Плавучесть и мир «невесомости»

Хотя некоторые дайверы любят красноречиво описывать «невесомость», которую они испытывают под водой, с точки зрения физики мы не находимся в состоянии невесомости. Сила притяжения Земли действует на нас так же, как и на поверхности. Поэтому мы чувствуем, если заваливаемся на правый бок или оказываемся вверх ногами (космонавты при отсутствии силы притяжения этого не чувствуют). Если мы перестанем двигаться в воде, наиболее тяжелая часть снаряжения будет находиться ближе всего ко дну. Хотя, строго говоря, мы не находимся в невесомости, дайвинг дает нам представление о невесомости, потому что плавучесть - это сила, направленная в сторону, противоположную силе притяжения.

Применительно к дайвингу: Умение контролировать плавучесть — отличительная черта опытного дайвера. Понимание принципов плавучести позволяет предсказывать, как изменение вашего веса и объема или плотности воды повлияет на плавучесть.

Закон Архимеда.Что такое плавучесть? Скорее всего, у вас уже сложилось об этом общее представление, но давай те разберемся подробнее. Плавучесть - это направленная вверх сила, действующая на любой объект, помещенный в текучую среду (жидкость или газ). Хотя во время чтения этой книги вы, скорее всего, находитесь на поверхности, на вас в это время тоже действует сила плавучести, так как вы находитесь в текучей среде - воздухе. Просто сила плавучести, действующая на ваше тело, настолько мала, что не может оказать существенного влияния на силу притяжения. А вот огромный воздушный шар с горячим воздухом - это совсем другое дело: благодаря плавучести, он поднимается вверх, по тому же принципу, что и ваш компенсатор плавучести будет поднимать вас вверх, когда вы добавите в него воздуха.

Сила плавучести определяется законом Архимеда (закон назван в честь древнегреческого математика), который гласит, что на объект, частично или полностью помещенный в текучую среду, будет действовать подъемная сила, равная весу того количества текучей среды, которое вытесняет объект.

Таким образом, плавучесть - направленная вверх сила - зависит от того, сколько жидкости вытеснил объект, а татке от веса вытесненной жидкости. Это означает, что, при заданном объеме вытеснения, чем плотнее жидкость, тем больше направленная вверх сила (плавучесть).

В дайвинге нас, естественно, больше всего интересуют характеристики плавучести объектов в воде. Морская вода более плотная и весит больше пресной воды, так как в ней растворены соли. Один литр чистой пресной воды весит один килограмм. А один литр морской воды, из-за растворенных в ней солей, весит приблизительно 1,03 кг. Разница между соленой и пресной водой кажется незначительной, но при использовании одного и того же гидрокостюма и прочего снаряжения для погружения в океане вам потребуется больше грузов, чем в озере.

Удельный вес

Ученые измеряют способность твердого тела или жидкости тонуть или всплывать в воде, исходя из удельного веса вещества. Удельный вес выражается в виде отношения плотности вещества или объекта к плотности чистой воды. Чистая вода является эталоном и обладает удельным весом, равным 1,0. Все вещества с меньшей плотностью, чем у чистой воды, будут обладать удельным весом меньше 1,0 и будут всплывать в воде. В этом случае сила плавучести, направленная вверх, будет больше, чем сила тяжести, направленная вниз. Вещества с удельным весом 1,0 не будут ни тонуть, ни всплывать.

Сила тяжести и сила плавучести уравновешивают друг друга, и объект будет оставаться в толще воды (если нет течений и других сил, действующих на объект). (К слову говоря, плавучесть газов измеряется на основе плотности воздуха при стандартной температуре и давлении (сокращенно СТД), а именно: 273 К/0°С при давлении 1,0 бар/ 1,0 атмосфера.)

Вы наверняка сталкивались с терминами положительная, отрицательная и нейтральная плавучесть. Объект, который всплывает, обладает положительной плавучестью, а тот, который тонет - отрицательной. Если же объект не тонет и не всплывает - его плавучесть нейтральна. Под водой мы стремимся именно к нейтральной плавучести, так как в этом состоянии мы можем легко скользить сквозь толщу воды, затрачивая минимум усилий.

Наша плавучесть зависит от количественного соотношения между разными тканями тела. Каждая ткань обладает своим удельным весом, поэтому в целом у нас у всех разный удельный вес. Например, жировая ткань обладает удельным весом между 0,7 и 0,9, кости - приблизительно 1,9, а мышечная ткань - 1,08. В зависимости от соотношения между количеством жировой и мышечной ткани, большинство людей обладают удельным весом около 1,0, но у людей с повышенным содержанием жировой ткани удельный вес может быть меньше 1,0, и они будут всплывать. У людей с низким содержанием жировой ткани удельный вес будет больше 1,0, и в чистой воде они будут погружаться. Однако снаряжение для дайвинга, особенно мокрый или сухой гидрокостюм, вытесняет очень много воды, но не очень много весит. Поэтому, если погружаться в мокром или сухом гидрокостюме, даже человеку с очень низким содержанием жировой ткани придется использовать грузы, чтобы компенсировать положительную плавучесть костюма.

Применительно к дайвингу: Количество грузов, которое вы используете, будет меняться при переходе из пресной воды в морскую и наоборот. А некоторым дайверам всегда требуется больше грузов, чем другим. Также нужно изменять количество грузов при смене гидрокостюма. Все это объясняется разным удельным весом.

Обратите внимание, что удельный вес 1,0 - это удельный вес именно чистой воды, но вряд ли мы когда-либо будем нырять в чистой воде. Морская вода обладает удельным весом приблизительно 1,03, что означает, что в ней объект с удельным весом 1,0 будет обладать положительной, а не нейтральной плавучестью. Чтобы быть нейтрально плавучим в соленой воде, объект должен обладать удельным весом 1,03. Поэтому мы не используем в дайвинге удельный вес для определения плавучести. Даже пресная вода будет обладать разным удельным весом, поэтому единственным способом на практике определить требуемое количество грузов в новой среде или с новым снаряжением, это провести проверку подбора грузов. (Как вы, наверное, помните, подбирать количество грузов надо так, чтобы с пустым компенсатором плавучести, сделав нормальный вдох и задержав дыхание, вы могли держаться на поверхности воды на уровне глаз. После этого, если вы выполняли подбор грузов с полным баллоном, нужно добавить еще два кг, чтобы принять в расчет вес воздуха, который израсходуется во время погружения.)

Применение на практике.Понимание принципов плавучести помогает нам решать реальные задачи, возникающие в дайвинге. Предположим, что вы хотите поднять со дна большой и дорогостоящий подвесной мотор, случайно упавший в море. Если вы умеете производить вычисления, то сможете легко рассчитать, какая потребуется сила плавучести, чтобы поднять мотор на поверхность.

Из инструкции по эксплуатации вы узнали, что мотор на поверхности весит 100 кг. Вам нужно знать, какая нужна дополнительная сила плавучести (то есть, сколько плавучести нужно добавить к той плавучести, которая уже действует на затопленный мотор), чтобы компенсировать вес мотора.

Сначала нужно определить уже существующую плавучесть, которая равняется весу воды, вытесненной мотором. Предположим, что мотор вытесняет 20 литров соленой воды, которая весит 20,6 кг. Таким образом, подъемная сила, уже действующая на мотор, равняется 20,6 кг.

Осталось только сбалансировать противоположно направленные силы: 100 кг силы, направленной вниз (сила тяжести — вес мотора на поверхности) и 20,6 кг силы, направленной вверх (сила плавучести). Чтобы плавучесть мотора стала нейтральной, необходимо компенсировать оставшуюся отрицательную плавучесть: 100 кг - 20,6 кг = 79,4 кг — столько плавучести нужно добавить.

Если не принимать в расчет вес подъемного устройства (подъемного мешка или парашюта), то, чтобы определить, сколько осталось вытеснить воды для преодоления оставшейся отрицательной плавучести, необходимо разделить отрицательную плавучесть на вес соленой воды: 79,4 кг ч- 1,03 кг/л = 77,1 л воды.

На практике дайвер будет вытеснять воду, добавляя в подъемное устройство рассчитанный объем воздуха, плюс объем воздуха, необходимый для компенсации отрицательной плавучести самого подъемного устройства.

Вы могли заметить, что в этой задаче мы не учли вес воздуха, который добавили в подъемное устройство. Строго говоря, вес воздуха тоже имеет силу, направленную вниз, но эта сила настолько мала, что не стоит усилий, затраченных на се вычисление. Поэтому в дайвинге мы определяем подъемную силу какой-либо воздушной полости без учета веса воздуха.

Давление как сила

Большинство людей знают, что под водой на нас начинает действовать давление. Даже те, кто никогда не погружался с аквалангом, тоже испытывали давление на уши, ныряя на глубину 2-3 метра на задержке дыхания (хотя они могли не знать о том, как можно выровнять это давление, чтобы устранить неприятные ощущения). Давление- это сила или вес, действующий на определенную площадь. Математически это выглядит так:

Применительно к дайвингу: Газы сжимаются или расширяются пропорционально изменению давления. Влияние газов на наше тело также находится в пропорциональной зависимости от давления. Чтобы вычислять эти изменения с использованием газовых законов, нужно уметь определять давление на заданной глубине.

Атмосферное давление. Давление может исходить из разных источников. Вы можете оказывать давление на поверхность стола, опираясь на него рукой. В дайвинге нас в основном интересует давление газов, которыми мы дышим, и давление окружающей воды.

На поверхности мы находимся под давлением атмосферы, которое является результатом того, что воздух тоже имеет вес. Ученый эпохи Ренессанса, Галилей, первым продемонстрировал, что воздух обладает весом, а итальянский математик Эванджелиста Торричелли пришел к выводу, что если атмосфера окружает все вокруг и человечество живет на дне этого «воздушного моря», то на любое тело должно действовать постоянное давление. Торричелли первым измерил атмосферное давление. Для этого он заполнил ртутью герметично закрытую с одного конца трубку, а затем перевернул ее и опустил открытым концом в емкость с ртутью. Под собственным весом ртуть в трубке опустилась вниз, образовав в верхней части трубки пустоту (вакуум). Но при этом некоторое количество ртути осталось в трубке, и высота ртутного столба в ней составила 76,2 см, что соответствует давлению 1,03 кг на квадратный сантиметр. Торричелли решил, что та сила, которая удерживает ртуть в трубке, и есть давление атмосферы.

Давление воды. Во время погружения на нас действует давление воды (также называемое гидростатическим давлением). Вес поды оказывает давление так же, как вес воздуха создает атмосферное давление. Несколько лет спустя после опыта Торричелли французский философ и ученый Блез Паскаль на похожем примере показал, что давление, оказываемое атмосферой на уровне моря, равно давлению, которое оказывает столб соленой воды высотой 10 метров. Вы можете в этом убедиться сами, используя простые математические выкладки. Один литр соленой воды весит 1,03 кг. Его объем равен 1000 см3 - другими словами, его можно представить как куб со стороной 10 см (10 см х 10 см х 10 см = 1000 см3). Площадь дна куба составляет 100 см2 (10 х 10 =100). Чтобы определить давление на 1 см2, разделите 1,03 кг на 100 см2 и получите 0,0103 кг/см2. Это делить давление каждого метра, умножьте полученный результат на 10 (1 метр = 100 см; 100 см ч- 10 см = 10), что составит давление каждого метра соленой воды 0,103 кг/см2.

Если разделить значение атмосферного давления на значение давления воды, приходящегося на один квадратный сантиметр, то можно вычислить, давление скольких метров морской воды будет равняться давлению одной атмосферы. Одна атмосфера оказывает давление равное 1,03 кг/см2 * 0,103 кг/см2 на один метр = 10 метров. Следовательно. 10 метров морской полы оказывают такое же давление, как и атмосфера.

Терминология, связанная с давлением. В зависимости от поставленных целей, вы можете измерять и выражать давление в разных величинах, большинство из которых не используется в дайвинге. В дайвинге в основном мы используем бары, атмосферы или psi (фунты на квадратный дюйм). Реже можно встретить показатель давления, выраженный в метрах пресной или соленой воды. Давайте рассмотрим различные термины, связанные с давлением, которые мы будем использовать в этой главе, и которые нашли применение в дайвинге.

Наиболее распространенной единицей измерения давления является атмосфера (сокращенно атм), или бар. Одна атм/бар это давление атмосферы на уровне моря. (Примечание: строго говоря, между атмосферой и баром существует некоторая разница, но она настолько мала, что в дайвинге мы ею пренебрегаем и используем эти термины как синонимы.)

В любой измерительной системе абсолютное давление- это суммарное давление. Нам нужно знать этот показатель, чтобы понять влияние давления на газы и наше тело. Манометрическое давление, напротив, использует 1 атм/бар в качестве нулевой отметки. Мы используем этот показатель для определения полезного давления. Именно это давление показывают большинство манометров. Чтобы понять разницу, представим, что манометр на пустом баллоне показывает 0 на поверхности. Если вы откроете вентиль, то воздух не будет выходить из баллона. Но все- таки в баллоне воздух есть - просто он не выходит, потому что снаружи и внутри баллона давление одинаковое. Абсолютное давление внутри баллона - 1 атм или 1 бар - такое же, как и снаружи.

Чтобы различать атмосферное и манометрическое давление в британской системе измерений часто (но не всегда) добавляют букву «а» к обозначению абсолютного давления и «g» к обозначению манометрического. Как правило, абсолютные атмосферы сокращаются до ата (ata), а фунты на квадратный дюйм до psia (абсолютное давление) или psig (манометрическое). В метрической системе, как правило, после единицы измерения добавляют сочетание «абсолютное давление» или «манометрическое давление», если из контекста не ясно, какое давление имеется в виду. Например; 2 бар (манометрическое давление).

Фунты на квадратный дюйм (psi, psia или psig) являются распространенной единицей измерения, используемой в британской системе измерений в основном для обозначения давления в баллоне. Дайверы, использующие метрическую систему, обычно измеряют давление в баллоне в барах. Редко можно встретить в дайвинге использование килограммов на квадратный сантиметр (кг/см2), хотя в науке этот термин используют часто.

Иногда и в метрической и в британской системе измерений можно встретить давление, выраженное в терминах глубины - в метрах морской воды (msw), метрах пресной воды (mfw), футах морской воды (fsw) и футах пресной воды (ffw). Этот термин часто используется, например, для обозначения максимального давления, на которое рассчитан подводный бокс для фотоаппарата.






Дата добавления: 2020-06-29; просмотров: 28;


Поделитесь с друзьями:

Вы узнали что-то новое, можете расказать об этом друзьям через соц. сети.

Поиск по сайту:

Введите нужный запрос и Знаток покажет, что у него есть.
Znatock.org - Знаток.Орг - 2017-2020 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.007 сек.