень близок к импульсу, направленному вниз, придаваемому весом, в результате в воде у подводника будет ощущение, что он весит намного меньше; поэтому часто говорят о «кажущемся весе в воде», определяя таким образом разницу между весом и выталкивающим импульсом.

Существуют также такие части снаряжения как гидрокостюм и компенсатор, которые по законам поведения газов изменяются в объеме при изменении давления или глубины, следовательно, меняется и их плавучесть. Одна из основных функций компенсатора как раз и состоит в компенсации изменения объема гидрокостюма при изменении глубины; однако, нужно обратить внимание, что сам компенсатор также подвержен изменению объема!

Следовательно, во время спуска подводник должен добавлять воздух в компенсатор, чтобы компенсировать уменьшение объема гидрокостюма, а во время всплытия подводник должен стравливать воздух, поскольку гидрокостюм будет вновь обретать свой начальный объем и плавучесть. Ну и, кончено, это также делается для того, чтобы избежать еще большего увеличения объема компенсатора и нежелательного увеличения его выталкивающего импульса.

свет

Хотя это и сложно представить себе, свет – это волновое явление: действительно, речь идет об электромагнитных волнах, схожих, например, с радиоволнами, от которых они значительно отличаются длиной волны (или частотой).

Человеческий глаз можно рассматривать в качестве чувствительного элемента, способного принимать такие электромагнитные волны, но только внутри определенного диапазона, т.е. относящиеся к видимым лучам.

Как и все волновые явления, свет может состоять из лучей одной частоты или из наложения различных частот. В первом случае мы имеем одноцветный луч. Солнечный свет, который является белым, напротив, состоит из компонентов различной частоты; как мы увидим, это является причиной некоторых явлений, которые важны, в том числе, и для подводной деятельности.

Как и другие виды электромагнитных волн, скорость света в вакууме равняется примерно 300 000 км/сек; при прохождении жидкости или газа она уменьшается настолько, насколько плотными являются жидкость или газ (в воде – около 223 000 км/сек).

В подводной среде особенно важны некоторые типичные явления, связанные со светом: «отражение», «преломления» (рефракция), «поглощение».

Отражение происходит, когда луч света, попадая на поверхность определенного тела, отклоняется, не проникая внутрь него. Частично это происходит, когда лучи света падают на поверхность воды; это причина, по которой достаточно немного погрузиться под воду, чтобы заметить некоторое уменьшение освещенности.

Преломление, напротив, – это явление, при котором луч, попадая на прозрачную поверхность, проникает внутрь, изменив свое направление. Это происходит в том числе, когда луч света попадает на границу, разделяющую воздух и воду. Проходя из воздуха в воду (или обратно), луч отклоняется, образуя угол с начальным направлением, который зависит от различных физических характеристик двух сред (технически говорится, что это зависит от двух различных «коэффициентов преломления» воздуха и воды).

Это явление несложно заметить, опустив, к примеру, ложку в стакан воды.

Преломление, которое происходит, когда луч света проходит обратно из воды в воздух, как, например, в случае с подводной маской (наличие стекла не оказывает влияния), является причиной, по которой лучи света попадают в глаз под углом, отличным от начального, создавая «виртуальное» изображение, при котором объект кажется больше и ближе.

Другое важное явление в подводной среде – это поглощение. Как понятно из самого названия, при попадании на любое тело, даже если оно прозрачное, часть световых лучей поглощается.

Таким образом, когда солнечный луч попадает в воду, будучи до этого отражен и преломлен на поверхности, по мере проникновения вглубь воды он все больше поглощается.

Однако, как мы уже знаем, солнечный луч не является одноцветным, а образован из волн различной частоты, т.е. из нескольких цветов. Каждый из этих цветов имеет различную степень поглощения, поэтому при увеличении глубины некоторые цвета начинают пропадать намного раньше других: сначала пропадает красный, затем желтый, тогда как зеленый и синий на глубине, на которую обычно опускаются подводники, остаются видимыми.

Именно поэтому, к примеру, при естественном освещении красная горгонария кажется под водой темно-фиолетового цвета – чтобы увидеть ее истинный цвет, нужно осветить ее фонарем.

звук

Звук также распространяется при помощи волн; однако, в отличие от света, который может распространяться и в вакууме, звук нуждается в физической среде (воздухе, воде, твердом теле). В действительности звук – это ни что иное, как результат вибрации частичек того вещества, в котором он распространяется.

Скорость распространения звука (около 1200 км/ч) зависит от характеристик проводника; вообще можно сказать, что она намного выше в жидкостях, чем в газе, и еще больше в твердых телах. Поэтому в воде скорость звука намного выше, чем в воздухе.

Это одна из причин, по которой под водой сложно распознать направление, из которого доносится звук. Слуховая система человека, настроенная на воздушную среду, определяет направление шума, основываясь на времени, проходящим между приемом звука одним ухом и другим, что, безусловно, обусловлено скоростью звука под водой (в действительности, это явление зависит также от передачи звука в костях черепа, но сейчас не время для глубокого анализа этого вопроса).