Плавучесть и устойчивость водолаза
Вес водолаза на воздухе. Вес водолаза в полном снаряжении имеет большое значение при подводных погружениях. Особенно это относится к вопросам плавучести и устойчивости под Водой. Так, например, водолаз в вентилируемом снаряжении весит на воздухе 150 кг, а в воде — до 10 кг.
Плавание тел. Закон Архимеда. По физическому закону Архимеда всякое тело, погруженное в воду, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им вода. При погружении тела под воду на него действуют две противоположно направленные силы: сила тяжести и сила плавучести.
Взаимодействие сил тяжести и плавучести под водой. Понятие о центре тяжести и центре плавучести тела. Сила тяжести (или вес тела) направлена вниз по вертикали и стремится погрузить тело в воду. По закону физики она действует так, будто приложена к одной точке — центру тяжести (ЦТ). Вместе с тем вода препятствует погружению в нее тела — она давит на него снизу и с боков и стремится как бы вытолкнуть на поверхность. Эта сила называется силой плавучести. Она направлена вертикально вверх. Точка приложения этой силы называется центром плавучести (ЦП).
Когда сила тяжести больше силы плавучести, то тело погружается свободно, имеет отрицательную плавучесть. И, наоборот, если сила тяжести меньше силы плавучести, тело плавает на поверхности, т. к. обладает положительной плавучестью. При равенстве этих сил тело находится в состоянии равновесия. Это означает, что сумма сил равна нулю, и тело имеет нулевую плавучесть.
Средний удельный вес тела человека при выдохе колеблется в пределах 1,021—1,098. Человек имеет в воде отрицательную плавучесть около 1 кг. Этим и объясняется, что не умеющий плавать тонет. Но если сделать полный вдох и спокойно лечь на поверхность воды, то появляется незнчительная положительная плавучесть. Еще более устойчивое равновесие получается при отведении рук за голову. При этом центр тяжести совместится с центром плавучести, и пловец свободно продержится на поверхности воды.
Зависимость плавучести от типа водолазного снаряжения. В водолазном снаряжении увеличивается общий объем тела и, следовательно, становится большей положительная плавучесть. При этом вес самого снаряжения несколько увеличит отрицательную плавучесть водолаза, но это увеличение значительно меньше, чем прирост положительной плавучести. Таким образом в любом снаряжении водолаз приобретает некоторую положительную плавучесть, которую необходимо погасить при погружении. Достигается это с помощью грузов (рис. 4).
Рис. 4. Плавучесть водолаза под водой:
а — положительная; б — нулевая; в — отрицательная
Вес водолаза под водой в вентилируемом водолазном снаряжении равен 5—10 кг. В кислородном аппарате и у аквалангиста без гидрокомбинезона он колеблется в пределах до 5 кг. Причем вес аквалангиста зависит от веса баллонов и количества воздуха в них.
При спусках в акваланге следует учитывать, что по мере расходования воздуха в баллонах водолаз теряет в весе под водой до 2 кг.
Регулировка плавучести под водой. Для погружения водолаза наиболее благоприятные условия создаются при небольшой отрицательной плавучести — 0,5—1 кг.
На плавучесть водолаза влияет плотность или удельный вес воды. В морской воде водолаз имеет большую плавучесть; чем в преной, так как она более плотная и обладает большей выталкивающей силой. Поэтому при спусках в море дополнительный вес должен быть больше, чем при спусках в пресную воду.
Плавучссть водолаза зависит также от степени наполнения скафандра воздухом, т. е. от объема воздушной подушки и может изменяться от отрицательной до положительной.
Водолаз должен так регулировать воздух в скафандре, чтобы сохранить некоторую отрицательную плавучесть.
Во время нахождения под водой на грунте опытный водолаз все время регулирует свою плавучесть. Так, при подъеме тяжелых предметов вручную он увеличивает положительную плавучесть, а если нужно упереться в грунт, вытравливает по возможности больше воздуха из скафандра.
Условия, необходимые для устойчивости водолаза под водой
Большое значение имеет способность водолаза сохранять под водой вертикальное положение и легко возвращаться к нему при наклоне в стороны, т. е. сохранять устойчивость. Зависит она от правильного взаиморасположения центра тяжести и центра плавучести водолаза. Иными словами, водолаз под водой будет иметь хорошую устойчивость только в том случае, если центры тяжести и плавучести его лежат на одной вертикальной линии, и центр тяжести расположен примерно на 20 см ниже центра плавучести (рис. 5).
Рис. 5. Основные силы, действующие на водолаза в воде:
а — устойчивое положение водолаза; б — неустойчивое положение водолаза; ЦП — центр плавучести; ЦТ — центр тяжести; 1 — сила тяжести; 2 — сила плавучести; 3 — опрокидывающий момент сил
Поэтому при погружении необходимо обращать особое внимание на правильность расположения снаряжения и особенно грузов. Например, если дыхательный аппарат или грузы находятся высоко, т. е. центр тяжести выше центра плавучести, то водолаза может опрокинуть вниз головой и выбросить на поверхность. И, наоборот, если аппарат или грузы расположены слишком низко, водолазу трудно будет нагибаться. Опрокинуться водолаз вверх ногами может и в том случае, если при спуске в гидрокомбинезоне в нижней его части скопится много воздуха. Поэтому перед погружением в воду необходимо тщательно обжать гидрокомбинезон, вытравив воздух через травящие клапаны. Неправильное расположение центров тяжести и плавучести может быть при смещении грузов или аппарата, например, при обрыве плечевого ремня.
Сопротивление воды движению водолаза. Плотность воды оказывает сильное сопротивление движению водолаза, который затрачивает много труда и энергии на ее преодоление, особенно при работе в громоздком скафандре. Дополнительное затруднение встречается при работе в местах, где много ила.
Плотная среда усложняет работу водолаза с ручным инструментом, поэтому для выполнения водолазных работ рекомендуется пользоваться не громоздким инструментом, а более тяжелым по весу.
В некоторых случаях сопротивление воды имеет и положительную сторону. Например, при резких движениях водолаз может случайно удариться о твердые или острые предметы, плотная же среда смягчает удары.
Особенно трудно работать водолазу на течении. Сильное течение, скорость которого иногда достигает до 2—3 м/сек и более, сносит его в сторону от места работы, может оторвать от спускового конца, а также выбросить на поверхность.
Работа на течении требует от водолаза большой затраты энергии, поэтому он должен (быть физически выносливым.
Источник
Контроль плавучести дайвера
Дайверы очень часто сталкиваются с ситуациями, когда приблизиться, то есть подплыть, к какому-то объекту оказывается гораздо проще, чем отплыть от него. Причем эта проблема обнаруживается абсолютно неожиданно. Естественно, что это создает множественные неудобства. Например, при осмотре коралловых рифов подводные гиды постоянно призывают дайверов присмотреться к мелким жителям этих подводных объектов (трехсантиметровым креветкам-чистильщикам, морским собачкам), но запрещают прикасаться к рифам. И если подплыть к рифу несложно — нужно лишь плыть вперед — то отплыть, не задев его, отнюдь не легко, если только дайвер не имеет опыта в этом, то есть не умеет владеть плавучестью.
Именно это умение поможет сначала зависнуть на месте, а потом без помощи рук отплыть назад. Так, если приблизиться к объекту сверху, вниз головой, то, чтобы отплыть от него, нужно лишь контролировать дыхание и чуть подняться вверх. Контроль плавучести — это поиск равновесия между двумя силами: выталкивающей силой (она возникает, когда компенсатор наполняется воздухом) и силой земного притяжения, тянущей ко дну дайвера и его грузы. Дайвер зависает в толще воды, когда эти силы уравновешены. Но неверно думать, будто контроль заключается в умении регулировать количество воздуха в BCD. И нужно стараться как можно реже пользоваться компенсатором плавучести, если нужно научиться контролировать ее.
Существует шесть факторов, которые влияют на плавучесть дайвера. Это вес его грузов, количество воздуха в BCD, положение тела в воде, плавучесть гидрокостюма, глубина погружения и контроль дыхания. Из этих шести факторов неизменными остаются только два — количество грузов и положение тела, которое зависит от размещения этих грузов. Остальные дайвер должен контролировать или хотя бы приводить в соответствие сам. Это не так-то легко, поэтому умение контролировать плавучесть приходит с опытом. При рассмотрении перечисленных шести пунктов немалое внимание стоит уделить, как ни странно, весу грузов. У многих дайверов при себе свинца больше, чем нужно (например, распространенный вес — три килограмма), и это имеет большее значение, чем кажется.
Лишний вес грузов нужно компенсировать, добавляя в компенсатор примерно по литру воздуха на каждый лишний килограмм свинца. А поскольку воздух при изменении глубины изменяет объем, дайвер, сохраняя нейтральную плавучесть, вынужден постоянно стравливать или поддувать его в компенсатор. То есть на упомянутые три килограмма свинца нужно поддуть в компенсатор около трех лишних литров воздуха и постоянно поддерживать объем при помощи инфлятора и клапанов компенсатора. Иногда это приходится делать в продолжение всего погружения. Другими словами, лишний груз создает дополнительный импульс, направленный вверх (или вниз) в зависимости от того, погружается дайвер или всплывает, и этот импульс приходится компенсировать.
Проблема в том, что инструкторы часто дают студентам лишние грузы, боясь, что их вынесет на поверхность, и они получат баротравму, но обычно не дают указаний насчет того, что их можно снять, когда студенты выполняют проверочные погружения. То есть дайвер сам должен суметь разумно избавиться от лишних грузов. Сделать это можно, просто убрав перед очередным погружением один килограмм свинца. Если при этом погрузиться не удается, нужно убедиться, что этот груз действительно нужен. Прежде всего нужно учесть, что дополнительную плавучесть придают сухой костюм, ворсовая ткань на внешней стороне которого может удерживать воздух (тогда нужно подождать, когда костюм намокнет) и воздух в легких, когда нервничающий дайвер делает вдох и задерживает дыхание перед погружением.
Так можно «заполучить» 5 килограммов положительной плавучести, от которой можно избавиться, выдохнув, погрузившись минимум на полтора метра и только затем начав делать неглубокие вдохи. К слову, нервозность заставляет дайверов не только задерживать дыхание, но и неосознанно совершать лишние движения руками и ногами. Этого делать не нужно. Если же дайвер заметил это за собой, ему стоит расслабиться и левой рукой держать над головой шланг инфлятора (место крепления шланга к компенсатору должно находиться в самой верхней точке), а правую прижать к телу, ноги же вытянуть, направив лопасти ласт вертикально вниз. Зачем держать шланг инфлятора над головой? Это имеет значение. Таким образом можно избавиться от остатков воздуха в BCD.
Особенно если одновременно опустить вниз правое плечо и прижать правой рукой к груди жилет-компенсатор. Кроме того, стоит слегка откинуться назад, чтобы воздух вышел из пространства сразу за головой дайвера в компенсаторе. Наконец, можно погрузиться, используя вес собственного тела. Для этого надо лечь на воду лицом вниз, согнуться, чтобы под воду ушла верхняя половина тела, по очереди поднять вверх из воды обе ноги и грести, как только ласты окажутся в воде. Как рассчитать идеальное для себя количество грузов? В целом оно должно быть минимальным, так проще всего контролировать плавучесть. На поверхности она должна быть нейтральной, то есть дайвер должен держаться на воде, погрузившись до глаз (при этом его баллон почти пуст, легкие заполнены наполовину, компенсатор полностью сдут).
А на глубине остановки безопасности (5 метров) плавучесть должна быть слегка отрицательной. Может она быть там и нейтральной, соответственно при всплытии чуть положительной, тогда компенсировать ее можно, уменьшив объем воздуха в легких. А при сильном волнении лишние грузы позволят удержаться у дна. Но вообще с полным баллоном (170 бар воздуха) дайвер должен быть тяжелее примерно на 2 кг. Определить нужное количество грузов можно во время трехминутной остановки безопасности с почти пустым баллоном. Для этого надо избавиться от лишних грузиков — отдать их напарнику или положить на дно (грузики весом в 0,5 или 1 килограмм заранее стоит положить в карман или повесить на D-кольцо).
Затем установить нейтральную плавучесть, не двигая руками и ногами и помня, что неконтролируемого всплытия можно не бояться, если плавучесть изменять лишь на килограмм или полкило, а это можно сделать простым выдохом или подгребанием ластами. Если без грузиков нейтральная плавучесть на глубине 5 метров сохраняется, значит, они дайверу не нужны. Теперь стоит подумать о положении тела в воде при нейтральной плавучести, неподвижном зависании. Располагаться в воде в такие моменты нужно горизонтально. Для этого, установив нейтральную плавучесть, необходимо вытянуть ноги и замереть, а если они начнут тонуть, переместить к голове часть грузов с пояса. Дело в том, что в горизонтальном положении гребки ластами двигают дайвера только вперед, а в вертикальном, когда ласты ниже тела, — вперед и вверх.
Это может привести к ошибочному мнению, что плавучесть стала положительной, и заставить дайвера сбросить воздух из компенсатора. Но тогда, стоит ему перестать грести, он начнет тонуть. Какова роль веса баллона? Полный баллон содержит примерно 2,2 литра воздуха весом около 3 кг. Когда воздух расходуется, баллон теряет вес, и когда к концу погружения в нем остается 35 бар, он будет легче на 2 кг. Что приведет к положительной плавучести дайвера, которую нужно будет компенсировать сбросом воздуха из компенсатора. А это следует делать с 2 килограммами груза. Тогда на остановке безопасности удастся приобрести положительную плавучесть. Впрочем, плавучесть изменяется медленно: каждые 10 минут на 0,5 кг (если баллона хватает на час).
А у баллона жесткая конструкция, он не меняет форму в процессе погружения, не имеет значения даже, стальной он или алюминиевый. От гидрокостюма плавучесть зависит следующим образом. Во-первых, у мокрых гидрокостюмов она положительная (у нового мужского — килограмм или полтора на миллиметр толщины неопрена). Во-вторых, у тонкого гидрокостюма она меньше, чем у толстого (менее килограмма против 9 килограмм), но тонкий костюм не защитит от холода и повышает риск декомпрессионной болезни, он хорош для тропиков. В-третьих, плавучесть у новых костюмов выше, а теплозащита лучше. В-четвертых, на одной и той же глубине плавучесть костюма остается постоянной.
Но во время погружения плавучесть меняется, причем неравномерно. Газ в неопрене костюма сжимается, костюм становится тоньше и тяжелее. И при погружении на первые 10 метров плавучесть вдвое меньше, чем на поверхности, на вторые — еще на треть меньше, а после 20 метров — меньше на одну шестую. На глубине 18 метров плавучесть меняется втрое дольше, чем на глубине в 0,5 метра. Поэтому с поверхности погрузиться сложно, но с глубины 1,5 метров заметно легче. При всплытии же плавучесть гидрокостюма и компенсатора быстро увеличивается до начального значения. Контролировать плавучесть также можно, просто учитывая, что она изменяется в зависимости от объема легких: их запас положительной плавучести равен 4,5 кг.
Источник
