Проблема плотности газа

Существует много примеров, с помощью которых можно проиллюстрировать характер влияния плотности воздуха на состояние и работоспособность человека под водой. Лучше всего об этом может рассказать опытный водолаз, если его после завершения тяжелой работы на грунте спросить о характере дыхания под водой.

Вы не дышите,- скажет он,- а всасываете в себя воздух, а затем с силой выдуваете его из себя.

Многие феномены, связанные с повышением плотности воздуха, можно наблюдать в рекомпрессионных камерах, в которых имитируется погружение на глубину. Одним из первых проявлений воздействия на организм воздуха повышенной плотности является резко выраженное изменение голоса. Свистеть, например, человек в этих условиях не сможет, но до какой степени изменения голоса связаны с изменением плотности воздуха пока неизвестно вследствие того, что нет объективных критериев оценки зависимости изменений голоса от плотности воздуха. В то же время известно, что изменение давления газа на скорость прохождения в нем звука не влияет, однако оно может вызвать значительные изменения резонанса и Артикуляции.

Отрицательное влияние повышения плотности воздуха может быть продемонстрировано и по изменению максимальной вентиляции легких. Cotes (1954) определял этот показатель в группе мужчин на имитированной высоте 3000, 5500 и 9000 м и обнаружил его увеличение по сравнению с уровнем моря соответственно на 12, 24 и 36%. Так как эти результаты были получены при уменьшении плотности воздуха, было признано целесообразным повторить этот эксперимент в условиях повышенной плотности воздуха. Для определения максимальной вентиляции легких человека в рекомпрессионной камере при давлении 2, 3 и 4 ата был использован простой дыхательный аппарат с низким сопротивлением дыханию, предложенный McKerrow (1953). При постановке этой серии экспериментов максимальная вентиляция легких снизилась соответственно на 28, 40 и 49%. На практике это означает, что максимальная вентиляция легких человека, находящегося в атмосфере сжатого воздуха с давлением, эквивалентным глубине 30 м, снижена наполовину.

Если результаты этих двух независимых экспериментов свести воедино и графически распределить значения максим аль-

ной вентиляции легких на высоте и в глубине против давления в абсолютных атмосферах, то мы получим общую кривую, представленную на рис. 24.

Данные, характеризующие атмосферное давление, представлены на этом рисунке с помощью логарифмической шкалы; это означает, что изменения плотности воздуха на эквивалентных глубинах при приближении к поверхности более выражены, а с увеличением глубины погружения уменьшаются. Следует отметить, что продолжение линии, представленной на рис. 24, будет свидетельствовать о том, что при давлении 12 ата (глубина 110 м) максимальная вентиляция легких будет равна нулю. Однако это не отражает действительного положения вещей.

Другая серия экспериментов по определению максимальной вентиляции легких была проведена в рекомпрессионной камере при давлении, эквивалентном глубине 10, 20, 30, 50 и 60 м. Усредненные соотношения между максимальной вентиляцией легких и глубиной можно видеть на кривой, представленной на рис. 25.

Можно предположить, что во время определения максимальной вентиляции легких поток воздуха носит целиком турбулентный характер, при котором плотность воздуха играет очень важную роль.

Как известно,

где Р - сила, необходимая для перемещения массы т со скоростью V.

Если Р - работа, произведенная во время дыхания при максимальных усилиях, предпринимаемых человеком для осуществления этого акта, то эта величина может быть признана постоянной и равной:

При прочих равных условиях объем движущейся массы воздуха зависит от скорости и массы в единице объема и прямо пропорционален плотности воздуха и равен:

где D - плотность.

Если это соотношение изобразить графически так, как это сделано на рис. 25, то получится точно такая же кривая.

Большое уменьшение максимальной вентиляции легких на экспериментальной кривой по сравнению с теоретической можно объяснить наличием сопротивления воздушной струе в регистрирующем аппарате, которое, будучи ничтожным на поверхности, резко возрастает с увеличением глубины, что опять- таки связано с увеличением плотности воздуха. На глубине 30 м это сопротивление при подаче воздуха со скоростью 100 л/мин оказалось равным 50 мм вод. ст. Эта величина, будучи в общем-то не очень большой, может служить причиной различий между кривыми, представленными на рис. 25.

Вне зависимости от того, оправдан или не оправдан такой простой математический подход для характеристики столь сложной системы, на практике он широко применяется. Признание того факта, что дыхательный объем в зависимости от затрачиваемых на дыхание мышечных усилий варьирует как величина, обратная корню квадратному из показателя плотности, является весьма полезным с точки зрения определения влияния на эффективность дыхания не только глубины, но и типов дыхательных аппаратов и характера газовых смесей, отличающихся по своему составу от воздуха.

Плотность газа и глубина погружения

Значение плотности при погружении на небольшие глубины

Сопротивление дыхания на вдохе и выдохе