Чтобы понимать, что именно давит на тело ныряльщика на глубине, полезно разделить давление на три составляющие.
Атмосферное давление— вес столба воздуха земной атмосферы, давящий на любую точку на уровне моря; условно принято считать высоту этого столба около 100 км. Оно принимается за единицу измерения — 1 атмосферу (атм) — и действует на человека постоянно, даже вне воды, просто обычно не ощущается, поскольку тело давно к нему адаптировано.
Гидростатическое давление— дополнительное давление, которое создаёт сам столб воды над телом ныряльщика, и оно растёт с глубиной: вода намного плотнее воздуха, поэтому это давление увеличивается быстро — каждые 10 метров глубины добавляют ещё одну атмосферу гидростатического давления.
Абсолютное давление— то давление, которое реально действует на тело и на воздух в его полостях на конкретной глубине, и складывается оно именно из этих двух составляющих: атмосферного плюс гидростатического. На поверхности абсолютное давление равно одному атмосферному (гидростатическая часть равна нулю), на 10 м — это 1 атм атмосферного плюс 1 атм гидростатического, итого 2 атм абсолютного, на 20 м — 3 атм, на 40 м — 5 атм.
Закон Бойля — Мариотта описывает поведение газа именно в зависимости от абсолютного давления: при постоянной температуре объём газа обратно пропорционален давлению. Проще: чем сильнее давит вода, тем сильнее сжимается воздух внутри тела.
Тот же эффект легко увидеть и вне воды. Закрытый пакет чипсов, привезённый в горы или поднятый на самолёте, раздувается — атмосферное давление вокруг падает, а воздух внутри пакета остаётся прежним, и разница выталкивает пакет наружу. Надутый воздушный шарик, наоборот, если утянуть его на глубину бассейна, заметно уменьшится в размере — растущее давление воды сжимает воздух внутри его оболочки. Ровно то же самое происходит и с воздухом в теле ныряльщика, только в обратную сторону от примера с пакетом: не расширение при снижении давления, а сжатие при его росте.
Это не абстрактная физика — это то, что физически происходит с ныряльщиком: — на 10 м воздух в лёгких, ушах, пазухах и маске занимает вдвое меньший объём, чем на поверхности; — на 20 м — втрое меньший; — дальше сжатие продолжается, но каждые следующие 10 м дают всё меньший прирост давления в относительных величинах — именно поэтому основная часть компрессии происходит на первых метрах погружения, а не на глубине.
Отсюда следует практический вывод: воздушные полости тела (среднее ухо, придаточные пазухи носа, пространство под маской) требуют выравнивания давления с первых метров погружения, а не «когда почувствуется дискомфорт». Первые метры — самые требовательные к вниманию, потому что именно там относительное сжатие воздуха максимально.
Рис. 1. Сжатие воздуха с глубиной
Тело в воде выталкивается вверх с силой, равной весу вытесненной им воды (закон Архимеда). Если вес человека с снаряжением меньше веса вытесненной воды — тело всплывает (положительная плавучесть). Если больше — тонет (отрицательная плавучесть). Если равен — тело неподвижно зависает в толще воды (нейтральная плавучесть).
Гидрокостюм состоит из вспененного неопрена с закрытыми пузырьками газа — именно они создают дополнительную положительную плавучесть на поверхности. Но по закону Бойля — Мариотта эти пузырьки сжимаются с глубиной, объём неопрена уменьшается, и плавучесть костюма падает. Поэтому один и тот же ныряльщик в одном и том же костюме положительно плавуч у поверхности и становится отрицательно плавучим на глубине — костюм физически «худеет» под давлением.
Это создаёт естественный профиль погружения: — у поверхности— тело положительно плавуче, нужно прикладывать усилие, чтобы уйти вниз; — на определённой глубине— плавучесть становится нейтральной; — глубже точки нейтральной плавучести— тело плавучести отрицательное и продолжает погружение уже само, без усилий пловца — это называют «точкой свободного падения»; — на всплытиипроцесс идёт в обратную сторону: чем выше, тем сильнее выталкивающая сила помогает подъёму.
Рис. 2. Профиль плавучести при погружении
Груз (обычно на поясе или в виде утяжелённого шейного ремня для ныряния без ласт) компенсирует избыточную плавучесть костюма и тела, чтобы: — ныряльщик мог без чрезмерных усилий уйти под воду и достичь нужной глубины; — при этом сохранялась достаточная плавучесть у поверхности для безопасного отдыха после всплытия.
Стандартный ориентир для подбора груза — нейтральная плавучесть на глубине примерно 10 метров при полном выдохе. Это значит: на поверхности пловец слегка положительно плавуч (может спокойно лежать и отдыхать, не прилагая усилий, чтобы не утонуть), а глубже 10 м плавучесть становится отрицательной, и погружение продолжается по инерции. Перегрузка (слишком много груза) убирает этот запас безопасности у поверхности — именно там, где после нырка человеку нужнее всего лёгкость и способность без усилий держаться на плаву.
Прежде чем разбирать, что происходит при задержке дыхания, стоит понять, как устроен сам процесс дыхания в покое — без этой базы непонятно, откуда вообще берётся позыв на вдох и почему тело регулирует его именно так, а не иначе.
Анатомия пути воздуха.Воздух проходит через нос или рот, дальше через глотку и гортань в трахею, которая разветвляется на два бронха (по одному на каждое лёгкое), а те, в свою очередь, продолжают делиться на всё более мелкие трубки — вплоть до микроскопических мешочков, альвеол. Именно в альвеолах, оплетённых сетью капилляров, и происходит газообмен между воздухом и кровью.
Механика вдоха и выдоха.Вдох — активный процесс: диафрагма (мышца, разделяющая грудную и брюшную полости) сокращается и опускается, одновременно межрёберные мышцы приподнимают рёбра — объём грудной клетки увеличивается, давление воздуха внутри лёгких падает ниже атмосферного, и воздух заходит внутрь сам, по разнице давлений, а не «засасывается» каким-то отдельным усилием. Выдох в состоянии покоя — процесс пассивный: диафрагма расслабляется, лёгочная ткань и грудная клетка за счёт собственной эластичности возвращаются в исходный объём, вытесняя воздух наружу. Активное форсированное выдыхание (например, при физической нагрузке) дополнительно включает мышцы живота и внутренние межрёберные мышцы.
Газообмен в альвеолах.Кислород и углекислый газ переходят через альвеолярно-капиллярную мембрану не за счёт какого-либо «насоса», а по градиенту парциального давления: каждый газ самопроизвольно перемещается из зоны, где его концентрация (точнее, парциальное давление) выше, в зону, где она ниже. Свежий воздух в альвеолах содержит намного больше кислорода и намного меньше углекислого газа, чем венозная кровь, приходящая от тканей, — поэтому кислород переходит из воздуха в кровь, а углекислый газ — из крови в воздух, и оба процесса идут одновременно и независимо друг от друга.
Мёртвое пространство и его влияние на состав вдыхаемого воздуха.Не весь воздух, попадающий в дыхательные пути, доходит до альвеол и участвует в газообмене. Часть объёма — так называемое анатомическое мёртвое пространство(полость носа, глотка, трахея, бронхи вплоть до самых мелких, ещё не альвеолярных, разветвлений) — газообмена не производит вообще, а служит просто «трубой», по которой воздух проходит. Ключевой практический эффект: в конце выдоха этот объём заполнен не свежим наружным воздухом, а уже отработанным — то есть воздухом с повышенным содержанием CO₂ и пониженным содержанием O₂, который просто не успел выйти наружу. При следующем вдохе именно этот остаточный, обеднённый кислородом воздух заходит в лёгкие первым и смешивается со свежим наружным воздухом ещё до того, как смесь достигает альвеол. В результате даже при полностью свежем атмосферном воздухе снаружи фактическая смесь, доходящая до альвеол, всегда несколько беднее по кислороду и богаче по CO₂, чем наружный воздух, — просто из-за этого неизбежного разбавления остатками предыдущего выдоха в мёртвом пространстве. При поверхностном, неглубоком дыхании доля мёртвого пространства в каждом вдохе относительно больше, и эффект разбавления выражен сильнее — ещё одна причина, по которой полный, а не поверхностный вдох (глава 4.1) физиологически важен: он снижает относительную долю «уже использованного» воздуха в общем объёме, доходящем до альвеол.
Транспорт газов кровью.Кислород, попавший в кровь через альвеолярную мембрану, переносится в основном не в растворённом виде, а связанным с гемоглобином — белком эритроцитов, каждая молекула которого способна присоединять до четырёх молекул кислорода. Углекислый газ переносится обратным путём — большей частью не как растворённый газ и не на гемоглобине, а в виде бикарбоната, растворённого в плазме крови, в который CO₂ превращается в результате химической реакции с водой. Именно эта форма переноса CO₂ напрямую связана с изменением кислотности крови, о котором пойдёт речь в следующем разделе.
Нервная регуляция дыхания.Ритм дыхания задаётся автоматически дыхательным центром в стволе мозга, без участия сознания — этим объясняется, что дыхание продолжается и во сне, и при потере сознания. Частоту и глубину дыхания дыхательный центр корректирует на основе сигналов от хеморецепторов, отслеживающих в первую очередь уровень CO₂ и кислотность крови, а не напрямую уровень кислорода — этот принцип и лежит в основе всего дальнейшего разбора физиологии задержки дыхания.
О проекте
О подписке
Другие проекты