Fizikams.lt

Žmogus gyvena sausumoje. Po vandeniu vyksta greitesni fiziologiniai pakitimai negu ore. Šie pakitimai vyksta pagal fizikos dėsnius kurie yra grindžiami vandens struktūra ir slėgio pokyčiais. Šiame straipsnyje mes apžvelgsime esminius nardymo fizikos aspektus.

Oro sudėtis

Paprastai nardymo fizikoje minimos tik dvi dujų rūšys deguonis ir azotas. Atliekant skaičiavimus dujų turį mes suapvaliname (deguonies 20%, azoto 80%). Kitos dujos į skaičiavimus neįtraukiamos.

Dujos

Deguonis (O₂)

Deguonis yra pagrindinės dujos kurių apykaita organizme vyksta metabolizmo metu. Įkvėpimo metu apie  4% deguonies organizmas pasisavina, o iškvėpimo metu likusi dalis iš organizmo pašalinama kartu su anglies dvideginiu. Esant dideliam slėgiui deguonis tampa nuodingas. Staigaus apsinuodijimo deguonimi priežastimi gali tapti kvėpavimas grynu deguonimi kai parcialinis slėgis didesnis nei 1.7 baro, o  kvėpuojant mišiniu parcialinis slėgis didesnis nei 2.0 baro.

Azotas  (N₂)

Pagrindinė oro sudedamoji dalis yra azotas. Azotas nedalyvauja metabolizmo procese kadangi tai yra neutralios (inertinės) dujos. Kai kada  nardyme azotas yra pakeičiamas kitomis neutraliomis dujomis – heliu. Kvėpuojant oru, kai gylis didesnis negu 30 m, o azoto parcialinis slėgis didesnis negu 3.2 baro, azotas įgauna narkotinį poveikį.

Anglies dvideginis (CO₂)

Anglies dvideginio gryname ore yra labai mažai. Tai metabolizmo produktas. Anglies dvideginis tai dujos kurios reguliuoja kvėpavimo ritmą. Tai vyksta kai CO₂ lygis kraujyje didesnis nei O₂ lygis. Paprastai, pakankamas deguonies  pasisavinimas vyksta netiesiogiai.

Anglies monoksidas (CO)

Anglies monoksidas yra labai nuodingos dujos, kadangi hemoglobinas daug greičiau pasisavina CO negu deguonį, dėl to organizme pradeda trūkti, gyvybiškai svarbaus komponento – deguonies. Netgi minutę pakanka kvėpuoti CO, kad sutriktų organizmo aprūpinimas deguonimi. CO nėra natūrali atmosferos sudedamoji dalis. CO gali patekti  į nardymo balionus, jų užpildymo metu, jei šalia dirba vidaus degimo variklis.

Helis (He)

Helis yra tokios pat neutralios (inertinės) dujos, kaip ir azotas,  neturinčios  narkotinio poveikio. Šios dujos naudojamos kaip tinkamiausios dujos giluminiams nardymams. Šios dujos turi keletą trūkumų: kalbos pakitimai, ir sunkiai suprantama nervų sistemos sutrikimai (aukšto slėgio nervinis sindromas ASNS) maksimaliuose gyliuose.

HE temperatūros kaita yra penkis kartus didesnis negu oro. Tai gali sukelti šalčio pojūtį kvėpuojant helio mišiniu, bet tuo metu organizmas nepraranda šilumos. Kvėpuojant  HE jis yra sušildomas viršutiniuose kvėpavimo takuose. Tuo tarpu kai oras sušildomas plaučiuose. Tai  ir nulemia didesnį šilumos praradimą. Bendras kūno šilumos praradimas nepriklauso iš kur buvo atiduota šiluma. Oro tankis yra žymiai  didesnis negu helio, tai reiškia , kad oro sušildymo sąnaudos yra didesnės negu HE. Bet kurios kvėpuojamos dujos yra sušildomos iki kūno temperatūros prieš iškvepiant. Esminis dalykas ne kaip lengviau sušildyti organizmą, bet kiek tai kainuos energijos.

Atmosferos slėgis

Žemė yra apsupta oro sluoksniu vadinamu atmosfera. Gali atrodyti, kad dujos yra besvorės, bet jos, kaip ir kitos materijos, turi tam tikrą masę.  Atmosferos masė (svoris) yra jėga lygi  1 kilogramui/cm² jūros lygyje. Tai yra lygu atmosferos slėgiui. Labai panašus vienetas yra “baras”. Nardyme naudojamas mato vienetas “baras”. Jis yra lygus 1 atmosferai.

1 atmosfera = 1 kg/cm² = 1 bar

Vandens slėgis

Vandens tankis daug kartų didesnis negu oro, todėl slėgio pokyčiai po vandeniu staigesni. Slėgio  skirtumai gėlame ir jūros vandenyje nėra žymus.

10 m aukščio vandens stulpas sukelia  1 kg/cm² slėgį. Kiekvienas papildomas 10 metrų gylio po vandeniu lygus 1 atmosferos/baro slėgio padidėjimui. Absoliutus slėgis 10 metrų gylyje lygus oro ir vandens masių, esančių viršuje, slėgių sumai. Taigi absoliutus slėgis 10 metrų gylyje yra 2 bar – 1 baras oro stulpo + 1 baras vandens stulpo. 20 m gylyje yra 2 bar vandens slėgio  plius 1 bar atmosferinio slėgio. Absoliutus slėgis bus 3 bar.

Absoliutus slėgis = atmosferinis slėgis + vandens slėgis

Paskaičiavimai

Verčiant gylį į slėgį: (gylis metrais/10) + 1 =  Slėgis (bar)

Verčiant slėgį  į gylį: [Slėgis (bar) - 1] x 10 = Gylis (metrais)

Dujų slėgiai

Kaip minėjome oro masė sudaro 1 bar slėgį. Dujų molekulės juda laisvai, atsitrenkdamos viena į kitą bei į kitus supamus paviršius. Dujų molekulių greitis priklauso nuo temperatūros, o masė nuo dujų rūšies.

Iš pirmo žvilgsnio oras neturi svorio, bet taip nėra. Vienas normalaus oro litras (NL) sveria  1.3 gramo. ( normalus litras tai dujos kai oro temperatūra 15°C, o slėgis 1 bar).

Esant pastoviai temperatūrai, greičiau juda lengvesnių dujų molekulės. Esant pastoviai temperatūrai, bet kurių dujų kinetinė energija yra vienoda. Bet kurių dujų slėgis keičiasi, keičiantis molekulių atsitrenkimo jėgai. Temperatūros pakilimas greitina molekulių judesius. Atsitrenkimų į indo sieneles didėja, todėl dujų slėgis  inde didėja. Temperatūros sumažėjimas, atvirkščiai, mažina molekulių judėjimo greitį. Dujų slėgis taip pat keičiasi, keičiantis indo, kuriame yra dujos, tūriui. Suspaudus pastovų dujų molekulių kiekį į mažesnį turį, molekulių atsitrenkimų skaičius į indo sieneles ploto vienetą didėja, dėl to didėja dujų slėgis inde.

Yra tik du būdai kaip padidinti dujų masę:

1. Suspausti  molekulių kiekį į mažesnį turį.

2. Pakelti temperatūrą.

Šviesa po vandeniu

Šviesos spinduliai, pereidami skirtingą tankį turinčių aplinkų ribą, yra laužiami. Šis efektas vadinamas refrakcija. Šviesos spindulių refrakcija vyksta jiems praeinant oro ir vandens ribą paviršiuje bei vandens ir oro ribą patenkant į oro ertmę po naro kaukę. Tai keičia matomo daikto optinį vaizdą. Dėl to daiktai vandenyje atrodo arčiau ir didesni apie 25%.

Spalvos po vandeniu

Spalvos yra filtruojamos vandens, dėlto viena po kitos išnyksta didėjant gyliui. Pvz. 10 m. gylyje dingsta raudona spalva. Kuo giliau leidžiamasi tuo daugiau spalvų dingsta. Tam, kad skirti spalvas po vandeniu, reikia naudoti dirbtine šviesą (šviestuvą).

Garsas po vandeniu

Garsas po vandeniu sklinda 1450 m/s greičiu, tai yra 4,5 karto greičiau negu ore (340 m/s). Todėl garsas sklindantis vandenyje girdimas labai toli. Tačiau dėl didelio garso greičio vandenyje, žmogus nesugeba nustatyti garsą skleidžiančio šaltinio buvimo vietą.

Slėgis ir tūris (boilio dėsnis)

Neriant gilyn, didėja slėgis, kuris turi poveiki visom, oru užpildytoms erdvėms (plaučiai, sinusai ir t.t.). Šių erdvių tūris mažės proporcingai didėjant slėgiui tol, kol nebus įleidžiama oro tiek, kad atstatyti  jų pradinį tūrį. Oro įpūtimas į oro erdves, pastovaus tūrio palaikymui, yra vadinamas išlyginimu. Kylant, mažėja slėgis ir oras plečiasi, tuo pačiu metu didėja tūris, šiuo atveju, oro erdvės turės išleisti oro perteklių.

Boilio dėsnis:

Uždaroje erdvėje esančių dujų tūris yra atvirkščiai proporcingas slėgiui.

Tai reiškia, kad kai slėgis kyla tūris mažėja ir atvirkščiai.

Skaičiavimams naudojama lygtis:

P x V = K

P = slėgis (barai), V = tūris (litrai) , K = konstanta (pastovus vienetas)

Tūrio pasikeitimo skaičiavimams, kintant slėgiui, naudojama ši lygtis:

P₁ = pradinis slėgis

V₁ = pradinis tūris

P₂ = galutinis slėgis

V₂ = galutinis tūris

Suspaudžiamumo faktorius

Boilio dėsnis sako, kad tūris yra kylančiai proporcingas slėgiui. Tai yra geras apibendrinimas daugeliui dujų, prie žemesnių slėgių. Jeigu taip, tai suspaudžiamumo faktorius yra nereikalingas, tai yra, mums nereikėtų suspaudžiamumo faktoriaus skaičiuoti visiškai. Tačiau, suspaudžiamumo faktorius yra priemonė skaičiuoti kaip susispaudžia skirtingos dujos. Čia yra nežymių skirtumų tarp įvairių dujų dalių ir šis nukrypimas nuo Boilio dėsnio išauga labai dideliame slėgyje. Orui, kai slėgis yra iki 200 bar, yra tik nežymus nukrypimas. Prie 300 bar  suspaudžiamumas nukrenta apie 25% skaičiuojamame tūryje.

Oro sunaudojimas

Mes ką tik išmokome, kad suporintas 10 litrų balionas prie 200 bar talpina 4000 litrų “laisvo” oro.

Tai reiškia:

Kaip jau minėta, toks paprastas skaičiavimas veikia tik iki 200 bar. Nežiūrint to mes turime prisitaikyti prie suspaudžiamumo faktoriaus.

Oro sunaudojimas priklauso nuo situacijos ir skiriasi kiekvienam asmeniškai. Apytikslis vertinimas yra:

Visiško poilsio būsena                        8-10 l/min.

Labai nepatyręs naras             50-80 l/min.

Vidutiniškai treniruotas                      30-45 l/min.

Patyręs naras                           15-20 l/min.

Pagrindiniai faktoriai kurie reguliuoja oro sunaudojimą yra: Aktyvumo lygis/ pastangos

• Gylis
• Nerimo trukmė
• Vandens temperatūra
• Fizinis pasirengimas
• Individualus fiziologinis faktorius
• Diena nelygi dienai faktorius
• Protinis/ psichologinis balansas

Oro sunaudojimas auga proporcingai didėjančiam gyliui. Pavyzdžiui, 20 l/min paviršiuje, 30 metrų gylyje išaugtų iki 80 l/min., todėl, kad aplinkos slėgis išaugtų 4 kartus.

Oro sunaudojimo skaičiavimas (OS):

Oro paskaičiavimas duotame gylyje:

P₁ = baliono slėgis prieš nerimą (bar)

P₂ = baliono slėgis pabaigus nerimą (bar)

V = balionų tūris (l)

t = nėrimo trukmė (min.)

= bendras slėgis duotame gylyje  (bar)

Laiko skaičiavimas turimam orui:

Pasinaudojant ankstesne formule mes galime apskaičiuoti galimą laiką planuojamam gyliui. Tam turime žinoti savo apytiksli oro sunaudojimą.

P₁ = baliono slėgis prieš nėrimą  (bar)

= rezervinis oras  (bar)*

V             = baliono tūris (l)

AC          = oro sunaudojimas  (l/min.)

= bendras slėgis nustatytame gylyje  (bar)

• Rezervinis oras – slėgis prie kurio suveikia rezervo mechanizmas (paprastai prie 40 bar 326 aparatui).

Plūdrumo dėsnis (Archimedo dėsnis)

Skystyje patalpintas kūnas plūduriuos, jei jo masė mažesnė už išstumto vandens masę. Tai vadiname teigiamu plūdrumu. Ir priešingai, kai kūnas yra sunkesnis už išstumto vandens masę, jis skęs. Tai vadiname neigiamu plūdrumu. Kai kūno masė lygi išstumto vandens masei, kūnas nei plūduriuos, nei skęs. Tai vadiname neutraliu plūdrumu.

Archimedo dėsnis:

Vandenyje patalpintas kūnas, yra keliamas aukštyn jėgos, lygios vandens, kurį jis išstumia, masei.

Skaičiavimams naudojama lygtis:

Tankis (kg/Litre) x Tūris (Litrai)  =  Svoris (kg)                     r x V = m

r_sv = 1,03 kg/litre (sūrus vanduo)

r_gv = 1,00 kg/litre (gėlas vanduo)

Parcialinio slėgio dėsnis (daltono dėsnis)

Pirmoje dalyje buvo paaiškinta, kad oras yra keleto skirtingų dujų mišinys. Mišinio charakteristikos priklauso nuo nepriklausomų kiekvienos iš sudedamųjų dujų dalių charakteristikų. Kiekviena dujų rūšis įterpia savo parcialinį slėgį ir jų visuma duoda dujų mišinio bendrą slėgį.

Daltono dėsnis:

Bendras dujų mišinio slėgis yra visų įeinančių dujų parcialinių slėgių suma.

P₁ + P₂ + P₃ +…… = P_tot

Parcialinio slėgio lygtis:

Parcialinis dujų slėgis (p_x) =

Dujų procentas parodo, kokį procentą nuo bendro slėgio turi šios dujos. Orą sudaro apytiksliai 20% deguonies ir 80% azoto. Taigi deguonies parcialinis slėgis ore bus 20% nuo bendro slėgio. Kadangi slėgis jūros lygyje yra 1 bar, tai parcialinis deguonies slėgis yra: 0.2 x 1 bar = 0.2 bar. Reiškia p_O2 yra 0.2 bar.

Tūrio pokyčiai

Pagal Boilio dėsnį uždarų dujų tūris sumažės iki 50 % tūrio 10 m (2 bar) gylyje. Tūris dar kartą sumažės 50 % 30 m (4 bar) gylyje. Taigi pirmą 50% tūrio sumažėjimą gausime 10 m gylyje, o sekantį 50% sumažėjimą tik dar po 20 m.

Slėgio augimas yra pastovus, tuo tarpu santykinis tūrio pasikeitimas ne. Kuo giliau mes leidžiamės, tuo mažesnis tūrio pasikeitimas. Pavyzdžiui, jeigu mes pripildysime balioną 30 m gylyje ir jį paleisime kilti, tai jis padidės dvigubai kai pasieks 10 m gylį ir dar karta padvigubės pasiekęs paviršių. Pirmas padvigubėjimas apima 20 pirmųjų metrų ir sekantis tik 10 m.

Pakeitus scenarijuje balioną plaučiais mes suprasime kaip didėja plaučių plyšimo pavojus mums artėjant link paviršiaus. Sekant tuo pačiu dėsniu, mes matome, kad ausų ir sinusų prapūtimas yra kritiškiausias neriant pirmus 10 m.

Absoliuti temperatūra

Boilio dėsnis sako, kad produkto tūris ir slėgis  yra pastovus, duotoje temperatūroje. Taigi jeigu temperatūra kinta tai Boilio dėsnis daugiau negalioja. Praktiškas pavyzdys yra SCUBA baliono užpildymas. Kai slėgis auga, auga ir temperatūra. Ir atvirkščiai, jei oras išeis, balionas atšals.

Kaip tai paveikia Boilio dėsnį? Kai temperatūra krenta, dujų molekulių judėjimas mažėja, ko pasekoje sumažėja molekulių susidūrimų su baliono sienomis. Tai, rezultate, reiškia slėgio kritimą. Tam, kad galėtume paskaičiuoti slėgį ir tūrį su įvairia temperatūra turime pradėti skaičiuoti su absoliučia temperatūra (Kelvinas arba K). Nulis laipsnių Celsijaus prilygsta 273.15 K, ką mes apvaliname į 273 K. Kelvino temperatūros skalės didėjimas prilygsta Celsijaus skalei, bet pradinis taškas yra skirtingas. Prasmė yra tame, kad Kelvino skalė prasideda nuo absoliučiai mažiausios įmanomos temperatūros, tuo tarpu Celsijaus skalė prasideda nuo vandens užšalimo taško. Prie nulio laipsnių pagal Kelviną visiškai sustoja molekulių judėjimas. Tad jeigu 0 K yra taip šalta, kaip tik įmanoma, Kelvino skalė yra “absoliučios temperatūros” skalė.

T = Absoliuti temperatūra  (K) t = Temperatūra (°C)

Naudojant Kelvino laipsnių sistemą niekada nereiks skaičiuoti neigiamos temperatūros.

Idealus dujų skaičiavimas

Boilio dėsnis sako: P₁ x V₁ = P₂ x V₂

Kaip jau minėta šis dėsnis neįtraukia temperatūros į skaičiavimą. Naudojant temperatūrą kaip parametrą, mes gausime:

Tai duoda:

Tai yra idealus dujų skaičiavimas.

Temperatūra ir Tankis (Čarlio dėsnis)

Fiksuotos masės, nekintančiame slėgyje esančių dujų tūris yra tiesiogiai proporcingas absoliučiai temperatūrai.

Tankis = molekulių skaičius tūryje, pavyzdžiui 10 molekulių/ mm³

Uždaras dujų tūris su 10 molekulių prie 1 bar, vis tiek turės 10 molekulių ir prie 2 bar. Tačiau tūris yra sumažintas, o tankis padvigubintas.

Mes galime panaudoti balioną, kad vizualiai įsitikintume, jog tankis yra atvirkščiai proporcingas temperatūrai. Balionas yra uždaras dujų tūris su fiksuotu dujų molekulių kiekiu viduje. Tarkime, kad jis yra 1 litro tūrio prie kambario temperatūros (20 °C).  Įkaitinus balioną iki 50 °C temperatūros tūris padidės dėl didesnio molekulių judėjimo.

Kadangi molekulių skaičius yra fiksuotas, didesnis tūris reiškia, kad tos pačios molekulės užima didesnį plotą. Tai reiškia mažesnį dujų tankį. Tūrio didėjimas yra proporcingas temperatūros kilimui.

Ir atvirkščiai, jeigu patalpinsime balioną šaldytuve, temperatūra nukris ir molekulių judėjimas sulėtės. Tūris sumažės, o tankis padidės.

Prisisotinimas

Orą sudaro dvi pagrindinės dujos:

1. Deguonis (reikalingas metabolizmo procesui kūno ląstelėse);

2. Azotas (inertinės dujos-nereaguojančios dujos). Tačiau kai naras kyla į paviršių per greitai, inertinės dujos formuoja burbulus ir gali sukelti dekompresinę ligą).

Azotas ištirps kraujyje ir audiniuose remiantis Henrio dėsniu. Kiekis, kuris ištirps, priklauso nuo gradiento. Paviršiuje mūsų organizmui yra įprastas p_N2 apie 0.8 bar. Neriant p_N2 didės kartu su didėjančiu gyliu. 30 m gylyje P_N2 yra 0.8 x 4 bar =  3.2 bar. Taigi čia yra gradientas tarp azoto slėgio, kuriuo kvėpuojame gelmėje ir kuris jau ištirpęs. Pasiekus 30 m gylį gradientas yra 2.4 bar (3.2 bar – 0.8 bar).

Gradientas dar vadinamas slėgio pokyčiu. Ištirpusių dujų kiekis priklauso nuo gylio ir jame praleisto laiko. Dujų ištirps daugiau, jei nersite giliau ir ilgiau išbūsite. Dėl slėgio pokyčio azoto ištirps daugiau, kol nebus pasiekta nauja pusiausvyra. Pasiekus pusiausvyrą slėgio pokytis bus lygus nuliui ir daugiau dujų nebeištirps. Tai vadiname prisotinimu. Dauguma nerimų nepasiekia prisotinimo.

Trečias faktorius yra kūno audinių savybės. Žmogaus kūną sudaro keletas skirtingų audinių rūšių ir ištirpstantis dujų kiekis juose yra skirtingas.

1) “Greiti” audiniai (kraujas, smegenys, raumenys)

2) “Lėti” audiniai (riebalai, kremzlės, kaulai)

Prisotinimo skirtumams pademonstruoti įsivaizduokime du kibirėlius. Vienas jų su riebalais, kitas su tokiu pat kiekiu pieno. Įpylę vienodą kiekį vandens į kiekvieną kibirėlį, pamatysite, kad pienas su vandeniu susimaišė akimirksniu, o su riebalais tai truks ilgiau. Tas pats vyksta su dujomis skirtinguose audinių tipuose.

Galiausiai visi audiniai turės savyje ištirpinę dujų, kiek tik gali išlaikyti. Tai vadiname prisotinimu. Kas pasiektų prisotinimą, narai būna veikiami slėgio keletą savaičių ir jiems reikalinga viena ilga dekompresija grįžimui į atmosferinį slėgį. Nėrimo iki prisotinimo privalumas yra tas, kad dekompresijos laikas nekinta, kai buvo pasiektas prisotinimas. Nebėra skirtumo, ar jūs po vandeniu dirbate  vieną dieną ar keletą savaičių.

Mėgėjai narai nenardo iki prisotinimo. Trumpesni nėrimai prisotins tik “greituosius” audinius. Šie audiniai yra santykinai “greiti” nekompresuoti (pašalinti azotą) taip pat. Nėrimų lentelės duoda gylių ir laikų variantus nėrimams be dekompresijos, dekompresinius laikus giluminiams ir ilgalaikiams nėrimams, bei pakartotinių nėrimų procedūras. Lėtas iškilimo greitis (10 m/min.) yra būtinas visuose nėrimuose, kad iš organizmo pasišalintų azoto perteklius. Dekompresinis nėrimas reiškia, kad jūs esat per ilgai veikiamas slėgio, kad galėtumėte iš karto iškilti į paviršių. Šiuo atveju jūs privalote padaryti sustojimus mažame gylyje (paprastai 3 ir 6 metruose), kol bus saugu iškilti.

Po bet kurio nėrimo jūsų kūne liks papildomas azoto likutinis kiekis. Tai jums bus aktualu tik tuo atveju, jeigu norėsite daryti pakartotiną nėrimą. Pakartotinis nėrimas reiškia, kad jūs darote nerimus kai jūsų organizmas dar nėra visiškai pašalinęs likutinio azoto kiekio po pirmojo nėrimo. Taigi mes matome, kad atsiranda nėrimų limitas – azoto kiekis likęs iš pirmo nėrimo susideda su antrojo. Narui nesinaudojant nardymo lentelėmis pagal taisykles, atsiranda didelė azoto pertekliaus rizika. Išauga dekompresinės ligos pavojus.

Pastaruoju metu išaugo nardymo kompiuterių naudojimas. Jie skaičiuoja organizmo prisisotinimą dujomis kaip ir nardymo lentelės. Pramoginiame nardyme nardymo kompiuteriai tapo standartine ekipuotė.

http://www.frogmen.lt