Полости тела человека, содержащие воздух, и газовые законы

Влияние давления на организм человека нельзя рассматривать отдельно от воздействия этого давления на воздух, содержащийся в легких, дыхательных путях, полостях среднего уха, синусах и внутренних органах. При пребывании человека под водой воздух как бы изолируется. По мере увеличения глубины погружения и повышения окружающего давления практически несжимаемые ткани тела принимают все давление на себя, не подвергаясь при этом разрушению. Однако такое положение может существовать только тогда, когда давление воздуха в замкнутых полостях тела выравнивается с давлением в окружающих тканях. Такое состояние может быть создано искусственно путем подачи человеку, находящемуся на глубине сжатого воздуха под давлением, равным давлению воды на глубине погружения. Если этого не сделать, может произойти одно из двух. При достаточной эластичности окружающих тканей воздух, находящийся в замкнутом пространстве, в результате повышения окружающего давления будет подвергнут сжатию. Если же этого не происходит и объем воздуха_в замкнутом пространстве при повышении окружающего давления не уменьшается, то разница в давлении между этим воздухом и окружающими тканями может привести к гибельным последствиям.

Воздух и другие газы подчиняются так называемым газовым законам. Что касается подводной физиологий, то для нее Особое значение имеет поведение газов в соответствии с законом Бойля-Мариотта.

Закон Бойля-Мариотта

При постоянной температуре объем данной массы газа обратно пропорционален давлению, под которым он находится, или иначе, произведение давления Р газа на его объем V, есть величина постоянная:

PV = К,

где Р - давление; V - объем; К - константа.

Это означает, что при увеличении давления данной массы газа в 2 раза объем ее должен уменьшиться ровно наполовину. Замкнутые объемы газа не могут быть подвергнуты сжатию до тех пор, пока не удастся создать таких условий, при которых их объем будет уменьшаться.

Значение этого положения для подводной медицины хорошо проиллюстрировано на рис. 2, где показано, что происходит с объемом воздуха при погружении в воду перевернутого колокола, содержащего воздух.

Важность для подводной медицины описанных здесь изменений объема воздуха трудно переоценить, а понимание этого процесса играет первостепенную роль. В данном случае воздух, находящийся под колоколом, можно сравнить с воздухом, содержащимся в легких человека, погружающегося в воду.

На поверхности воды колокол заполнен определенной массой воздуха, которая занимает весь его объем и оказывает на него давление, равное 1 атм. При погружении открытого снизу колокола на глубину 10 м он будет испытывать повышенное давление окружающей воды. Это давление будет складываться из атмосферного давления и давления столба воды высотой 10 м. В сумме это давление составит 2 атм. Давление на воздух, находящийся под колоколом, также будет удвоено, в результате чего объем его уменьшится наполовину. Это достигается благодаря тому, что уровень воды, находящейся под колоколом, займет ровно половину его объема. Следовательно, на глубине 10 м объем воздуха под колоколом уменьшается наполовину при увеличении его давления вдвое, хотя масса воздуха (число молекул газов, ее составляющих) при этом не изменится. (Следует отметить, что незначительные отклонения от этого правила за счет, например, некоторого растворения воздуха в воде во внимание не принимаются.)

Если колокол опустить еще глубже, до отметки 20 м, давление воздуха под ним возрастает до 3 атм, а его объем уменьшится до ]/з первоначального. Вода при этом займет 2/3 объема колокола.

При опускании колокола еще глубже, до отметки 30 м, воздух, находящийся под ним, будет сжат до 1/4 первоначального объема, а на глубине 40 м - до 1/5 первоначального объема и т. д.

Так, например, на глубине 190 м объем воздуха под колоколом будет составлять всего лишь 1/20 первоначального объема. Давление на такой глубине будет равно 20 атм.

На практике могут создаться такие условия, когда объем воздуха под водой должен быть постоянным, занимающим первоначальный объем.

Как же можно этого достичь?

В данном случае могут быть использованы два метода. Первый и наиболее простой (рис. 3) состоит в том, что определенный объем воздуха заключается в жесткую оболочку. Возьмем, например, знакомый нам колокол и закроем наглухо его дно. При погружении такого колокола в воду давление и объем заключенного в нем воздуха останутся неизмененными. По мере увеличения глубины погружения колокола будет возрастать лишь давление, действующее на него снаружи. Так, например, на глубине 190 м при наличии внутреннего давления в колоколе в 1 атм он будет испытывать внешнее давление, равное 19 атм. При этом колокол должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать такое давление. При строительстве глубоководных герметичных камер следует использовать такие конструктивные материалы, которые бы выдержали такую разницу в давлении на заданных глубинах. На практике этот принцип используется при строительстве подводных лодок, корпус которых должен иметь не только оптимальную форму, но и обладать достаточной прочностью, чтобы противостоять давлению воды на больших глубинах. Глубина погружения подводной лодки зависит от прочности ее корпуса. Воздух, находящийся внутри нее, сохраняет первоначаль-

Рис. 3. Поддержание постоянного объема газа под водой.

ный объем: и давление при одновременном увеличении давления на обшивку подводной лодки па мере увеличения глубины ее погружения.

Вторым методом поддержания постоянного объема воздуха при повышенном давлении при погружении какого-либо объекта на глубину является подкачка в него воздуха до выравнивания в нем давления до окружающего (рис. 3). Если мы будем погружать в воду колокол с открытым дном, то для сохранения объема содержащегося в нем воздуха мы должны подсоединить к нему трубку, соединенную с компрессором, подающим под колокол воздух под необходимым давлением. Для того чтобы воздух на глубине 10 м заполнял весь объем колокола, давление внутри него должно быть равным 2 атм., На глубине 30 м это давление должно быть равным 4 атм, а на глубине 190 м -20 атм., На практике такая подкачка воздуха под колокол ведется до тех пор, пока из-под его нижнего края не начнут появляться пузырьки воздуха, что служит показателем заполнения воздухом всего объема колокола. Этот метод используется при подаче воздуха водолазам, работающим на глубине в мягких скафандрах, для поддержания внутри скафандра давления окружающей среды.

Такая подача воздуха может осуществляться компрессорами, находящимися на поверхности, или же из специальных баллонов со сжатым воздухом, переносимых водолазом на себе.

Смотрите также

Давление

Изменения, происходящие при переходе человека из воздушной среды в водную

Полости тела человека, содержащие воздух, и газовые законы

Изменения объема газов

Изменение плотности воздуха

Растворимость и парциальные давления газов

Удельный вес воды

Распространение света и звука в воде

Декомпрессия