Какое давление выдерживает человек под водой

Пребывание человека под водой в непривычной для него среде имеет существенные особенности. Погружаясь в воду, человек кроме атмосферного давления воздуха, которое действует на поверхность воды, дополнительно испытывает гидростатическое (избыточное) давление.

Абсолютное давление воды на человека значительно увеличивается с глубиной погружения (1 атмосфера на каждые 10 м погружения). Так, на глубине 10 метров по сравнению с атмосферным давлением оно удваивается и равно 2 кгс/см (200 кПа), на глубине 20 м — утраивается и т.д. Однако относительный прирост давления с увеличением глубины уменьшается.

Наибольший относительный прирост давления приходится на зону первых десяти метров погружения. В этой критической зоне наблюдаются значительные физиологические перегрузки, о которых не следует забывать, особенно начинающим пловцам — подводникам.

Кровообращение под водой в силу неравномерного гидростатического давления на различные участки тела имеет свои особенности. Например, при вертикальном положении человека среднего роста ( 170 см) в воде независимо от глубины погружения его стопы будут испытывать гидростатическое давление на 0,17 кгс/см (17 кПа) больше, чем голова. К верхним областям тела, где давление меньше, кровь приливает (полнокровие), от нижних областей тела, где давление больше, отливает (частичное обескровливание, ноги мерзнут сильнее). Такое перераспределение тока крови несколько увеличивает нагрузку на сердце, которому приходится преодолевать большее сопротивление движению крови по сосудам.

При горизонтальном положении тела в воде разность гидростатического давления на грудь и спину невелика — всего 0,02 — 0,03 кгс/см (2 — 3 кПа) и нагрузка на сердце возрастает незначительно.

Дыхание

В нормальных условиях при каждом вдохе-выдохе в легких обменивается не более всего находящегося в них воздуха. Альвеолярный воздух имеет постоянный состав и в отличии от атмосферного содержит 14% кислорода, 5,6% углекислого газа и 6,2% водяных паров.

Часть воздуха заполняет дыхательные пути организма (трахеи, бронхи) и не участвует в процессе газообмена. При выходе этот воздух удаляется, не достигнув альвеол. При входе в альвеолы вначале поступает воздух, который остался в дыхательных путях после выдоха (обедненный кислородом, с повышенным содержанием углекислого газа и водяных паров), а затем свежий воздух.

Объем дыхательных путей организма, в которых воздух увлажняется и согревается, но не участвует в газообмене, составляет примерно 0.175 литра.

При плавании с дыхательным аппаратом (дыхательной трубкой) общий объем дыхательных путей (организма и аппарата) увеличивается почти в два раза. При этом вентиляция альвеол ухудшается и снижается работоспособность.

При усилении легочной вентиляции, в результате увеличивается скорость потока воздуха в дыхательных путях организма и аппарата (дыхательной трубки). При этом пропорционально квадрату скорости потока воздуха возрастает сопротивление дыханию. С увеличением плотности сжатого воздуха соответственно глубине погружения сопротивление дыханию также возрастает.

Растягивая по времени фазу вдоха и выдоха, можно уменьшить скорость потока воздуха в дыхательных путях. Это приводит к некоторому снижению легочной вентиляции, но в то же время заметно уменьшает сопротивление дыханию.

Плавучесть

При выдохе средний удельный вес человека находится впределах 1020 — 1060 кгс/м куб. (10,2 — 10,6 кН/м куб.) и наблюдается отрицательная плавучесть 1 — 2 кгс (10 — 20 Н). При вдохе средний удельный вес человека понижается до 970 кгс/м re,. и появляется незначительная положительная плавучесть.

При плавании в гидрозащитной одежде плавучесть увеличивается. Плавучесть можно отрегулировать с помощью грузов. Для плавания под водой обычно создают незначительную отрицательную плавучесть — 0,5 — 1 кгс.

Ориентирование

При плавании под водой человек лишен привычной опоры. Под водой пловец с закрытыми глазами допускает ошибки в определении положения тела в пространстве на угол 10 — 25 градусов .

При попадании в слуховой проход холодной воды вследствие раздражения вестибулярного аппарата у пловца появляется головокружение, затрудняется определение направления и ошибка часто достигает 180 град..

Для ориентирования под водой пловец вынужден использовать внешние факторы, сигнализирующие о положении тела в пространстве: движение пузырьков выдыхаемого воздуха из аппарата, буйки и т.п.

Сопротивление воды оказывает заметное влияние на скорость плавания. При плавании под водой сопротивление движению меньше, так как пловец — подводник занимает более горизонтальное положение и ему не надо периодически поднимать голову из воды, чтобы сделать вдох.

Температурный баланс

Охлаждение организма в воде протекает интенсивней, чем на воздухе. Теплопроводность воды в 25 раз, а теплоемкость в 4 раза больше, чем воздуха. Если на воздухе при 4 град человек может без опасности для своего здоровья находиться в течении 6 ч и при этом температура тела у него не понижается, то в воде при такой же температуре незакаленный человек без защитной одежды в большинстве случаев погибает от переохлаждения уже спустя 30..60 мин. Охлаждение организма усиливается с понижением температуры воды и при наличии течения.

Воздух, непосредственно соприкасающийся с кожей, быстро нагревается и фактически имеет более высокую температуру, чем окружающий. Даже ветер не может удалить с кожи этот слой теплого воздуха. В воде с ее большей удельной теплоемкостью и большей теплопроводностью слой, прилегающий к телу, не успевает нагреваться и легко вытесняется холодной водой. Поэтому температура поверхности тела в воде понижается интенсивней, чем на воздухе.

Вследствие интенсивного охлаждения и обжатия гидростатическим давлением кожная чувствительность в воде понижается, болевые ощущения притупляются, поэтому могут остаться незамеченными небольшие порезы и даже раны.

Слышимость

Слышимость в воде ухудшается, так как звуки под водой воспринимаются преимущественно путем костной проводимости, которая на 40% ниже воздушный. Дальность слышимости при костной проводимости зависит от тональности звука: чем выше тон, тем лучше слышен звук.

Звук в воде распространяется в 4,5 раза быстрее, чем в атмосфере, поэтому под водой сигнал от источника звука, расположенного сбоку, поступает в оба уха почти одновременно, разница составляет менее 0,00001 с. Столь незначительная разница во времени поступления сигнала недостаточно хорошо дифференцируется, и четкого пространственного восприятия звука не происходит. Следовательно, установить направление на источник звука под водой человеку трудно.

Видимость

Видимость в воде зависит от количества и состава растворенных в ней веществ, взвешенных частиц, которые рассеивают световые лучи. Глубина проникновения света в толщу воды зависит от угла падения лучей и состояния водной поверхности.

На глубине 10 м освещенность в 4 раза меньше, чем на поверхности. На глубине 20 м освещенность уменьшается в 8 раз,а на глубине 50 м — в несколько десятков раз.

Зрение под водой имеет свой особенности. Вода обладает примерно такой же преломляющей способностью, как и оптическая система глаза. Если пловец погружается без маски, то острота зрения ухудшается в 100..200 раз, а поле зрения уменьшается, изображение предметов получается неясным, расплывчатым, и человек становится как бы дальнозоркий.

При погружении пловца-подводника в маске изображение предметов несколько ближе и выше его действительного местоположения. Сами же предметы кажутся под водой значительно больше, чем в действительности.

Цветоощущение в воде резко ухудшается. Особенно плохо воспринимаются синий и зеленый цвета, которые близки к естественной окраске воды, лучше всего — белый и оранжевый.

Влияние на организм парциального давления газов

Газы, входящие в состав воздуха для дыхания, оказывают влияние на организм человека в зависимости от величины парциального (частичного) давления, то есть давления газа в объеме если удалить все другие компоненты газовой смеси:

Рг — парциальное давление газа, кгс/см , мм рт. ст. или кПа;

n — содержание газа в воздухе, %;

Ра — абсолютное давление воздуха, кгс/см , мм рт. ст. или кПа.

Азот воздуха начинает оказывать токсическое действие практически при парциальном давлении 5,5 кгс/см (550 кПа). Так как в атмосферном воздухе содержится примерно 78% азота, указанному парциальному давлению азота, согласно формуле, соответствует абсолютное давление воздуха 7 кгс/см (глубина погружения — 60 м).

Кислород в больших концентрациях даже в условиях атмосферного давления действует на организм отравляюще. Так при парциальном давлении кислорода 1 кгс/см (дыхание чистым кислородом в атмосферных условиях) уже после 72 — часового дыхания в легких развиваются воспалительные явления. При парциальном давлении кислорода более 3 кгс/см через 15..30 мин возникают судороги и человек теряет сознание.

При малом парциальном давлении кислорода во вдыхаемом воздухе (ниже 0,16 кгс/см ) кровь, протекая через легкие, насыщается не полностью, что приводит к снижению работоспособности, а в случаях острого кислородного голодания — к потере сознания.

Углекислый газ . Повышенное содержание углекислого газа в организме приводит к отравлению, пониженное — к снижению частоты дыхания и его остановке (апноэ). В нормальных условиях парциальное давление углекислого газа в атмосферном воздухе составляет 0,0003 кгс/см (=30Па). Если парциальное давление углекислого газа во вдыхаемом воздухе составляет 0,03 кгс/см (=3кПа), организм уже не справится с выделением этого газа путем усиленного дыхания и кровообращения и могут наступить тяжелые расстройства.

Насыщение организма газами. Пребывание под повышенным давлением влечет за собой насыщение организма газами, которые растворяются в тканях и органах.

Влияние на организм задержки дыхания при нырянии

В воде во время ныряния потребность сделать вдох некоторое время не ощущается. Это происходит до тех пор, пока парциальное давление углекислого газа в крови не достигнет величины, необходимой для возбуждения дыхательного центра. Но и в этом случае усилием воли можно подавить потребность сделать вдох и остаться под водой. При продолжительном воздействии углекислого газа на дыхательный центр его чувствительность сделать вдох в дальнейшем притупляется.

Появление потребности сделать вдох является для ныряльщика сигналом к всплытию на поверхность. Если же ныряльщик не всплывает, то по мере расхода запасов кислорода, содержащегося в воздухе легких, начинает развиваться явление кислородного голодания, которое быстротечно заканчивается неожиданной потерей сознания. Кислородное голодание — наиболее частая причина гибели при нырянии.

Источник

Человек под давлением

Мы живем на дне воздушного океана, ежесекундно испытывая на себе давление гигантского воздушного столба. Тем не менее человеческий организм удивительным образом приспособился к такому гнету и давление 1 бар считается нормальным. Однако отклонения от нормы чреваты ощутимым дискомфортом, а в ряде случаев и необратимыми последствиями. Что же происходит с нашим телом при изменении давления?

Кессонная болезнь

На вершине Эвереста (8848 м) атмосферное давление снижается на две трети, но при погружении в воду на ту же глубину возрастает в 885 раз! Дело в том, что вода примерно в 775 раз тяжелее воздуха, поэтому разница в давлении воды заметно ощутимее. Давление на дне жидкостного столба определяется его выстой, плотностью жидкости и силой тяжести. В морской воде давление возрастает примерно на 1 атм через каждые 10 м спуска, поэтому на глубине 30 м ныряльщик испытывает давление 4 бара (1 бар давления на поверхности + 3 бара подводного давления). При резком возвращении после воздействия высокого давления в условия обычного атмосферного давления возникает кессонная болезнь, которая характеризуется появлением кожного зуда, сильной болью в суставах и мышцах. В наиболее серьезных случаях водолазы после долгого пребывания на большой глубине при резком подъеме испытывали головокружение, затем наступали паралич, потеря сознания и смерть. И все это в считанные минуты!

Смертоносные пузырьки

Если слишком быстро подниматься на поверхность с большой глубины, то газы, растворенные в крови и тканях, высвобождаются в форме пузырьков. Сформировавшись, они продолжают расти за счет новых порций газа, разрастаясь до таких размеров, при которых способны закупорить сосуды (газовая эмболия). Это препятствует поступлению крови к тканям, вызывая нехватку кислорода и питательных веществ, что может стать причиной гибели клеток. Кроме того, воздушные пузырьки могут активизировать работу клеток крови, реагирующих на приток воздуха, например тромбоцитов, которые участвуют в образовании тромбов. И наконец, образование пузырьков внутри тканей может привести к деформации или их разрыву. Профессиональные ныряльщики на своем опыте испытали симптомы воздействия этих коварных пузырьков. Когда крупные пузыри застревают в капиллярах легких, сокращается площадь дыхательной поверхности, что приводит к перебоям с дыханием, вызывая ощущения, сходные с таковыми при асфиксии. Нарушение равновесия возникает из-за поражения вестибулярного аппарата. Нарушение кровоснабжения нервных структур — головного и спинного мозга, приводит к преходящим или стойким нарушениям функции в виде парезов или параличей, чувствительных нарушений, расстройств речи и др.

Воздушные «бомбы» в зубных пломбах

Сокращение объема газа на глубине и расширение при подъеме имеет огромное значение для ныряльщиков. Находящиеся в полостях человеческого организма газы сжимаются под воздействием давления и «растворяются» в жидкостях. Сжатие воздуха в легких, ушах и различных пазухах проявляется множеством крайне неприятных последствий. Воздух должен поступать в легкие под давлением, идентичным давлению окружающей среды, иначе они могут «взорваться». При изменении давления появляется боль в ушах из-за возникшей разницы давления во внутреннем и среднем ухе. Если сжатие произойдет слишком быстро и человек не успеет уравнять давление в среднем ухе с внешним, это может привести к разрыву барабанных перепонок. А если в зубной пломбе застрял воздушный пузырек, то при сжатии воздуха на глубине в пломбе или зубе может произойти имплозия, т.е. взрыв, направленный внутрь. На большой высоте возникает прямо противоположная опасность: при низком давлении зуб с пузырьком воздуха внутри может разорваться.

Нервный синдром высокого давления

Под давлением 21 бар, что соответствует глубине 200 м, у людей развивается нервный синдром высокого давления (НСВД), в просторечии называемый «трясучка». Как следует из названия, это нервное расстройство проявляется дрожью, головокружением, тошнотой и кратковременными периодами отключения внимания — так называемым микросном. НСВД ставит предел глубины, на которую может погрузиться ныряльщик в естественной среде. На гелиоксе (кислородно-гелиевая смесь) этот предел составляет 200–250 м. Однако на других специальных дыхательных смесях (например, тримикс — кислородно-гелиевая смесь с добавлением небольшого количества азота) человек может выдержать глубину до 450 м в открытом море и до 600 м в компрессионной камере. Нижняя безопасная граница для погружений на сжатом воздухе составляет около 30 м. Определяют ее содержащиеся в дыхательной смеси газы, поскольку под давлением азот и кислород становятся токсичными. Сжатым воздухом нельзя пользоваться на глубине ниже 30 м из-за опасности азотного наркоза. У ныряльщиков, которые дышат сжатым воздухом, пузырьки в крови образует прежде всего азот, поскольку содержание углекислого газа крайне низкое, а кислород быстро потребляется тканями.

Азотный наркоз

Под давлением в несколько атмосфер азот вызывает интоксикацию организма, напоминающую алкогольное опьянение. Симптомы появляются не сразу, что особенно опасно. Ныряльщики по мере погружения проникаются иллюзорной уверенностью в собственных силах, одновременно теряя дееспособность. Появляются неуместная эйфория, повышенное возбуждение, отрыв от реальности, потеря координации, иррациональное поведение. Известны случаи, когда находящиеся в состоянии азотного опьянения ныряльщики предлагали свой загубник проплывающей мимо рыбе. В легкой форме азотная интоксикация (так называемый азотный наркоз) возникает на глубине 50 м. По мере увеличения глубины симптомы усиливаются, и после 90 м наступает потеря сознания. Действие азотного наркоза заканчивается сразу же после всплытия при снижении давления с 10 до 5 атм. При частых погружениях организм адаптируется к воздействию азота, но, тем не менее, азотный наркоз стал причиной гибели множества ныряльщиков, отважившихся погрузиться на глубину 50 м. Именно из-за азотной интоксикации рекомендуемая глубина погружения на сжатом воздухе не должна превышать 30 м.

Кислородное отравление

Чистый кислород — токсичное вещество, и под давлением его токсичность только возрастает. Большинство людей могут спокойно дышать чистым кислородом под давлением 1 атм до 12 ч без всяких пагубных последствий. Но уже через сутки начинается раздражение легких, вызванное прогрессирующим разрушением клеток, выстилающих стенки альвеол. Первым признаком недомогания становится кашель, но в особо тяжелых случаях возможны нарушение дыхания, скопление жидкости в легких и даже капиллярное кровотечение, в результате которого легкие наполняются кровью. При давлении 2 атм человек со временем начинает испытывать головокружение и тошноту, иногда может возникнуть паралич конечностей. Через несколько часов (а при физической усталости и раньше) начинаются конвульсии, похожие на эпилептический припадок. Иногда они бывают настолько сильными, что приводят к переломам костей. Чем выше давление, тем быстрее возникают припадки. Под давлением 7 атм дышать чистым кислородом можно в течение не более 5 мин, после чего начинаются судороги. Интересно, что под таким давлением кислород перестает быть газом без вкуса и запаха, а становится кисло-сладким, напоминая, по свидетельствам очевидцев, «разбавленные чернила со щепоткой сахара» или «выдохшееся имбирное пиво».

Опасные профессии

Даже после кратковременного пребывания на глубине подниматься на поверхность необходимо медленно, чтобы организм успел адаптироваться к изменению давления. Водолазам на нефтяных платформах, занимающихся укладкой и ремонтом трубопроводов, приходится по нескольку недель проводить на океанском дне. Даже при использовании гелиокса, после погружения на 100 м на декомпрессию уходит 4 дня, и 10 — после подъема с 300-метровой глубины. У подводников, перенесших острую кессонную болезнь, зачастую наблюдается целый ряд таких симптомов, как потеря слуха, возрастающий тремор, снижение чувствительности ступней и ладоней, а также другие неврологические расстройства. С помощью магнитно-резонансной визуализации в мозге некоторых аквалангистов выявили крошечные очаги повреждения — участки ишемии, образовавшиеся вследствие гибели нервных клеток, которые, вероятно, возникли из-за блокировки воздушными пузырьками кровеносных сосудов. Подобные повреждения были выявлены только у людей с открытым овальным окном между правым и левым предсердием, но персистирующее овальное окно сохраняется лишь у четверти населения земли (у остальных оно закрывается вскоре после рождения).

Отсроченная опасность

По итогам исследования с участием 131 немецкого подводника за десятилетний период у 72 человек по данным ренгенографии был выявлен некроз костей, и лишь 22 из них полностью избежали последствий длительного воздействия повышенного давления. Разрушения наблюдались чаще всего на концах длинных костей ног и рук и, предположительно, возникали из-за крошечных пузырьков воздуха в костной ткани, которые закупоривают мелкие капилляры, питающие клетки костей, что приводит к отмиранию остеоцитов. У некоторых людей поражение затрагивает и суставную поверхность кости, приводя к острому артриту бедренных и плечевых суставов. Частота возникновения и острота поражений костей напрямую связаны с глубиной погружений. Те, кто никогда не опускался ниже 30 м, остались целыми и невредимыми, а у 20% экстремалов, побывавших на глубине 200 м и ниже, отмечены симптомы некроза.

Организм человека реагирует на изменение давления перестройкой своих биологических систем. Чтобы при этом не произошли необратимые процессы, для всех людей, чья работа связана с трудом при низком и высоком давлении, разработаны гигиенические требования к режиму и условиям работы, правила декомпресии, перечень противопоказаний для персонала.

Татьяна Кривомаз, канд. биол. наук

По материалам книги профессора физиологии Оксфордского университета Френсис Эшкрофт «На грани возможного:
наука выживания»

Источник