При погружении тела в воду она давит. Кессонная болезнь и декомпрессия

Жидкостей и газов, согласно которому на всякое тело, пог-руженное в жидкость (или газ), действует со стороны этой жидкости (или газа) выталкивающая сила, равная весу вытесненной телом жидкости (газа) и направленная по вертикали вверх.

Этот закон был открыт древнегреческим ученым Архимедом в III в. до н. э. Свои исследования Архимед описал в трактате «О плавающих телах», который считается одним из последних его научных трудов.

Ниже приведены выводы, следующие из закона Архимеда .

Действие жидкости и газа на погруженное в них тело.

Если погрузить в воду мячик, наполненный воздухом, и отпустить его, то он всплывет. То же самое произойдет со щепкой, с пробкой и многими другими телами. Какая же сила заставляет их всплывать?

На тело, погруженное в воду, со всех сторон действуют силы давления воды (рис. а ). В каж-дой точке тела эти силы направлены перпендикулярно его поверхности. Если бы все эти силы были одинаковы, тело испытывало бы лишь всестороннее сжатие. Но на разных глубинах гидростати-ческое давление различно: оно возрастает с увеличением глубины. Поэтому силы давления, приложенные к нижним участкам тела, оказываются больше сил давления, действующих иа тело сверху.

Если заменить все силы давления , приложенные к погруженному в воду телу, одной (резуль-тирующей или равнодействующей) силой, оказывающей на тело то же самое действие, что и все эти отдельные силы вместе, то результирующая сила будет направлена вверх. Это и заставляет тело всплывать. Эта сила называется выталкивающей силой, или архимедовой силой (по имени Архимеда, который впервые указал на ее существование и установил, от чего она зависит). На рисунке б она обозначена как F A .

Архимедова (выталкивающая) сила действует на тело не только в воде, но и в любой другой жидкости, т. к. в любой жидкости существует гидростатическое давление, разное на разных глу-бинах. Эта сила действует и в газах, благодаря чему летают воздушные шары и дирижабли.

Благодаря выталкивающей силе вес любого тела, находящегося в воде (или в любой другой жидкости), оказывается меньше, чем в воздухе, а в воздухе меньше, чем в безвоздушном про-странстве. В этом легко убедиться, взвесив гирю с помощью учебного пружинного динамометра сначала в воздухе, а затем опустив ее в сосуд с водой.

Уменьшение веса происходит и при переносе тела из вакуума в воздух (или какой-либо другой газ).

Если вес тела в вакууме (например, в сосуде, из которого откачан воздух) равен P 0 , то его вес в воздухе равен:

,

где F´ A — архимедова сила, действующая на данное тело в воздухе. Для большинства тел эта сила ничтожно мала и ею можно пренебречь, т. е. можно считать, что P возд. =P 0 =mg .

Вес тела в жидкости уменьшается значительно сильнее, чем в воздухе. Если вес тела в воздухе P возд. =P 0 , то вес тела в жидкости равен P жидк = Р 0 — F A . Здесь F A — архимедова сила, действующая в жидкости. Отсюда следует, что

Поэтому чтобы найти архимедову силу, действующую на тело в какой-либо жидкости, нужно это тело взвесить в воздухе и в жидкости. Разность полученных значений и будет архимедовой (выталкивающей) силой.

Другими словами, учитывая формулу (1.32), можно сказать:

Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости, вытесненной этим телом.

Определить архимедову силу можно также теоретически. Для этого предположим, что тело, погруженное в жидкость, состоит из той же жидкости, в которую оно погружено. Мы имеем пра-во это предположить, так как силы давления, действующие на тело, погруженное в жидкость, не зависят от вещества, из которого оно сделано. Тогда приложенная к такому телу архимедова сила F A будет уравновешена действующей вниз силой тяжести m ж g (где m ж — масса жидкости в объеме данного тела):

Но сила тяжести равна весу вытесненной жидкости Р ж . Таким образом.

Учитывая, что масса жидкости равна произведению ее плотности ρ ж на объем, формулу (1.33) можно записать в виде:

где V ж — объем вытесненной жидкости. Этот объем равен объему той части тела, которая погру-жена в жидкость. Если тело погружено в жидкость целиком, то он совпадает с объемом V всего тела; если же тело погружено в жидкость частично, то объем V ж вытесненной жидкости меньше объема V тела (рис. 1.39).

Формула (1.33) справедлива и для архимедовой силы, действующей в газе. Только в этом слу-чае в нее следует подставлять плотность газа и объем вытесненного газа, а не жидкости.

С учетом вышеизложенного закон Архимеда можно сформулировать так:

На всякое тело, погруженное в покоящуюся жидкость (или газ), действует со стороны этой жидкости (или газа) выталкивающая сила, равная произведению плотности жидкости (или га-за), ускорения свободного падения и объема той части тела, которая погружена в жидкость (или газ).

Когда-то путешествия в морские глубины были в состоянии совершить лишь литературные герои Жюля Верна, Но вот в 1960 г. уже не фантастический «Наутилус», а совершенно реальный батискаф с двумя учеными на борту (Ж. Пикар и Д. Уолш) достиг дна одной из глубочайших впадин Тихого океана - 10 919 м.

Даже в своих самых смелых мечтах человечество вряд ли могло рассчитывать на такой успех. Отдавая должное дерзости исследователей, нельзя не признать, что такое достижение стало возможным лишь в наши дни - благодаря развитию современной техники.

Глубина ныряния без акваланга ограничена прежде всего запасами имеющегося в организме кислорода (около 2,5 л). Ныряльщику помогает и то, что давление воды, отжимая кровь из конечностей, увеличивает ее насыщение в легких. Так, например, французу Жаку Майолю удалось без акваланга достигнуть глубины 105 м. В воду он погружался по тросу со скоростью 10 м/с и с такой же скоростью затем поднимался вверх. Один из секретов этого феномена заключается в том, что Майоль к моменту установления своего нового мирового рекорда имел 10-летний опыт тренировки по системе йогов. Он научился в совершенстве расслаблять свою мускулатуру и задерживать дыхание до 4 мин, увеличил жизненную емкость легких до 7,4 л. Благодаря столь длительной задержке дыхания организм человека в подводных глубинах как бы уподобляется батискафу, т. е. в результате выключения газообмена для организма не существует проблемы декомпрессионных расстройств, о которых мы еще расскажем читателю. Интересно и то, что до глубины,50 м Майоль погружается с носовым зажимом, который предотвращает попадание воды в носоглотку. При дальнейшем же погружении он снимает носовой зажим, и тогда за счет проникновения воды в носоглотку выравнивается барометрическое давление с наружной и внутренней стороны барабанных перепонок. Тем самым устраняется неприятное ощущение в ушах, связанное с односторонним давлением воды на барабанные перепонки. Глаза Майоля в подводных глубинах защищены контактными линзами.

Среди женщин блестящего успеха достигла в 1986 г. молодая итальянская ныряльщица Анджела Бандини.

Вблизи острова Эльба она погрузилась без акваланга на рекордную для женщин глубину - 52,5 м. Вся операция заняла 2,5 мин. А пятью годами раньше Бандини совершила погружение на 20 м в ледяные воды озера, лежащего на пятикилометровой высоте в Пepy.

Говоря о подводных рекордах, нельзя не вспомнить о героизме многократного рекордсмена мира по подводному плаванию Шаварша Карапетяна. Когда в 1982 г. троллейбус с 20 пассажирами упал и затонул в холодных водах Ереванского водохранилища на глубине 8-9 м, Карапетян нырял на дно подряд в течение более 20 мин и спас жизнь всем пострадавшим. После этого он еще помог вытащить и сам троллейбус. Это был одновременно и гражданский подвиг, и неофициальный спортивный рекорд.

А вот рекорд проникновения аквалангистов в морские глубины составляет 565 м. Он был установлен в 1972 г. двумя французами.

В 1986 г. американец Джей Смит сумел пробыть под водой с аквалангом 124 ч 30 мин, а его соотечественница Фей Генри - более 72 ч. При этом для отдыха и приема пищи они пользовались воздушным колоколом.

В книге М. В. Васильева «Материя» (1977) описывается, как в барокамере четыре добровольца сумели выдержать барометрическое давление, соответствующее глубине 1520 м! Они провели на такой «глубине» 4 ч без всякого вреда для себя, и это при барометрическом давлении, в 152 раза превышающем давление на Земле. Если при обычном атмосферном давлении предложить человеку подышать смесью, содержащей 99,86% гелия и 0,14% кислорода, то он потеряет сознание из-за кислородной недостаточности уже через 1-2 мин. А вот при барометрическом давлении, соответствующем морской глубине 1,5 км, человек сможет свободно дышать этой смесью так же, как в обычных условиях он дышит атмосферным воздухом. И наоборот, дыхание атмосферным воздухом при давлении несколько десятков атмосфер смертельно опасно. В этих условиях организм будет отравлен азотом и... кислородом. Да, да, тем самым кислородом, который в других случаях спасает жизнь Избыточное насыщение кислородом приводит к серьезным, иногда необратимым изменениям в организме.

В нашей стране в 1985 г. четверо добровольцев более месяца жили в барокамере на «глубине» 450 м, А в это же время водолазы Арктики начали выполнять подводные технические работы на морском дне, находясь на глубине 300 м непрерывно в течение 1,5 ч.

При значительно повышенном барометрическом давлении опасным для жизни становится не только кислород атмосферного воздуха, но и содержащийся в нем азот. Этот газ прекрасно растворяется в нервной ткани, вызывая сначала наркотический, а потом и токсический эффект. Азотный наркоз, или «глубинное опьянение», возникает обычно, если человек дышит атмосферным воздухом на глубине 30-100 м. В этом состоянии он теряет контроль над собой. Известны случаи, когда аквалангисты в состоянии «глубинного опьянения» вынимали изо рта загубник со шлангом, через который из баллонов поступал воздух, и погибали. Поэтому при погружении водолаза на большую глубину ему дают газовую смесь, где азот заменен гелием, который значительно хуже растворяется в нервной ткани и в крови.

Замена азота гелием помогает водолазу избежать при подъеме на поверхность воды так называемой кесонной или декомпрессионной болезни. Возникает она в основном из-за того, что при быстром подъеме растворенное в крови, тканевой жидкости и тканях дополнительное количество азота не успевает выделиться из организма. В крови появляются газовые пузырьки, которые могут привести к закупорке жизненно важных сосудов.

Большой вклад в преодоление этого физиологического барьера сделал в 50-е гг. молодой швейцарский ученый Ганс Келлер. Суть его идеи - последовательная смена разных газовых смесей при подъеме. На глубине от 300 до 90 м он предлагает дышать смесью гелия и кислорода, от 90 до 60 м - смесью азота и кислорода, от 60 до 15 м - аргонно-кислородной смесью и с 15 м до поверхности воды - чистым кислородом. Поставив эксперимент на себе, Келлер поднялся с глубины 222 м всего за 53 мин. А ведь до него с глубины 180 м поднимались в течение 12 ч!

Декомпрессионная болезнь может возникнуть не только при подъеме из глубины на поверхность воды, но и при быстром разрежении атмосферы в барокамере. В нашей практике был случай, когда человек дышал через маску кислородом в барокамере при разрежении атмосферы в ней, соответствующем высоте 11000 м, и одновременно выполнял работу на велоэргометре до 1000 кгм/мин. На 26-й мин работы у него появились декомпрессионные боли в левом колене. Не придав им значения, доброволец продолжал работать. Еще через 5 мин газовые пузыри стали закупоривать крупные сосуды легких. В результате, несмотря на дыхание кислородом, возникло ощущение резкого удушья, человек даже потерял сознание. Всего за 3 мин в барокамере было нормализовано барометрическое давление, а потом пострадавший был даже «погружен» в гипербарической камере на «глубину» 15 м, где пробыл 1 ч. Однако самочувствие продолжало ухудшаться, а артериальное давление снизилось до 50/0 мм рт. ст. Только после реанимации и двухнедельного стационарного лечения все последствия декомпрессионной болезни были полностью устранены.

Между прочим, водолазам для уменьшения вероятности появления у них при быстром подъеме на поверхность воды декомпрессионной болезни можно было бы порекомендовать... заняться высотным альпинизмом. В наших наблюдениях за восемью добровольцами, которые выполняли тяжелую физическую работу на велоэргометре при дыхании кислородом в барокамере «на высоте» 11000 м, у всех без исключения на 13-35-й мин работы появлялись декомпрессионные боли в суставах. После подлинного восхождения на Эльбрус у одного из тех же добровольцев декомпрессионные боли появились уже не на 18-й, а на 39-й мин работы. У остальных они не появлялись, несмотря на непрерывную работу в течение 1 ч.

Вообще же, чтобы легче впоследствии преодолевать различного рода барьеры, с которыми человек встречается в воде, подводную тренировку организма целесообразно начинать с младенческого возраста. Новорожденные обладают довольно большой устойчивостью к кислородному голоданию. И в этом нет ничего удивительного, если учесть, что в организме матери плод получает количество кислорода примерно как на высоте Эвереста.

Под нашим наблюдением находилась кошка, которая за двое суток до рождения котят была «поднята» в барокамере на «высоту» 12 000 м и находилась на ней до Полной остановки дыхания (18 мин). Несмотря на столь выраженную гипоксию, у кошки родились шесть полноценных котят. В другом эксперименте установлено, что новорожденный крысенок живет в бескислородной газовой среде (в чистом азоте) 50 мин. Если же искусственно С помощью введения йодацетата затормозить гликолиз, то время его жизни сокращается до 3 мин.

Наблюдения над детьми, проведенные в последние годы, показали, что новорожденные, с которыми проводятся занятия подводным плаванием, значительно быстрее обучаются длительно не дышать под водой, чем более старшие дети и взрослые. Объясняется это тем, что новорожденные обладают большей способностью к бескислородному получению энергии, чем взрослый человек.

Сотрудник Института общей педагогики и психологии И. Б. Чарковский поставил интересный эксперимент на своей 7-месячной недоношенной дочери. Девочка весила всего 1600 г. Чтобы как-то облегчить ее преждевременный переход из условий иммерсии в утробе матери в условия земной гравитации, к которым недоношенному организму приспособиться довольно трудно, Чарковский периодически помещал свою дочь в аквариум и держал ее там по нескольку часов. Девочка, всем на удивление, чувствовала себя в водной стихии как настоящий ихтиандр, свободно плавала и ныряла, а на 4-месяце жизни уже имела нормальный вес.

Австралийские тренеры по плаванию супруги Тиммерманс начали обучать своего сына плаванию уже с конца первой недели после рождения. К шести месяцам ребенок мог держаться на воде до 15-20 мин, и проплывать несколько сот метров.

Сейчас установлено, что у новорожденного значительно сильнее, чем у взрослого, развит рефлекс перекрытия дыхания при погружении в воду. Доказано также, что у грудных детей еще не утеряно умение ориентироваться в водной среде с помощью самого древнего анализатора - вкусового. «По вкусу» ребенок, находящийся под водой, может даже отличать близких ему людей от посторонних.

Советский академик С. И. Вольфкович, будучи уже пожилым человеком, как-то раз во время морского шторма в Гаграх, рискуя жизнью, спас утопающего мужчину. В ответ на благодарность спасенного он ответил: «За что вы меня благодарите? Не мне, не мне вы жизнью обязаны... А тому, что я имел прекрасных родителей, которые научили меня плавать в два года».

В 1982 г. в городе Тутукака (Новая Зеландия) состоялась первая научная конференция, посвященная рождению детей в воде. К настоящему времени в СССР под водой успешно родились уже сотни детей. На январь 1982 г. во Франции таких родов было зарегистрировано 52, а в США - 15. Разумеется, такие роды принимаются опытными врачами. Ванна с водой тщательно продезинфицирована, температура воды равна температуре чрева матери (примерно 38,5°С); в воду добавляется 0,5% соли, т. е. столько же, сколько ее находится в плазме крови. Так что ребенок появляется на свет в знакомой ему водной среде. Кожи ребенка не касается прохладный воздух, что побудило бы его начать дышать. Роженица при этом, как правило, испытывает не очень сильные болевые ощущения, а ребенок не получает родовой травмы.

Интересно, что еще тысячи лет назад в Древнем Египте, когда женщине грозили трудные роды, ее опускали в воду. Может быть, именно такие случаи позволили подметить, что детишки, родившиеся в воде, опережали в физическом и умственном развитии своих сверстников. И тогда тех, кому предстояло стать жрецами, стали производить на свет в водной среде.

Интересная история произошла в нашей стране в июле 1986 г. с супругами Багрянскими из города Владимира. Они отдыхали в Крыму в районе Судака, ожидая пополнения своего семейства. Нормальные роды произошли во время утреннего купания в кристально чистой морской воде. Родившейся в столь экзотических условиях девочке дали и экзотическое имя Эя.

В книге Сондры Рэй «Идеальное рождение» (1985) описан аналогичный случай, который произошел в 1966 г. с Невиллом фон Шлеффенбергом. Его 23-летняя мать плавала в океане, когда у нее начались схватки Ребенок находился после, рождения в воде 4-5 мин.

Есть проекты (и их планируется осуществить в не таком уж отдаленном будущем) строительства подводных городов. А отдельные подводные дома-лаборатории существуют уже сейчас во многих странах мира. Еще в 1969 г. максимальная глубина погружения достигнута американской подводной лабораторией «Аэгир» - 158,5 м. Шестеро акванавтов находились в ней 5 суток.

В атмосфере подводного дома «Аэгир» содержалось всего 1,8% кислорода, но барометрическое давление было значительно выше, чем на земной поверхности.

Если, например, при столь низком содержании кислорода увеличить барометрическое давление до 10-11 атм, то организм не будет ощущать никакой кислородной недостаточности. Именно повышенным барометрическим давлением воздуха подводные дома отличаются от батискафов. Ведь их обитателям - акванавтам - периодически приходится выходить в своих скафандрах в подводный мир, т. е. в условия, где барометрическое давление достигает еще более высоких величин. Если бы в подводных домах барометрическое давление поддерживалось таким же, как на земной поверхности (и в батискафе), то акванавтам пришлось бы слишком долго ожидать в «прихожей» своего жилища после каждой подводной прогулки во избежание декомпрессионной болезни.

На II Международной конференции по изучению деятельности человека под водой французский исследователь Жак Ив Кусто высказал мысль, что подводные города будущего могут быть заселены людьми с искусственными жабрами, извлекающими кислород непосредственно из воды. В соответствии с этой идеей Кусто у человека для противодействия давлению на глубинах следует удалить легкие, а в его кровеносную систему ввести специальный патрон, который химическим путем выделял бы в кровь кислород и удалял бы из нее углекислоту. Далее, по Кусто, борьбе с кессонной болезнью и свободному передвижению по морскому дну будет способствовать заполнение полости организма инертной жидкостью. Все это будет характеризовать новый вид человека - «гомо акватикус». Кусто не исключал, что первый человек этого вида появится к 2000 г.

В принципе гомо акватикус мог бы обойтись и без жабер, но для этого ему придется жить на глубине 500-700 м. В опытах на мышах и собаках доказано, что если на такой глубине заполнить легкие водой, то растворенного в ней кислорода, благодаря его высокому напряжению, будет достаточно для дыхания... водой. Одну собаку удалось снова вернуть к земной жизни.

На наш взгляд, человечество будет осваивать подводные глубины не совсем так, как предполагает Кусто. Это было бы шагом назад. Ведь вторичное возвращение млекопитающих в водную среду, которое привело к появлению современных тюленей, моржей и китов, не связано с появлением у них жабр. Зато эти животные обладают удивительной способностью к экономному расходованию кислорода. Такую же способность путем специальной тренировки вырабатывает у себя и человек. С помощью специальных тренировок и технических приспособлений человек повысит устойчивость своего организма к декомпрессии и охлаждению, связанному с усиленной теплоотдачей в воде, научится нырять и плавать не хуже дельфинов. Но человек никогда не превратится в особый, исключительный вид «гомо акватикус». Он будет развиваться гармонично и чувствовать себя одинаково свободно в водной стихии, на суше и в космосе.

В наше время человек успешно штурмует не только подводные, но и подземные глубины. Прежде всего это относится к исследователям пещер - спелеологам.

Знаменитый французский спелеолог Мишель Сифр еще в 17-летнем возрасте погружался в пещеры глубиной от 320 до 450 м на 81 ч. В 1962 г. он спустился в пропасть Скарассон, расположенную в Альпах на франко-итальянской границе, на глубину 135 м, где на подземном леднике провел в одиночестве, темноте (при свете очень слабой электрической лампочки), при температуре воздуха около 0°С, 100%-ной влажности, в условиях постоянных обвалов целых два месяца. Вот как описывал он свои ощущения в пещере: «Мой слух был постоянно насыщен музыкой или фантастическим грохотом обвалов. Однако мои зрительные восприятия были сильно ограничены темнотой. Довольно скоро глаза мои начали уставать из-за отсутствия естественного света и слабого электрического освещения, и я почувствовал, что теряю представления о цветах. Я стал, например, путать зеленое с синим. Мне было трудно определить расстояния до предметов... Иногда у меня бывали зрительные галлюцинации».

В 1972 г. Сифр прожил в одной пещере Техаса еще дольше - около 7 месяцев. Интересно, что в пещерах его «сутки», измеряемые по промежуткам времени между двумя пробуждениями, составляли 24,5 ч, а температура тела не превышала 36°С.

Подобные аутоэксперименты можно сравнить разве что с антарктическим одиночеством американского адмирала Ричарда Бёрда. В 1934 г. в период полярной ночи он оказался отрезанным на много месяцев от людей, в условиях страшного холода (на антарктической базе близ 80° южной широты). Тем не менее мужество не покинуло Бёрда, и в единоборстве с мраком и холодом он вышел победителем.

К числу серьезных опасностей, подстерегающих человека в пещерах, относятся и подводные паводки. Вот как описывается один из них в книге Норбера Кастере «Моя жизнь под землей». В 1951 г. доктор Мерей оказался вместе с 6 товарищами в одной из пещер Юры, когда внезапно начался подземный паводок. В отряде возникла паника, и все бросились бежать, пытаясь перегнать подъем воды и добраться до выхода из пещеры, но шестерых из семи членов отряда вода настигла, и они утонули.

Доктор Мерей постарался сохранить хладнокровие и решил остаться на месте, там, где свод был повыше и, кроме того, образовывал нечто вроде выемки. Его расчеты могли не оправдаться, поскольку вода дошла ему до плеч и, кроме того, ему все время приходилось бороться с бурным течением. Вода отступила только через 27 часов. Мерей совершенно обессилел от холода и усталости, но продолжал бороться с водой и устоял.

Интересно, что некоторые пещеры успешно могут использоваться с лечебной целью. Например, в Солотвин-ских солерудниках Закарпатья с 1968 г, ведется лечение ночевками в пещерах больных бронхиальной астмой. Медицинская статистика свидетельствует, что таким способом от бронхиальной астмы избавляются 84% взрослых и 96% детей. Объясняется же лечебный эффект этих пещер чистотой воздуха и его явно выраженной отрицательной ионизацией.

Самая глубокая из изученных на сегодняшний день пещер - пещера Жан-Бернар во Франции - 1445 м. Предполагают, что пещера Снежная на Кавказе имеет глубину 1600 м. Если же говорить о шахтах, то самая глубокая из них - более 3 км от поверхности прорыта в Южной Африке. На такой большой глубине люди добывают золото.



В одной из популярных книг об изобретателе акваланга Жак-Ив Кусто говорится: «Плавать под водой безопасно и увлекательно. Но люди, которые не подготовились, как следует, для плавания под водой, могут попасть в беду.

Не погружайтесь на глубину, пока не будете знать физиологии подводного плавания и правил дыхания при повышенном давлении. Хорошо изучите, как действует ваш воздушный аппарат и вызубрите наизусть водолазные таблицы, чтобы знать, сколько времени можно оставаться на той или иной глубине.

Прежде чем погружаться, непременно изучите руководство. Внимательно прочтите все, что в нем сказано о трех главных опасностях. Первая – газовая эмболия, вторая – глубинное опьянение, третья – пресловутая кессонная болезнь. Все опасности легко избежать, если знать водолазные таблицы.

Золотое правило: «Никогда не погружайтесь в одиночку!» Под водой каждый внимательно следит за товарищами, не уходит из поля зрения и всегда готов придти на помощь другу. Наибольшая радость и наибольшая отдача – удел тех, кто заранее изучил правила поведения под водой и тренируется в составе группы».

В наши дни акваланг и другое снаряжение для подводного плавания доступны всем, были бы деньги. Эта доступность порождает иллюзии безопасности подводного плавания без достаточных знаний и тренировок и зачастую приводит к печальным результатам.

Часто можно наблюдать как снаряженный аквалангист идет под воду в одиночку, плавает неизвестно где, вызывая беспокойство у своих товарищей на берегу. Они могут ориентироваться только по времени. Это недопустимо! Нырять нужно в составе пары, а если в одиночку, то с буйком и в сопровождении плавсредства. Особенно это важно в начале занятий подводным плаванием.

Все водолазные происшествия случаются от незнания, нарушения правил и большого самомнения («Я все знаю!»).

Автор несколько лет был инструктором и преподавателем легководолазного дела и водолазной физиологии во Владивостокском морском клубе ДОСААФ и мореходной школе Морфлота. Считаю в обязательном порядке проводить легководолазную подготовку рядового и командного состава флота. Все моряки должны уметь грамотно использовать акваланг.

При работе на плавбазах Крабофлота неоднократно приходилось погружаться под воду для освобождения винтов сейнеров от сетей. На мое предложение снабдить плавбазы и сейнеры аквалангами мне ответили, что мое предложение – не рационализаторское. Плавбазы были оснащены водолазным снаряжением СВВ-55 (снаряжение с выходом в воду), для обслуживания которого необходимо было привлекать несколько человек обеспечивающих специалистов, а с аквалангом такие задачи решались значительно проще. В настоящее время учебников и руководств по подводному плаванию в продаже нет. К сожалению, их нет и в библиотеках.

Не претендуя на изложение полного курса обучения подводному плаванию, предложим читателю сведения о физических и физиологических основах подводного плавания в аппаратах на сжатом воздухе, как это требуется для подготовки аквалангистов в специальных руководствах.

Физические условия подводного плавания

Организм человека приспособлен к существованию в воздушной среде. В воде – среде, не поддающейся сжатию, намного более плотной, чем воздух, – человеческий организм ведет себя совершенно иначе, чем на суше. Поэтому желание людей проникнуть в глубину моря связано с преодолением многих трудностей физического и физиологического характера.

Давление. В обычных условиях человек испытывает давление в одну атмосферу, т.е. 1 килограмм на каждый квадратный сантиметр кожного покрова. В целом это составляет нагрузку примерно в 16 тонн!

Но давление воздуха внутри организма уравновешивает давление извне. Вода, однако, значительно тяжелее, чем воздух. Погружаясь в нее, человек испытывает повышение давления, величина которого определяется весом столба воды над ним. Чем глубже погружение, тем больше величина давления. Так, при погружении в воду на глубину 10 метров давление на тело снаружи увеличивается приблизительно в два раза по сравнению с атмосферным. На глубине 20 метров оно утраивается, и так далее.

При этом баланс между внешним давлением на тело и внутренним давлением в организме все больше и больше нарушается, что влечет за собой различные негативные последствия. Например, на глубине 20 метров у человека могут лопнуть барабанные перепонки в ушах. Усиливается также сжатие грудной клетки. Вот почему погружение на глубину свыше 40 метров невозможно без специального костюма и шлема. Кроме того, подводным пловцам следует помнить, что наибольший относительный прирост давления (100%) приходится на первые 10 метров погружения. В этой критической зоне наблюдаются значительные физиологические перегрузки, наиболее опасные для начинающих пловцов-подводников.

Удельный вес и плотность. Удельный вес воды зависит от температуры и плотности. В свою очередь, плотность, хотя и незначительно, изменяется под действием температуры. Так, при 20 градусах плотность воды на 0,2% меньше, чем при 4 градусах. Дистиллированная вода, свободная от всяких примесей, при температуре 4 градусов имеет удельный вес 1, т.е. 1 мл воды весит 1 г. Вода служит условной единицей, с которой сравниваются удельные веса всех жидкостей и твердых тел. Морская вода тяжелее речной на 2,5-3% из-за наличия в ней большого количества солей, а удельный вес ее в среднем равен 1,025.

Удельный вес тела имеет значение при определении его плавучести.

Плавучесть тела. При погружении в воду на любое тело действуют две противоположно направленные силы – сила тяжести и сила плавучести. Сила тяжести – это собственный вес тела. Она направлена вертикально вниз. Точка приложения ее называется центром тяжести. Одновременно вода препятствует погружению тела, как бы выталкивая его на поверхность. Эту выталкивающую силу называют силой плавучести. Она направлена вертикально вверх. Точка приложения этой силы называется центром плавучести. По закону Архимеда, тело, погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненный им объем жидкости. Таким образом, все зависит от объема жидкости, который вытесняет тело во время погружения. Больший объем – большая сила плавучести и наоборот.

В том случае, когда вес тела больше веса вытесненной им воды, оно будет тонуть, так как обладает отрицательной плавучестью.

Величина отрицательной плавучести равна разности между собственным весом тела и весом объема жидкости, вытесненной им при погружении.

Если же вес объема вытесненной жидкости больше собственного веса тела, то последнее будет плавать, обладая положительной плавучестью, величина которой равна разности между весом объема вытесненной жидкости и весом тела.

Понятие о плавучести имеет большое значение для подводных пловцов. От умения уравновесить себя в воде зависит успех работы и даже безопасность пребывания под водой.

Вследствие большой плотности воды человек, погружаясь в нее, находится в условиях, близких к состоянию невесомости. При выдохе средний удельный вес человека находится в пределах 1,020-1,060 кг/м3 и наблюдается отрицательная плавучесть 1-2 кг, – разность между весом вытесненной телом воды и его весом. При вдохе средний удельный вес человека понижается до 0,970 кг/м3 и появляется незначительная положительная плавучесть.

При плавании в гидрозащитной одежде за счет воздуха в ее складках положительная плавучесть увеличивается, что затрудняет погружение в воду. Плавучесть можно отрегулировать с помощью грузов. Для плавания под водой обычно создают незначительную отрицательную плавучесть 0,5-1 кг. Большая отрицательная плавучесть требует постоянных активных движений для удержания на нужной глубине и обычно создается только при работах с опорой на грунт (объект).

Сопротивление воды оказывает заметное влияние на скорость плавания.

При плавании на поверхности со скоростью 0,8-1,7 м/с сопротивление движению тела возрастает соответственно с 2,5 до 11,5 кг. 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. Кроме того, под водой меньше тормозящая сила волн и завихрений, возникающих в результате движений пловца. Опыт в бассейне показывает, что один и тот же человек, проплывающий дистанцию 50 метров брассом за 37,1 сек, под водой проплывает то же расстояние за 32,2 сек.

Средняя скорость плавания под водой в гидроодежде с дыхательным аппаратом 0,3-0,5 м/с. На коротких дистанциях хорошо подготовленные пловцы могут развивать скорость 0,7-1 м/с, отлично подготовленные – до 1,5 м/с (5,4 км/час).

Видимость в воде зависит от количества и состава растворенных в ней веществ, взвешенных частиц, которые рассеивают световые лучи. В мутной воде даже при ясной солнечной погоде видимость почти отсутствует. Глубина проникновения света в толщу воды зависит от угла падения лучей и состояния водной поверхности. Косые солнечные лучи, падающие на поверхность воды, проникают на малую глубину, и большая часть их отражается от поверхности воды. Слабая рябь или волна резко ухудшают видимость в воде.

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. Лучи с различной длиной волны поглощаются неравномерно. Длинноволновая часть видимого спектра (красные лучи) почти полностью поглощается поверхностными слоями воды. Коротковолновая часть (фиолетовые лучи) в наиболее прозрачной океанской воде может проникать на глубину до 1000 м. Зеленые лучи не проникают глубже 100 м.

Зрение под водой имеет свои особенности. Вода обладает примерно такой же преломляющей способностью, как и оптическая система глаза. Если пловец погружается без маски, то лучи света проходят через воду и попадают в глаз, почти не преломляясь. Пои этом лучи сходятся не у сетчатой оболочки, а значительно дальше, за ней. В результате острота зрения ухудшается к 100-200 раз, а поле зрения уменьшается, изображение предметов получается неясным, расплывчатым, и человек становится как бы дальнозорким.

При погружении пловца-подводника в маске световой луч из воды проходит слой воздуха в маске, попадает в глаз и преломляется в его оптической системе как обычно. Но пловец-подводник при этом видит изображение предмета несколько ближе и выше его действительного местоположения. Сами же предметы кажутся под водой значительно больше, чем в действительности. Но опытные пловцы приспосабливаются к этим особенностям зрения и не испытывают затруднений.

Резко ухудшается в воде цветоощущение. Особенно плохо воспринимаются синий и зеленый цвета, которые близки к естественной окраске воды, лучше всего – белый и оранжевый.

Ориентирование под водой представляет определенные трудности. На поверхности человек ориентируется в окружающей среде с помощью зрения, а равновесие его тела поддерживается с помощью вестибулярного аппарата, мышечно-суставного чувства и ощущений, возникающих во внутренних органах и коже при изменении положения тела. Он все время испытывает действие силы тяжести (чувство опоры) и воспринимает малейшее изменение положения тела в пространстве.

При плавании под водой человек лишен привычной опоры. В этих условиях из органов чувств, ориентирующих человека в пространстве, остается надежда лишь на вестибулярный аппарат, на отолиты которого продолжают действовать силы земного тяготения. Особенно затруднено ориентирование под водой человека с нулевой плавучестью. Под водой пловец с закрытыми глазами допускает ошибки в определении положения тела в пространстве на угол 10-25 градусов.

Больше значение для ориентирования под водой имеет положение человека. Наиболее неблагоприятным считается положение на спине с запрокинутой назад головой. При попадании в слуховой проход холодной воды вследствие раздражения вестибулярного аппарата у пловца появляется головокружение, затрудняется определение направления и ошибка часто достигает 180 градусов.

Для ориентирования под водой пловец вынужден использовать внешние факторы, сигнализирующие о положении тела в пространстве: движение пузырьков выдыхаемого воздуха, буйки и т.п. Большое значение для ориентирования под водой имеет тренировка.

Слышимость в воде ухудшается, так как звуки под водой воспринимаются преимущественно путем костной проводимости, которая на 40%: ниже воздушной. Дальность слышимости при костной проводимости зависит от тональности звука: чем выше тон, тем лучше слышен звук. Это имеет практическое значение для связи пловцов между собой и с поверхностью.

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 секунды. Столь незначительная разница по времени поступления сигнала плохо дифференцируется, и четкого пространственного восприятия звука не происходит. Следовательно, установить направление на источник звука под водой человеку трудно.

Охлаждение организма в воде протекает гораздо интенсивнее; чем на воздухе. Теплопроводность воды в 25 раз, а теплоемкость в 4 раза больше, чем воздуха. Если на воздухе при 4 градусах человек может без особой опасности для своего здоровья находиться в течение 6 часов и при этом температура тела у него почти не понижается, то в воде при такой же температуре незакаленный человек без защитной одежды в большинстве случаев погибает от переохлаждения уже спустя 30-40 минут. Охлаждение организма усиливается с понижением температуры воды и при наличии течения.

В воздушной среде интенсивные теплопотери при температуре воздуха 15-20 градусов происходят в результате излучения (40-45%) и испарения (20-25%), а на долю теплоотдачи с помощью проведения приходится лишь 30-35%. В воде у человека без защитной одежды тепло в основном теряется в результате проведения. На воздухе теплопотери происходят с площади, составляющей около 75% поверхности тела, так как между соприкасающимися поверхностями ног, рук и соответствующими областями туловища существует теплообмен. В воде же теплопотери происходят со всей поверхности тела.

Воздух, непосредственно соприкасающийся с кожей, быстро нагревается и фактически имеет более высокую температуру, чем окружающий. Даже ветер не может полностью удалить с кожи этот слой теплого воздуха. В воде с ее большой удельной теплоемкостью и большой теплопроводностью слой, прилегающий к телу, не успевает нагреваться и легко вытесняется холодной водой. Поэтому температура поверхности тела в воде понижается интенсивнее, чем на воздухе. Кроме того, вследствие неравномерного гидростатического давления воды нижние области тела, которые испытывают большее давление, охлаждаются быстрее и имеют температуру кожи ниже, чем верхние, менее обжатые водой.

Тепловые ощущения организма на воздухе и в воде при одной и той же температуре различны. Вследствие интенсивного охлаждения и обжатия гидростатическим давлением кожная чувствительность в воде понижается, болевые ощущения притупляются, поэтому могут оставаться незамеченными небольшие порезы и даже раны.

При спусках под воду в гидрозащитной одежде температура кожи понижается неравномерно. Наибольшее падение температуры кожи отмечается в конечностях.

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 кг/см2 больше, чем голова. К верхним областям тела, где давление меньше, кровь приливает (полнокровие), от нижних областей тела, где давление больше, отливает (частичное обескровливание). Такое перераспределение тока крови 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 кг/см2 и нагрузка на сердце возрастает незначительно.

Дыхание под водой возможно лишь при том условии, что внешнее давление воды равно внутреннему давлению воздуха в системе «легкие – дыхательный аппарат». Несоблюдение этого равенства затрудняет дыхание или делает его вообще невозможным. Так, дыхание через трубку на глубине 1 метр при разности между внешним и внутренним давлением 0,1 кг/см2 требует большого напряжения дыхательных мышц и долго продолжаться не может, а на глубине 2 метра дыхательные мышцы уже не в состоянии преодолеть давление воды на грудную клетку.

Человек в покое на поверхности делает 12-24 вдохов-выдохов в минуту, и его легочная вентиляция (минутный объем дыхания) составляет 6-12 л/мин.

В нормальных условиях при каждом вдохе-выдохе в легких обменивается не более 1/6 всего находящегося в них воздуха. Остальной воздух остается в альвеолах легких и является той средой, где происходит газообмен с кровью. Альвеолярный воздух имеет постоянный состав и в отличие от атмосферного содержит 14% кислорода, 5,6% углекислого газа и 6,2% водяных паров. Даже незначительные изменения в его составе приводят к физиологическим сдвигам, которые являются компенсаторной защитой организма. При значительных изменениях компенсаторная зашита не будет справляться, в результате возникнут болезненные (патологические) состояния.

Не весь воздух, попадающий в организм, достигает легочных альвеол, где происходит газообмен между кровью и легкими. Часть воздуха заполняет дыхательные пути организма (трахею, бронхи) и не участвует в процессе газообмена. При выдохе этот воздух удаляется, не достигнув альвеол. При вдохе 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 175 см кубических. 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.

Интенсивные мышечные движения под водой требуют большого расхода кислорода, что приводит к усилению 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.

А это оказывает существенное влияние на длительность и скорость плавания под водой. Если сопротивление дыханию достигает 60-65 мм рт. ст., то дышать становится трудно и дыхательные мышцы быстро утомляются. Растягивая по времени фазу вдоха и выдоха, можно уменьшить скорость потока воздуха в дыхательных путях, что приводит к некоторому снижению легочной вентиляции, но в то же время заметно уменьшает сопротивление дыханию.

Окончание в следующем номере

Немного старины

Вы видели, как много явлений объясняется законом плавания. Но как объясняется самый закон? Вот ясное и простое объяснение, принадлежащее одному из первых физиков, французскому ученому XVII века Паскалю:

«Вода, – писал он, – давит вверх на тела, к которым прикасается снизу; давит вниз на те, которых касается сверху; давит в бока на те, которых касается с боков. Отсюда легко заключить, что, когда тело погружено в воду, она, касаясь его и сверху, и снизу, и с боков, давит на него сверху, снизу и с боков. И так как высота воды есть мера силы ее давления, то легко видеть, какое из этих действий должно превозмочь. Ясно, во-первых, что вода, имея с боков тела равную высоту над его сторонами, давит на них одинаково; оттого тело не стремится двигаться ни в ту, ни в другую сторону, как флюгер между двумя одинаковыми ветрами. Но над нижнею стороною тела вода имеет больше высоты, чем над верхнею: ясно, что она должна гнать тело снизу вверх. И так как разность высот воды есть высота самого тела, то легко понять, что вода гонит тело снизу вверх с силою, равной весу одинакового с телом объема воды.

«Погруженное в жидкость тело вследствие его давления поддерживается так, как если бы оно было привешено к чашке весов, другая чашка которых нагружена объемом жидкости, равным объему тела. Отсюда следует, что если тело из меди или иного материала, более тяжелого, чем вода в том же объеме, то оно падает в воде, ибо вес его превозмогает тот, который стремится его уравновесить. Если тело из дерева или другого материала, более легкого, чем вода в том же объеме, то оно поднимается в воде с такою силою, на какую вес воды превышает его вес. Если оно весит столько же, сколько вода, то не опускается и не поднимается; так воск остается в воде приблизительно там, где его поместят. Отсюда же следует, что бадью колодца легко вытягивать, пока она в воде, но вес ее тотчас дает себя чувствовать, когда она начинает выходить из воды.

Рис. 45. Блез Паскаль, физик XVII века

«Если человек погружен в воду, вода давит на него и сверху и снизу, но он весит больше, чем вода, и потому опускается, хотя не так скоро, как падает в воздухе: в воде ему служит противовесом вес равного объема воды, почти одинаковый с весом его тела. Если бы вес этот был совсем одинаков, то человек плавал бы. Ударяя о воду или делая некоторые усилия против воды, он поднимается и плавает. По той же причине человек, погруженный в ванну, без труда поднимает руку, пока она в воде, но, выйдя из воды, чувствует, что она много весит, ибо нет более противовеса от равного ей объема воды, как было, пока она была погружена.

«Выпуклая свинцовая чашка плавает на воде потому, что занимает много места в воде вследствие своей формы; но если бы это был сплошной кусок, он занимал бы в воде только место, равное объему своего вещества, а вес такого объема воды не мог бы его уравновесить».

Из книги Физика - моя профессия автора

Немного истории Глава 6 …где рассказывается, как познание природы методом словесного жонглирования заменилось экспериментом.Читатель узнает также, что великолепные успехи науки придали излишнюю самоуверенность физикам XIX века: они думали, что нам осталось лишь

Из книги Без ретуши. Портреты физиков на фоне эпохи автора Иоффе Борис Лазаревич

Немного фантазии Когда я говорю «кончится ли физика?», я имею в виду, закончатся ли исследования новых, неизученных областей этой науки, как это произошло, например, с географией. География «закончилась» в том смысле, что новых, неоткрытых материков, гор, рек, островов на

Из книги Физика на каждом шагу автора Перельман Яков Исидорович

Глава первая Немного механики Скала Эдисона Незадолго до смерти знаменитый американский изобретатель Эдисон пожелал отличить самого сметливого юношу своей страны, назначив ему щедрую денежную поддержку для дальнейшего образования. Со всех концов республики были

Из книги Движение. Теплота автора Китайгородский Александр Исаакович

Немного истории Закон сохранения энергии мог быть сформулирован лишь тогда, когда достаточно отчетливыми стали представления о механической природе теплоты и когда техника поставила практически важный вопрос об эквиваленте между теплом и работой.Первый опыт для

Из книги Для юных физиков [Опыты и развлечения] автора Перельман Яков Исидорович

4. Немного арифметики на спичках Из трех – четыреЗадача 27-яЭто – задача-шутка, довольно забавная. На столе лежат 3 спички. Не прибавляя и не ломая ни одной спички, сделайте из этих трех спичек – четыре!РешениеВы делаете «четыре», – просто четыре, а не четыре спички –

Из книги Вечный двигатель - прежде и теперь. От утопии - к науке, от науки - к утопии автора Бродянский Виктор Михайлович

5. Немного геометрии на спичках Горизонтально и вертикальноЗадача 32-яПопросите товарища положить на стол одну спичку горизонтально. Он положит, разумеется, так: Рис. 44.Затем попросите его положить возле первой спички вторую спичку вертикально. Сделает он это примерно

Из книги Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра автора Шустов Борис Михайлович

6. Немного физики на спичках Спички и булавкаКак вы думаете, что тяжелее: спичка или средней величины булавка? Угадать трудно. Вы можете сколько угодно взвешивать в руке спичку и булавку, – а все-таки не определить, какая из этих вещиц тяжелее. Разрешить вопрос могут

Из книги Интерстеллар: наука за кадром автора Торн Кип Стивен

Из книги автора

1.4. Немного истории Бывает нечто, о чем говорят: «смотри, вот это новое»; Но это было уже в веках, бывших прежде нас. Нет памяти о прежнем; да и о том, что будет, Не останется памяти у тех, которые будут после. Книга Екклеcиаста, 1:9, 10 Процессы столкновения малых тел с другими

Из книги автора

Немного о смене убеждений В 1985 году, когда Карл Саган решил отправить свою героиню Элинор Эрроуэй (актриса Джоди Фостер) к звезде Вега через черную дыру, я сказал ему: нет! Она погибнет внутри черной дыры, безжалостная сингулярность растерзает ее хаотическим образом.

Закон Архимеда – закон статики жидкостей и газов, согласно которому на погруженное в жидкость (или газ) тело действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме тела.

История вопроса

«Эврика!» («Нашел!») – именно этот возглас, согласно легенде, издал древнегреческий ученый и философ Архимед, открыв принцип вытеснения. Легенда гласит, что сиракузский царь Герон II попросил мыслителя определить, из чистого ли золота сделана его корона, не причиняя вреда самому царскому венцу. Взвесить корону Архимеду труда не составило, но этого было мало – нужно было определить объем короны, чтобы рассчитать плотность металла, из которого она отлита, и определить, чистое ли это золото. Дальше, согласно легенде, Архимед, озабоченный мыслями о том, как определить объем короны, погрузился в ванну – и вдруг заметил, что уровень воды в ванне поднялся. И тут ученый осознал, что объем его тела вытеснил равный ему объем воды, следовательно, и корона, если ее опустить в заполненный до краев таз, вытеснит из него объем воды, равный ее объему. Решение задачи было найдено и, согласно самой расхожей версии легенды, ученый побежал докладывать о своей победе в царский дворец, даже не потрудившись одеться.

Однако, что правда – то правда: именно Архимед открыл принцип плавучести. Если твердое тело погрузить в жидкость, оно вытеснит объем жидкости, равный объему погруженной в жидкость части тела. Давление, которое ранее действовало на вытесненную жидкость, теперь будет действовать на твердое тело, вытеснившее ее. И, если действующая вертикально вверх выталкивающая сила окажется больше силы тяжести, тянущей тело вертикально вниз, тело будет всплывать; в противном случае оно пойдет ко дну (утонет). Говоря современным языком, тело плавает, если его средняя плотность меньше плотности жидкости, в которую оно погружено.

Закон Архимеда и молекулярно-кинетическая теория

В покоящейся жидкости давление производится посредством ударов движущихся молекул. Когда некий объем жидкости вымещается твердым телом, направленный вверх импульс ударов молекул будет приходиться не на вытесненные телом молекулы жидкости, а на само тело, чем и объясняется давление, оказываемое на него снизу и выталкивающее его в направлении поверхности жидкости. Если же тело погружено в жидкость полностью, выталкивающая сила будет по-прежнему действовать на него, поскольку давление нарастает с увеличением глубины, и нижняя часть тела подвергается большему давлению, чем верхняя, откуда и возникает выталкивающая сила. Таково объяснение выталкивающей силы на молекулярном уровне.

Такая картина выталкивания объясняет, почему судно, сделанное из стали, которая значительно плотнее воды, остается на плаву. Дело в том, что объем вытесненной судном воды равен объему погруженной в воду стали плюс объему воздуха, содержащегося внутри корпуса судна ниже ватерлинии. Если усреднить плотность оболочки корпуса и воздуха внутри нее, получится, что плотность судна (как физического тела) меньше плотности воды, поэтому выталкивающая сила, действующая на него в результате направленных вверх импульсов удара молекул воды, оказывается выше гравитационной силы притяжения Земли, тянущей судно ко дну, – и корабль плывет.

Формулировка и пояснения

Тот факт, что на погруженное в воду тело действует некая сила, всем хорошо известен: тяжелые тела как бы становятся более легкими – например, наше собственное тело при погружении в ванну. Купаясь в речке или в море, можно легко поднимать и передвигать по дну очень тяжелые камни – такие, которые не удается поднять на суше. В то же время легкие тела сопротивляются погружению в воду: чтобы утопить мяч размером с небольшой арбуз требуется и сила, и ловкость; погрузить мяч диаметром полметра скорее всего не удастся. Интуитивно ясно, что ответ на вопрос – почему тело плавает (а другое – тонет), тесно связан с действием жидкости на погруженное в нее тело; нельзя удовлетвориться ответом, что легкие тела плавают, а тяжелые – тонут: стальная пластинка, конечно, утонет в воде, но если из нее сделать коробочку, то она может плавать; при этом ее вес не изменился.

Существование гидростатического давления приводит к тому, что на любое тело, находящееся в жидкости или газе, действует выталкивающая сила. Впервые значение этой силы в жидкостях определил на опыте Архимед. Закон Архимеда формулируется так: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу того количества жидкости или газа, которое вытеснено погруженной частью тела.

Формула

Сила Архимеда, действующая на погруженное в жидкость тело, может быть рассчитана по формуле: F А = ρ ж gV пт,

где ρж – плотность жидкости,

g – ускорение свободного падения,

Vпт – объем погруженной в жидкость части тела.

Поведение тела, находящегося в жидкости или газе, зависит от соотношения между модулями силы тяжести Fт и архимедовой силы FA, которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая:

1) Fт > FA – тело тонет;

2) Fт = FA – тело плавает в жидкости или газе;

3) Fт < FA – тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.