Физика роњења

Физика роњења је једна од области физике која се у оквиру медицине рада, поморске, хипербаричне и спортске медицине бави изучавањем утицаја суштинских својстава природних појава на организам ронилаца, кесонских радника, војних и спортских ронилаца, који током роњења бораве под водом уз обезбеђење физиолошких услова за дисања (роњење са апаратом) или без осигурања тих услова (роњење задржавањем даха). За физика роњења посебно је значајно познавање оног дела физике који проучава понашање гасова, принципе деловања силе потиска у течностима и начине на који се врши размена топлоте и простире светлост и звук.

Од морских дубина до крајњих граница земљине атмосфере физилка својства природних појава могу изазвати промене у саставу гасова, воде, светлости или звућних таласа што може директно утицати на организам ронилаца

Основне поставке

Роњење почиње када ронилац зарони у воду и престаје дисати атмосферски ваздух, а завршава се када га након изроњавања почне поновно удисати.

Ронилац, у условима негостољубиве подводне средина, притешњен заштитном опремом изложен је бројним физичким и стресогеним утицајима, који могу нарушити његово здравље или му угрозити живот

Роњење уводи човека у страни свет, свет који није замишљен да он у њему комфорно борави и живи. У том „свету” рониоци су изложени условима „негостољубиве” средине, у којој се човек на налази у другим активностима, а укључују повећани притисак околине, повећани парцијални притисак кисеоника и повећани отпор дисању, повећани отпор кретању, додатну тежину и притисак ронилачке опреме и стрес узрокован хладноћом.

Ефекти времена као што је ветар, који изазива таласе, и промене температуре и атмосферски притиска на и у води негативно утичу на рониоца. Чак и умерено јаки ветрови могу спречити роњење због повећаног ризика од губитка на мору или повреде. Ниске температуре воде захтевају да рониоци носе ронилачка одела јер могу да изазову проблеме као што је замрзавање ронилачких регулатора.

То су само неки разлози зашто се изучава физика роњења која омогућава лекарима и рониоцима да схвате и предузму мере заштитие од могућих различитих негативних утицаја околине који се јављају када нека особа заронини у воду или носи ронилачку опрему која му повећава отпор дисању и радно оптерећује респираторни и кардиоваскуларни система.

Роњење на ваздух под притиском састоји се од удисања ваздуха (мешавина различитих гасова, најчешће кисеоника и азота) на различитим дубинама зарона. Гас се у организму понаша према законима физике на одређеним дубинама зарона, што зависи од притиска околине у којој је гас изложен одређеним променама. Како ронилац рони дубље, спољашњи притисак се повећава.

На нивоу мора притисак износи једну атмосферу, а повећава се за сваких десет метара испод нивоа мора, тако да на 10 метара под водом притисак износи 2 атмосфере (удвостручује се), на 20 метара износи 3 атмосфере итд.

Ако дође до пада притиска изван тела (као при изрону, у авиону или тком лета у свемир) растворени гас у телу рониоца прелази у гасовито стање што се најчешће манифестује појавом мехурића у периферној крви, десној страни срца, у плућној циркулацији и даље у крвотоку. Венски гасни мехурићи, када се појављују без изражених клиничких знакова декомпресионе болести (скраћено ДБ), називају се „тихим мехурићима“ (4). Иако су „тихи мјехурићи“ асимптоматски, присуство мноштва мехурића гас у венској циркулацији јасно је повезано с високим ризиком настанка ДБ.

Основне особине ваздуха

Ваздух је смеша гасова од којих су неки у врло променљивом саставу: азота има 78,08%, кисеоника 20,95%, аргона 0,93% и у врло малим количинама криптона, ксенона, хелијума, неона и других. У променљивим количинама у ваздуху може бити водене паре, озона, угљен-диоксида, радона и других. Састав ваздуха варира на различитим висинама. При већој висини смањује се садржај кисеоника, а повећава се садржај водоника.

Основна разлика између гасова, течности и чврстих супстанција је у томе што се гасови простиру равномерно по целој запремини суда у коме се налазе или у простору у коме се налазе. Ово се објашњава великом покретљивошћу молекула гаса који се крећу хаотично, при чему ниједан правац кретања нема предност.

Ако се на путу молекула гаса налази нека препрека (нпр зидови суда) молекули гаса ударају у њих и на њих врше притисак. На тај начин гас који се налази затворен у неком суду врши притисак на зидове суда на све стране једнако.

„ Дакле при сталној маси гаса његов притисак је утолико виши уколико је мања запремина суда јер тада молекули гаса чешће ударају у зидове суда што условљава повишење притиска. Поред тога притисак гаса је виши и на вишој температури јер тада молекули ударају у зидове суда чешће и већом брзином. ”

Основне особине воде

Вода је течност без боје, мириса и укуса. Универзални је растварач и једина супстанца која се у природи налази чиста у сва три агрегатна стања. По хемијском саставу (Х₂О) воде је састављена од два молекула водника и једног молекула кисеоника повезаних ковалентним везама. У природи овако чисту воду веома ретко налазимо.

Вода у себи има и растворених гасова који су у контакту са водом и раствореним минералима. Морска вода због растворене велике количине соли има већу масу и густину у односу на слатку воду. Морска вода је гушћа од ваздуха за око 788 пута, док је слатка вода гушће од ваздуха за око 780 пута.

Вода је флуид (течност) и један литар воде има запремину од 1 дм³ и масу од 1 кг. У флуидима (гасови и течности) притисак се преноси равномерно у свим правцима – Паскалов закон. Због нестишљивости воде (вода није подложна сабијању) притисак у води расте линерарно са дубином и за сваких 10 м дубине повећава се за 1 бар.

Вода и топлота

Графикон који приказује термоклину тропског океана (дубина у односу на температуру)

Вода има велики топлотни капацитет,због чега се споро загрева али и споро хлади. За разлику од других материја у природи које се приликом хлађења скупљају вода је најгушћа на 4 ⁰C степена. Уколико температура и даље пада вода се шири и кристализује у лед који има мању густину од воде. Лед који плива на површини служи као изолатор и спречава даље залеђивање воде. Ове особине су веома битне за климу на земљи и опстанак биљног и животињског света.

Како вода има око 25 пута бољу топлотну проводљивост него ваздух рониоци су често изложени потхлађивању и неопходна им је одговарајућа термичка заштитна опрема.

Током зарона, температура воде на дубини зарона је по правилу нижа него температура на површини, а регулација температуре тела је по правилу отежана, што захтева употребу одговарајуће заштитне одеће за излагање таквим температурама. Такође урањање у хладну воду може изазвати хипервентилацију која нормално престаје унутар неколико минута. За време урањања у хладну воду долази до повећања активности симпатичког нервног система што узрокује повећање фреквенције срца. Такође, као последица зарањања, срце мора радити више због повећања периферног отпора. Од других фактора који повећавају ризик током роњења су застоја срца у ронилаца изазван ронилачким рефлексом.

Роњење и светлост

Упоредни приказ продирања светлости различитих таласних дужина у отвореном океану и приобалној води

Светлости у води је под утицајем многобројних промена као што су; атмосферски услови (магла, киша, снег итд), замућења воде (природном или индустријском контаминацијом) и физичким променама као што су рефлексија, рефракција и апсорпција светлостног зрака. Зато светлост у води, има друге карактеристике у односу на ваздушну средину (земљину атмосферу), изнад површине воде.

Пре него што уђе у воду светлосни зрак се услед велике густине воде у односу на ваздух рефлектује (одбија). Колика ће бити рефлексија зависи од угла под којим светлост долази до површине воде. Ако је сунце у зениту рефлексија ће бити мала око 2% док се у јутарњим и вечерњим сатима светлост рефлектује и до 35%. Познавање ових промена од исузетне је важности за подводне активности човека као што је роњење.

Замућеност воде

Замућеност воде (планктон, муљ, нерастворене материје и сл.) спречава продор светлости у дубину и главни је узрок слабе видљивости на већим дубинама. Због ових честица светлост се расипа – дифундира и због тога се предмети у води не виде оштро и јасно (нема јасних сеники предмета под водом).

Апсорпција светлости

Вода има способност да апсорбује (упије) светлост. Што је већа дубина више је светлости апсорбовано, а њена енергија је претворена у топлоту којом се вода загрева. Како свака боја у саставу сунчевог спектра има своју таласну дужину оне не продиру једнако дубоко у воду. Прво се губи црвени део спектра, затим наранџасти, па жути и љубичасти, док зелени и плави део спектра продире веома дубоко. Због изнетог предмети на већим дубинама имају плаво-зеленкасту боју.

Рефлекција светлости у води

Светлост се ломи (рефракција светлости) приликом преласка из једне у другу по густини различиту оптичку средину (нпр штап уроњен у воду ће изгледати као да је сломљен на месту продора у воду). Ово се догађа јер постоји разлика у индексу лома светлости у ваздуху и води и брзини простирања светлости кроз ова два медијума.

С обзиром да је око прилагођено примању светлосних зрака који се простиру кроз ваздух предмети се голим оком у води виде неоштро (далековидост 32 диоптрије). Због наведеног користи се маска са стаклом која изолује око од воде и тиме се постиже одговарајућа разлика у индексу лома светлости у ваздуху и оку. Ова разлика омогућава да се светлостни зрак ломи тачно на жутој мрљи у мрежњачи ока и да се предмети виде јасно и оштро. С обзиром да у роњењу светлост пролази кроз ваздух-воду-стакло маске-ваздух-оптички апарат ока, предмети ће се видети ближе за ¼ него што су стварно удаљени и биће за 1/3 већи него што стварно јесу.

Вода и звук

Звук у води или звук под водом, по свом понашању разликује се од његовог понашања при простирању кроз ваздух, и слично је појавама које се јављају код светлости у води, у океану, реци, језеру или резервоару (базену).

Звук као и светлост је таласно кретање, само што светлост представља простирање електромагнетских таласа који могу да се шире и кроз вакуум, док се звучни таласи преносе посредством молекула средине кроз коју се звук шири.

Проучавањем начина и граница простирања звука у води и његову интеракцију са механичких таласима коју чини звук са водом, бави се подводна акустика (хидроакустика). Типичне фреквенције звука које се одређују у подводној акустици су између 10 Хз и 1 МХз. Простирање звука у океану, на фреквенцијама нижим од 10 Хз обично није могућа без продора звука дубоко до морског дна, док се фреквенције изнад 1 МХз ретко може одредити, јер се ове фреквенције у води веома брзо апсорбују.

Брзина простирања звука кроз неку средину зависи од карактеристика те средине или флуида и може се израчунати по релацији:

$c={\sqrt {\frac {p_{a}\chi }{\rho }}}$

где је:

• п_а — атмосферски притисак,
• $\rho$ — густина ваздуха
• $\chi$ = 1,4.

Звук у води и роњење

Под водом не може да се разговара на начин како се то чини у ваздуху што ограничава комуникацију између рониоца или са рониоцима, јер је човеков орган говора, кроз његов еволутивни развој, прилагођен за ваздушну средину, а јачина звука опада при преласку из воде у ваздух и из ваздуха у воду. Два рониоца у опреми за роњење могу међусобно да разговарају ако им се шлемови додирују (метал лако преноси звук) али већ на растојању од неколико сантиметара звучна комуникација између њих није могућа. Такође због велике брзине простирања звука у води човек не може да запази временску разлику између тренутка доласка звука у једно и друго уво и он најчешће има осећај да је звук јачи и ближи. Због тога ронилац губи способност да одреди правац и смер извора звука.

За рониоца или пливача губитак ове способности може да има озбиљне последице уколико су извори звука за њих опсани објекти (моторни чамац, брод итд). Такође како је интензитет буке под водом већи, да ронилац не би угрозио здравље он мора да има податке о јаким изворима буке у води. Снажне звучне експлозије под водом прати снажан звучни талас високе енергије (који се понаша као снажан притисак или удар) који може деловати на ронилаца и довести до повреда, ронилачка баротраума шупљих органа (ува - аероотитис, синуса - аеросинузитис, плућа - пнеумоторакс, баротраумашупљих органа трбуха итд).

Основни гасни закони

Основни гасни закони, закони идеалних гасова, који су од значаја за физику роњења су скуп закона који описују однос између термодинамичке температуре (Т), притиска (П) и запремине (V) гасова. Они су збирка правила, која су откривена између касне Ренесансе и раног 19. века. При разматрању дејства било каквог притиска (атмосферског, воденог или гасова које организам користи при дисању), а који делује на људско тело морају се узети у обзир сви закони физике, везано за ову материју, како би се њиховом правилном применом у пракси обезбедила и одржала стална равнотежа притиска који делује на организам човека.

Ваздушно пространство које окружује Земљину површину, укључујући ту и нама све доступнији подводни свет , састоји се од материје и од енергије. Свака природна појава везана је за промену облика материје.

Физика проучава кретање материје у природи и узајамно дејство различитих облика метерије и енергије. У једном кубном сантиметру гаса на температури од 0 °Ц и при притиску од 1 атмосфере налази се преко 2,7 × 10¹³, молекула који садрже два или више атома.

Архимедов закон

На тело које је потопљено у воду увек са свих страна у вертикалном працу и смеру према површини делују силе, које се називају сила потиска. Силе које делују бочно (Фб) на потпљено телу су у равнотежи и међусобно се поништавају. Како је сила Ф2 увек већа од силе Ф1 сила потиска Фп ће деловати у смеру навише.

Тела која пливају на површини воде имају позитивну пловност (узгон), тела која лебде имају неутралну пловност, а тела која тону имају негативну пловност (низгон).

Понашање чврстих тела у течностима дефинисао је Архимед својим законом.

Дефиниција

Тело уроњено у течност привидно губи од своје тежине онолико колико тежи њиме истиснута течност, односно тело истисне онолико течности колико износи његова запремина.

Ако је тежина истиснуте течности зароњеног тела већа од тежине самог тела, тело има позитивну пловност, а ако је мања, тело тоне. Узгонска сила која делује на уроњена тела зависи од густине течности – тако да што је густина већа узгонска сила је такође већа. Према томе сила потиска једенака је тежини истиснуте течности. Због растворених соли морска вода има већу густину него слатка вода. Услед тога ронилац има већу пловност у мору.

Ронилачка опрема повећава количину истиснуте воде што узрокује још већу пловност. Употребом тегова и компензатора пловности постиже се неутрална пловнос рониоца.

Фп = м x г

м = q x V

Фп = q x V x г

где је:

• Фп = сила потиска
• м = маса
• V = запремина зароњеног тела
• г = сила гравитације 9,81 м/с2
• q = густина течности

Бојл-Мариотов закон

Овај закон у физици регулише однос притиска, запремине и густине гасова. Бојлов закон је један од гасних закона, који је назив добио по ирском природњакју Роберту Бојлу. Како је у изради овог закона учествовао и француски физичар Едму Мариоту у пракси се он назива и Бојл-Мариотов закон.

Дефиниција закона

За колико пута повећамо притисак гаса, толико пута ћемо смањити запремину и обрнуто, уз услов да је темпертура константна.

Извођење закона

Где је:

V — запремина гаса

п — притисак гаса

к — константа (цонст)

Вредност константе-(цонст) к је израчуната из мерења запремине и притиска стално исте количине гаса. Након промене у систему, најчешће присилном променом у обиму цеви које садржи исту количину гаса, нови обим и нови притисак се мере. Резултат израчунатог логаритама новог притиска и новог обима би требало да буду оригинална вредност к константе (цонст). Запремина V и притисак п су обрнуто пропорционални: већи обим значи мањи притисак, те мањи обим значи већи притисак.

Анимација односа између притиска и запремине гаса када се одржава стална температура (лево). Сабијањем гаса смањује се његов волумена а расте притисак (десно)

$\qquad \qquad pV=k(const)$ Ако се запремина повећава

$\qquad \qquad p1_{V}1=k(const)$

$\qquad \qquad V_{1}>V=>P_{1}<P$

Значи да је производ притиска и запремине такође једнак константи:

$\qquad \qquad p_{V}=k(const)$

или

$\qquad p_{1}V_{1}=p_{2}V_{2}$

У пракси се ова једначина решава на начин да се из једначине испод одреди дејство промена у другој једначини.

$\qquad p_{2}=p_{1}V_{1}/V_{2}$

Помоћу ове формуле могуће је извести рачуницу за многе практичне ствари везане за промену притиска или запремине када ронилац мења дубину зарона. Међутим прорачун по овој формули треба прихватит у начелу, јер због физиолошких реакција организма смањивање запремине плућа је слабије од предвиђеног.

Приликом роњења на дах на 20 метара дубине запремина плућа рониоца ће се смањити на 1/3 и износиће 2 литре, док су са даљом променом дубине много већа промена запремине ваздуха на мањим него на већим дубинама.

• од површине до 10 метара дубине промена притиска је 1 бар, а промена запремине је 5 0% (у овом примеру 3 литре);
• од 10 метара дубине до 20 метара дубине такође је промена притиска 1 бар али је промена запремине 33% (у овом примеру 2 литре)
• од 20 метара дубине до 30 метара дубине промена притиска је 1 бар али је промена запремине 25% (по рачуници би износило 1,5 литара) итд.

Из овога примера се види да је при површини (од 0-10 метара дубине) запремина плућа смањена на 3 литре, даље (од 10-20 метара дубине) запремина се смањује само за 1 литру, а на дубинама од 20-30 метара запремина плућа се смањила само за 0,5 литара.

Имајући у виду да се већина баротраумских повреда рониоца дешава на мањим дубинама, ронилац који дише из апарата, у плућима ће имати исту запремину као и на површини, али је притисак ваздуха у плућима једнак околном притиску, тако да је количина нормалних литара ваздуха у плућима једнака производу притиска и запремине.

Хенријев закон

Главни чланак: Хенријев закон

Да се гасови у природи не налазе само као слободни, већ и као растворени у разним течностима, то доказује загревање воде, у којој се после извесног времена јављају мехурићи неког гаса раствореног у њој. Гасови растворени у течности задржавају своје особине, и врше притисак на зид суда у коме се налазе и поред тога што су апсорбовани или растворени. Колико ће се гаса растворити у некој течности зависи од парцијалног притиска који гас врши на површину течности и температуре. Другим речима, са повећањем притиска повећава се и могућност течности да раствори неки гас, док се са повећањем температуре тај капацитет смањује.

Ову појаву први је обијаснио Вилијам Хенри у свом гасном закону говори о односу притиска и растворљивости гасова у течностима.

Утицај притиска кисеоника и температуре на криву засићење хемоглобина

Хенријев закон има велику примену у роњењу јер гасови који се удишу под повишеним притиском показују тенденцију растварају у организму (који је највећим делом састављен од воде).

Дефинииција

Количина гаса која се раствара у некој течности је директно пропорционална парцијалном притиску тог гаса, на задатој температури. Ткива у организму разликују се по брзини и количини растварања гасова што у основи зависи од прокрвљености дотичног ткива. Што је ткиво више прокрвљено брзина апсорпције гаса ће бити већа.

Растварање гасова је веома битно за рониоце који дишу уз помоћу ронилачких апарата у фази изрона, јер се приликом изрона притисак смањује у односу на притисак којем је ронилац био изложен у току роњења. Услед тога растворени гасови се теже издвоје из ткива.

Уколико се брзо израња у организму рониоца ствара се велика количина гасова који се не могу у оптималнон времену елиминисати редовним токовима метаболизма услед чега наступа стање декомпресионе повреде.

Геј-Лисак (Чарлсов) закон

Притисак гаса је сталан ако су стални његова запремина и температура. Ови параметри нису међусобно независни већ су везани одређеном функционалном зависношћу. Промена једног параметра условљава и промене других параметара. I док је код Бојл-Мариотовог закона акценат стављен на костантну температуру, код овог закона температура је промењив фактор док је запремина константна.

Дефиниција

Код костантне запремине притисак гаса је пропорционалан са температуром.

Математички би се то могло изразити као:

${\tfrac {V}{T}}=const.$

Или као општи закон (Бојл-Мариотов + Геј-Лисаков закон)

${\tfrac {V}{T}}=const.$ x V

Где је:

• П = апсолутни притисак;
• V = запремина суда;
• Т = апсолутна температура изражена у Келвиновим степенима (О °Ц = 273 степена К)

Према томе ако се загрева посуда са гасом притисак ће у њој расти. На пример код пуњења ронилачких боца, са порастом притиска боце се загревају и обратно код хлађења боца одвија се обрнути процес што условљава пад притиска у боци. Ово је веома битно за прорачун аутономије роњења јер боца која је напуњена и топла имаће један притисак, а након хлађења и уласка у воду манометар ће показати нижи притисак у боци. Пример: Боца запремине 10 литара ваздуха напуњена је на 200 Бара и загрејала се на температуру од 35 °Ц (308 Келвина). Вода у којој се рони има температуру од 17 °Ц (290 Келвина) притиска у боци након хлађења боце на температуру воде израчунава се:

${\frac {P_{1}}{T_{1}}}={\frac {P_{2}}{T_{2}}}\qquad {\text{ili}}\qquad P_{1}T_{2}=P_{2}T_{1}.$

• П1 = притисак након пуњења боце
• Т1 = температура боце након пуњења
• Т2 = температура воде
• П2 = ? (притисак у боци након хлађења)

или према задатим подацима из примера:

${\frac {200}{308}}={\frac {P_{2}}{290}}$ или П2 = 200 x 290/308 - 188,31 Бар

Значи притисак у боци је након хлађења пао за око 12 Бара, што битно утиче на аутономију роњења.

Из овог закона проистиче потреба да се мерење притиска у боцама врши непосредно пре роњења (када је боца хладна) и да се на основу тих резултата прави прарачун потрошње ваздуха у току планираног роњења. Мерење притиска у боцама врши се непосредно пре роњења (када је боца хладна)!

Литература

• Петер Беннетт анд Давид Еллиотт, Тхе Пхyсиологy анд Медицине оф Дивинг, 4тх едитион, 1993, W.Б.Саундерс Цомпанy Лтд, Лондон.
• Андерс Линдéн: Арне Зеттерстрöм анд тхе фирст хyдроx дивес, публисхед бy тхе Сwедисх Натионал Дефенце Ресеарцх Институте ин 1985.

Спољашње везе

• Еxотиц дивинг гасес — Аутор: Матти Анттила, Пх.D (језик: енглески)
• Флyинг Афтер Дивинг- Хоw Лонг Схоулд Yоу Wаит? (језик: енглески)

Молимо Вас, обратите пажњу на важно упозорење у вези са темама из области медицине (здравља).