Физика дайвинга

Содержание
Тепло, свет, звук в воде
Плавучесть
Давление и газы

Вода
Молекула воды полярна
Полярная связь между молекулами делает поверхность воды плотной
Вода – хороший растворитель

Вода и тепло
Тепло – суммарная кинетическая энергия всех молекул, находящихся в определенной массе вещества
Температура – показатель среднего движения молекул в определенной массе вещества
Чтобы нагреть одинаковые массы воды и воздуха на одинаковое количество градусов, для воды необходимо в 4 раза больше тепла, чем для воздуха (для одинаковых объемов – в 3200 раз больше)

Вода и тепло
Теплоемкость – показатель количества тепла, которое необходимо передать веществу, чтобы нагреть его на заданное количество градусов
Вода обладает практически самой высокой теплоемкостью среди веществ в природе

Вода и тепло
Высокая теплоемкость воды обусловлена полярной связью молекул (при нагревании энергия сначала расходуется на разрыв полярных связей между молекулами, а затем на увеличение кинетической энергии молекул)
Теплоемкость воды выше, чем у воздуха также из-за большей плотности
Плотность – показатель количества массы на единицу объема
(1 л воды весит примерно 1 кг, а 1 л воздуха – 1,3 гр)

Вода и тепло
Расслоение по плотности – образование водных слоев в зависимости от плотности
По мере охлаждения вода становится плотнее, пока не достигнет температуры замерзания.
Лед имеет меньшую плотность, чем жидкая вода. Лед на поверхности изолирует и сохраняет тепло воды, замедляя процесс замерзания
Граница между слоями воды с разной температурой называется термоклином

Вода и тепло
Растворенные вещества также увеличивают плотность воды
Если растворенных веществ достаточно много, то теплый водный слой может быть плотнее и лежать глубже холодного пресного
Граница между слоем пресной и соленой воды называется галоклином

Вода и тепло
Способы передачи тепла от одного вещества к другому – теплопроводность, конвекция, излучение
Теплопроводность – передача тепла посредством прямого контакта
Вещество, сопротивляющееся теплопроводности – изолятор (воздух)
Вещество, легко передающее тепло подобным образом называется проводником (вода – более чем в 20 раз лучше воздуха проводит тепло)
Почти всегда требуется теплоизолирующий гидрокостюм, за исключением погружений в очень теплой воде

Вода и тепло
Конвекция – передача тепла через текучую среду (жидкость или газ)
При погружении в воду без гидрокостюма кожа нагревает воду, вода становится менее плотной и поднимается наверх, на ее место приходит холодная вода
Излучение – передача тепла посредством электромагнитных волн

Вода и свет
В чистой воде только 20% света достигает глубины около 10 м
Относительная концентрация взвешенных частиц называется мутностью. Чем выше мутность, тем меньше света проникает в толщу воды и тем хуже видимость
Вода рассеивает и преломляет свет – это явление называется дисперсией
Свет рассеивается-отражается от взвешенных частиц по мере прохождения через воду, что ведет к более равномерному его распространению
Из-за дисперсии удаленные объекты кажутся нечеткими

Вода и свет
Видимый свет – узкий сегмент электромагнитного спектра (от 400 до 760 нм)
Когда белый свет попадает на объект, то лучи определенных длинн поглощаются, а других – отражаются.
Свет поглощается водой неоднородно как с глубиной, так и с расстоянием

Вода и свет
Преломление – изменение направления света при переходе из одной среды в другую с разной плотностью (плотность среды влияет на скорость света, что приводит к изменению его направления)
Предметы кажутся ближе, чем они есть на самом деле из-за явления преломления света (на 25% ближе или на 33% больше)
Из-за мутности воды предметы могут казаться дальше – обратный оптический эффект

Вода и свет
Максимальное количества света проникает под воду, когда лучи падают перпендикулярно ее поверхности. Чем меньше угол падения, тем больше света отражается от поверхности

Вода и звук
Звук – форма механической энергии, не может существовать вне материи
Скорость звука в воздухе на уровне моря при 0o C равен 332 м/с, в пресной воде при 15o C – 1410 м/с, в соленой воде – 1550 м/с, поэтому трудно определить источник звука под водой, а также из-за явления костной проводимости
Противодействие передаче звука будет на пересечении границы воздух/вода, галоклинах и термоклинах

Плавучесть
Закон Архимеда: на объект, частично или полностью помещенный в текучую среду, будет действовать подъемная сила, равная весу того количества текучей среды, которое вытесняет объект
Плавучесть – направленная вверх сила, действующая на любой объект, помещенный в текучую среду (жидкость или газ)
Плавучесть зависит от объема вытесненной жидкости и от ее веса. (Плотнее жидкость – больше плавучесть)

Плавучесть

Плавучесть
Вес - сила воздействия тела на опору, препятствующую падению, возникающая в поле сил тяжести
N = m · g
Удельный вес – отношение веса вещества к занимаемому объему
γ = N / V = m · g / V = ρ · g
где ρ – плотность вещества
Закон Архимеда
Fвыталк. = γж·V
где γж и V – удельный вес и объем вытесненной телом жидкости

Плавучесть
Свинцовый груз массой 1 кг поместили в воду.
Каким станет вес груза под водой?
плотность воды = 1000кг/м3
плотность свинца = 11350кг/м3
Вес груза на суше: N = 1кг * 9,8м/с2 = 9,8Н
Объем груза: V = N / γ = 9,8Н / (11350кг/м3 * 9,8м/с2) = 8,8 * 10-5 м3
Отсюда: Fвыталк. = 1000кг/м3 * 9,8м/с2 * 8,8 * 10-5 м3 = 0,86Н
Следовательно, вес груза под водой
P = N – Fвыталк = 9,8Н - 0,86Н = 8,94Н

Плавучесть
Нейтральная плавучесть на поверхности воды устанавливается при полностью сдутом жилете и почти пустом баллоне, при вдохе пловец держится в воде на уровне глаз, на выдохе начинает погружаться

Остойчвость
Остойчивость – это способность водолаза сохранять под водой устойчивое положение и легко возвращаться к нему при наклоне
Основные 3 положения тела дайвера – горизонтальное, под углом к поверхности (небольшой угол в 10-20º; большой угол более 30º), вертикальное.
Достигается правильным расположением элементов снаряжения, изменяя центр плавучести или центр тяжести

Давление
Давление – сила или вес, действующий на определенную площадь
Закон Паскаля: давление в жидкости или газе передается во всех направлениях одинаково и не зависит от ориентации площадки, на которую оно действует
Если верхняя часть сосуда, заполненного жидкостью плотности ρ, сообщается с атмосферой, то давление p в любой точке сосуда на глубине h:
P = Pa + ρ · g · h
1 бар = 0,987 атм =
105 Па =750 мм рт.ст. =
10,197 м.вод.ст. = 1,0197 кгс/см2
10 msw = 1 бар, 10 mfw = 0,97 бар

Газовые законы
Закон Бойля: при неизменной температуре объем газа обратно пропорционален абсолютному давлению
P·V = const

Газовые законы
Пример: (в грубом приближении!)
Аквалангист находится на глубине h = 20м,
объем баллона Vб = 10л,
воздух в баллоне под давлением P = 200бар,
объем легких аквалангиста Vл = 5л, на поверхности он дышит с частотой 6 вдохов в минуту.
Как долго аквалангист сможет дышать на этой глубине?
В баллон забито 10*200 = 2000л воздуха.
На поверхности аквалангист потребляет воздух со скоростью 5*6 = 30 л/мин
Давление на данной глубине 1+2 = 3бар, соответствующий расход воздуха увеличится до 30*3 = 90 л/мин
Следовательно, воздуха аквалангисту хватит на 2000/90 = 22 мин.

Газовые законы
Закон Шарля (основной газовый закон): изменение давления или объема заданного количества газа прямо пропорционально изменению его температуры (в К):
P·V / T = const
Эмпирическое правило: изменение температуры на 1o C соответствует изменению давления на 0,6 бар

Газовые законы
Пример:
Баллон заполнен сжатым воздухом при давлении 200 бар при температуре 40 °С. После этого температура окружающей среды понизилась до -15 °С. Чему равно давление воздуха в баллоне?
Табс[K] = °С + 273
P1=200бар, T1= 313К, P2=?,
T2=273-15=258К,
P1 / T1= P2 / T2
P2=P1xT2 / T1=200×258 / 313= 165 бар

Газовые законы
Закон Дальтона: давление, оказываемое смесью газов равно сумме величин давлений, производимых каждым газом, составляющим смесь; при этом поведение каждого газа таково, как если бы он был единственным и занимал полный объем
Парциальное давление – давление отдельного компонента газовой смеси.
Кислород ядовит при
PO2 > 1.4 бар/ata (67 м)
0,5% СО в смеси на глубине 40 м
соответствует 2.5 % СО на
поверхности (критический уровень)

Газовые законы
Закон Генри: Количество газа, растворенного в жидкости при определенной температуре, прямо пропорционально его парциальному давлению
Давление, оказываемое определенным газом, растворенным в жидкости, называется упругостью газа
На растворимость газа в жидкости влияют давление и температура. Любой газ будет растворяться в жидкости до тех пор, пока его парциальное давление в растворе не станет равным давлению в окружающей среде
Разница между парциальным давлением газов, находящихся во взаимодействии с жидкостью, и упругостью газов внутри жидкости называется градиентом давления