Влияние свойств водной среды на организм человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Влияние свойств водной среды на организм человека

Содержание

Введение

Физико-химические и физиолого-гигиенические характеристики водной среды

Состав воды и плотность

Гипогравитация и динамическое воздействие водной среды

Механическое давление. Гидростатическое давление

Теплофизические свойства и их влияние на тепловое состояние организма

Освещенность и видимость

Влияние водной среды на функции зрительного анализатора

Влияние водной среды на функции слухового анализатора

Влияние водной среды на функции проприоцептпивного и кожного анализаторов

Литература

Введение

Для нормального существования человека необходимы вода, пища, определенные температурные условия и, конечно, воздух при давлении близком к атмосферному.

Пребывание человека в водной среде, которая по своим физическим свойствам существенно отличается от воздушной, невозможно без снаряжения, защищающего его тело от воздействия водной среды и обеспечивающего выполнение основных жизненных функций. Следовательно, подводному пловцу необходимо знать физические свойства как воды, так и воздуха, а также особенности их влияния на организм человека при повышенном давлении.

Знание законов газовой динамики и гидродинамики, представление о физиологии человека при пребывании в несвойственных ему условиях позволяют правильно решить многие вопросы, связанные с безопасной эксплуатацией подводного снаряжения, понять устройство и принцип действия акваланга, избежать травматизма и несчастных случаев под водой.

Физико-химические и физиолого-гигиенические характеристики водной среды

Общие сведения

Вода представляет собой необычную среду для обитания человека, организм которого приспособлен к жизни в воздушной среде. В то же время вода сыграла и продолжает играть исключительно важную роль в истории Земли, в происходящих на ней геофизических процессах, зарождении и развитии жизни, являясь неотъемлемой составной частью всего живого. Индийские мудрецы Джаболи, Бхадури и Пурандра 5000 лет назад провозгласили, что мир состоит из 4 элементов: воды, огня, воздуха и земли. Древнегреческий мыслитель, родоначальник античной философии Фалес (625-574 гг. до н.э.) представлял Вселенную в виде жидкой массы, внутри которой находится большой пузырь, имеющий форму полушария. Вогнутая поверхность этого пузыря - небесный свод, а на нижней, плоской поверхности, наподобие пробки, плавает плоская Земля. Фалес считал воду важнейшим из «первоэлементов»: «Все возникает из воды, и все в нее превращается». Это философское направление получило название «нептунизм». Можно сказать, что отчасти Фалес был прав. Вода - единственная природная жидкость на нашей планете. Она занимает площадь 361 млн. км2 или 70,8 % поверхности Земли. Еще древнегреческий ученый Эратосфен Киренский (276--194 гг. до н.э.) догадывался, что водные просторы покрывают около2'3 планеты, но окончательно это было установлено лишь во времена Великих географических открытий (от Христофора Колумба до Витуса Беринга и М. П.Лазарева). В средние века считали, что измерить глубину океана невозможно, как и высоту неба. Сейчас известно, что средняя глубина Мирового океана составляет 3,7 км, максимальная -11 022 м (Марианская впадина, Тихий океан).

Вода вездесуща (существует на земле, под землей и в воздухе). Объем воды в Мировом океане составляет 1370 млн. км3. Реки земного шара единовременно содержат около 1200 км3 воды, озера занимают 2 % суши, а объем воды в них - около 230 тыс. км3 . Объем подземных вод - 60 тыс. км3, а ледников -24 тыс. км 3.

Трехдневный зародыш человека содержит воды столько же, сколько медуза (97 %), 3-месячный - 95 %, 8-месячный - 81 %, новорожденный ребенок - 80 %, годовалый - 66 %, а взрослый человек - от 60 до 65 %. Распределена вода в организме неравномерно: в жировых тканях -- 20 %, в костях - 25 %, в печени - 70 %, в мышцах - 75 %, в крови - 80 %, в мозге - 85 % от общей массы. Человек должен получать ежедневно с пищей и напитками около 2,5 л воды.

После воздуха вода - самое подвижное вещество на планете. Вода обладает уникальными свойствами, которые отличают ее от всех известных нам веществ. Почти все физико-химические свойства воды - исключение в природе. Эти особенности (аномалии) обусловлены особым молекулярным строением воды и наличием связей между молекулами.

До конца XVIII века воду считали простым элементом. Истинный ее состав как сложного вещества был установлен А.Лавуазье в 1783 г. синтезом из водорода и кислорода, а также разложением ее при пропускании водяного пара над раскаленным железом с образованием водорода и окислов железа. Годом позже Г.Кавендиш подтвердил, что продуктом сгорания водорода является вода. В 1933 г. Дж.Д. Бернал и Р.Фаулер предложили классическую модель строения воды. Вода (H2О) - оксид водорода, молекула которого является диполем с отрицательной стороной атома кислорода и положительной стороной двух атомов водорода. Это ведет к образованию стойких связей между молекулами. Кроме того, в воде существуют также дополнительные водородные связи, гораздо менее прочные, чем ковалентные связи О-Н внутри молекулы, подающие все же значительно более сильное взаимодействие молекул воды по сравнению с другими молекулами. В процессе теплового движения молекул водородные связи рвутся, но взамен тут же возникают новые, т.е. имеется динамическая система межмолекулярных водородных связей, а молекулы в воде являются ассоциированными и прочно соединенными.

Внутри водной массы развивается высокое давление. Этими особенностями объясняется также несжимаемость воды.

Вода - единственное вещество, которое встречается в естественных условиях на Земле во всех трех своих физических состояниях - твердом, жидком и газообразном (лед, вода, пар). В жидком состоянии вода представляет собой бесцветную (в толстых слоях голубую) жидкость без запаха и вкуса. Вода имеет сродство к самой себе большее, чем у любой другой жидкости, в связи с чем она существует в форме сферических капель, имеющих наименьшую поверхность при данном объеме. В то же время, как и другие жидкости, вода обладает текучестью, т.е. не сохраняет своей формы, особенно при больших объемах. Вода - химически и физически стойкое вещество, ее очень трудно окислить, сжечь или разложить на составные части. Однако вода окисляет почти все металлы. Она является универсальным растворителем, растворяет больше солей и других веществ, чем любое другое вещество. Дистиллированная вода очень плохо проводит электрический ток, но даже весьма малые добавки солей превращают ее в очень хороший проводник. Вода имеет огнегасящие свойства, в то время как ее составляющие проявляют противоположные свойства: водород горит, а кислород поддерживает горение. Вода обладает уникальной способностью расширяться при замерзании, вследствие чего лед плавает на воде, остающейся в жидкой фазе. Если бы лед тонул, то все водоемы оказались бы заполненными им от грунта до поверхности, на Земле царил бы безжизненный вечный ледниковый период. Пресная вода замерзает не при температуре наибольшей плотности (+4°С), как другие вещества, а при 0°С (температура плавления). Морская вода с соленостью 35 ‰ замерзает при температуре -1,9°С. Температура кипения пресной воды при атмосферном давлении составляет +100°С, тогда как составляющие ее водород и кислород закипают (переходят из жидкого состояния в газообразное) при весьма низких температурах (-252,7 и -183,0 °С соответственно). Кроме того, вода имеет очень высокую скрытую теплоту плавления (80 кал/г) и испарения (540 кал/г), т.е. она поглощает значительное количество дополнительной теплоты при неизменности температуры во время замерзания и кипения. Вода практически несжимаема (ее объем уменьшается на 1 % лишь при давлении 200 кгс/см2 т.е. на глубине 2000 м; на максимальной океанской глубине 11 022 м вода сжимается на 4,5 %). Если бы она была абсолютно несжимаемой, то уровень Мирового океана поднялся бы на 25 м.

Жизнь в океане имеется вплоть до максимальных глубин (11 км). В океанах водные массы по однородности их характеристик подразделяют на поверхностные (до глубины 100-500 м), промежуточные (до 1000-1500 м), глубинные (до 3000-4000 м) и придонные.

Состав воды и плотность

вода плотность анализатор динамический

По массе в воде содержится 11,19 % водорода и 88,81 % кислорода. Тяжелая вода содержит 20 % водорода.

Отцом океанографической химии можно считать Роберта Бойля, доказавшего в 1670-х годах, что пресная вода, попадающая в моря, содержит соли в незначительном количестве, которые затем концентрируются. Им была сделана первая попытка количественного определения солености путем выпаривания морской воды и взвешивания сухого остатка. Однако при этом он допустил ошибку, так как не учел того, что некоторые составные части солей являются летучими вещества. Он предложил определять соленость расчетным способом по плотности воды.

Первый химический анализ морской воды сделал А.Лавуазье.

Вся природная вода содержит растворенные в ней вещества, количество которых значительно больше в воде морей и океанов по сравнению с пресной водой рек и озер. На долю пресных вод приходится лишь 2,5 %, а 97,5 % составляют соленые воды Мирового океана. Морская водаявляется слабым щелочным раствором. В ней обнаружено 73 химических элемента. Химический состав морской воды подразделяется на 5 групп:

1) основные 11 ионов (хлорид, натрий, сульфат, магний, кальций, калий, бикарбонат, бромид, барит, стронций, фторид), которые составляют 99,98 % массы всех растворенных солей;

2) биогенные элементы (С, Н, N, P, Si, Fe, Mn), из которых состоят организмы;

3) растворенные в воде газы (О2, N2, СО2, Н, S, ?CH, Ar и другие инертные газы), при этом соотношение: О2: N2 = 1: 2, а не 1 : 4, как в воздухе;

4) группа микроэлементов с концентрацией меньше 1. 10-6;

5) органические вещества.

Подавляющая доля солей морской воды приходится на хлориды, а не на карбонаты, что отличает ее от речной воды, в которой преобладают углекислые соли.

В среднем океанская вода содержит 35 г минеральных солей в 1 л, т.е. массовая соленость составляет 35 ‰, или 3,5 %. Соленость крови человека (около 1 %) в 3,5 раза меньше солености океана и близка к солености воды средней части Балтийского моря. Количество хлористого натрия в верхних слоях Черного моря 20 г в 1л воды, а в средней части Балтийского моря (8,5 г/л) такое же, как в 0,85%-ном физиологическом растворе для внутривенных инъекций.

В поверхностных слоях морей и водах океана при температуре -2°С содержание О2 составляет около 8,5 мл/л, при 30°С - до 4,5 мл/л. Глубины Черного моря, как и некоторые другие моря, лишены кислорода. В отсутствие естественного окислителя на Черном море глубже 200-метровой отметки вода насыщена сероводородом и является безжизненной.

Вредные вещества, загрязняющие Мировой океан, подразделяются на вещества естественного и антропогенного происхождения. Первые содержатся в грунтах у устьев рек и происходят из глубин земной коры (сток рек, эрозия берегов морей, вулканическая деятельность на дне океанов, атмосферные осадки). Ко вторым относятся отходы органического и неорганического происхождения, загрязняющие пресную и морскую воду, особенно вблизи населенных пунктов, портов, прибрежных промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Вода может быть загрязнена сточными водами (промышленные отходы, фекальные воды, стоки от животноводческих ферм, удобрения, пестициды, гербициды, радиоактивные выбросы и пр.) в случае недостаточной очистки сточных вод или при ее отсутствии. В результате деятельности нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятий, морских перевозок нефти, использования различных категорий плавсредств и т.д. в обычных условиях и особенно в результате аварий возможно загрязнение акваторий и побережья нефтью и нефтепродуктами. Водолазные спуски в условиях загрязнения воды требуют проведения определенных подготовительных мероприятий, ликвидации последствий загрязнения, профилактики заболеваний водолазов, а в отдельных случаях - и лечения. Плотность воды в 775 раз превышает плотность воздуха. Удельный вес (плотность) пресной воды при +4 °С составляет 1,0 г/см3, а плотность морской воды при температуре +20 °С составляет 1,025 г/см3. При температуре 0°С и солености 35 ‰ морская вода имеет плотность 1,028 г/см3.

Плотность морской воды в отличие от пресной зависит не только от температуры и давления, но и от солености. Чистая вода имеет наибольшую плотность при температуре +4°С, однако с повышением солености эта температура понижается, и при солености выше 24,695‰ становится ниже температуры замерзания. Морская вода соленостью ниже этого значения называется солоноватой, выше - чисто морской.

Жидкий грунт - резко выраженный слой скачка плотности воды с вертикальным коэффициентом, достаточным для того, чтобы подводная лодка могла лежать в этом слое воды без хода, как на грунте. Жидкий грунт может также влиять на деятельность водолазов и работу подводных аппаратов.

Вязкость морской воды, или внутренне трение, - свойство морской воды противо-действовать и сопутствовать относительному перемещению частиц (слоев) жидкости. Молекулярная вязкость морской воды - очень малая величина, равная в среднем 10-3 кг/м.с, и изменяется незначительно при изменении температуры, солености и давления воды. Коэффициент турбулентной вязкости во много раз больше: в верхнем слое океана, подверженном воздействию ветра, он достигает 103 кг/м . с.

Гипогравитация и динамическое воздействие водной среды

В соответствии с законом Архимеда тело, погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненный им объем жидкости. Например, если человек массой 80 кг вытесняет при погружении 79 дм3 воды, то его вес в воде становится равным 1 кгс, поскольку масса пресной воды при плотности 1 кг/дм3 равна 79 кг (80 - 79 = 1). В морской (океанской) воде большей плотности вес тела будет еще меньше. Причем при неизменной массе тела человека объем его тела колеблется в соответствии с фазами дыхания, что приводит к изменению плотности тела. При вдохе средняя плотность тела составляет 0,96-0,99 кг/дм3, что позволяет неподвижно лежать на поверхности пресноводного водоема. При выдохе плотность тела равна 1,021-1,097 кг/дм3, что требует проведения плавательных движений для удержания на воде. Поскольку средняя плотность воды в океанах и открытых морях составляет около 1,025 кг/дм3, выталкивающая сила увеличивается, и человеку значительно легче удержаться на поверхности моря. Таким образом, человек под водой находится в состоянии гипогравитации, близком к невесомости космонавта. Различие с космическим вакуумом состоит в плотности, вязкости и других характеристиках водной среды.

На погруженного в воду водолаза одновременно действуют две силы: сила тяжести, направленная вертикально вниз, и сила плавучести, действующая вертикально вверх. Точка приложения силы тяжести назыв2?тся центром тяжести, а точка приложения силы плавучести - центром плавучести. С этими двумя силами тесно связана остойчивость водолаза, т.е. его способность сохранять под водой определенное положение, а при отклонении легко к нему возвращаться Сохранение остойчивости особенно важно для водолаза, использующего не плавательный вариант водолазного снаряжения, а вентилируемое снаряжение с объемным скафандром, требующим для спуска и работы на фунте погашения плавучести применением грузов достаточно большой массы. Если центры тяжести и плавучести расположены на одной вертикальной линии (по оси симметрии тела), а центр плавучести находится на 10-20 см выше центра тяжести, то водолаз будет иметь нормальную остойчивость. При нахождении этих центров на различных вертикальных линиях (например, смещение груза вбок) тело водолаза будет стремиться к смещению в сторону центра плавучести, что требует применения дополнительных усилий для удержания тела в вертикальном положении и предупреждения опрокидывания. При расстоянии между центрами тяжести и плавучести больше 20 см остойчивость водолаза будет избыточной и ему будет трудно наклоняться. При их близком расположении остойчивость будет низкой, а при совпадении этих точек - безразличной, что может привести к переворачиванию водолаза. Особенно опасно расположение центра тяжести выше центра плавучести, что почти неизбежно приведет к переворачиванию водолаза вверх ногами с последующим выбрасыванием на поверхность. При значительном отстоянии центра тяжести от центра плавучести водолазу в плавательном варианте снаряжения приходится затрачивать дополнительные усилия на удержание горизонтального положения при плавании под водой.

Следует отметить, что гипогравитация значительно затрудняет двигательную и производственную деятельность человека под водой вследствие сложности обеспечения точки опоры для выполнения работы. Движения под водой приводят к реактивному изменению положения тела человека, и это не позволяет развить требуемое усилие. Разность силы тяжести и плавучести (величина отрицательной плавучести) водолаза, работающего на грунте, должна находиться в пределах 3--8 кгс. В различных ситуациях водолаз в вентилируемом снаряжении может иметь плавучесть от отрицательной в 40 кгс (полное обжатие) до положительной в 15 кгс (полное раздутие).

При перемещении под водой и выполнении работы водолаз испытывает сопротивление плотной водной среды, которое значительно изменяет привычные двигательные координации, что требует строить совершенно новые формы движений. Преодоление сопротивления водной среды осложняет нахождение в условиях гипогравитации при отсутствии достаточной опоры. При этом движения человека становятся медленными и плавными, а положения туловища и конечностей выбираются такими, чтобы уменьшить линейные размеры по фронту движения. Ходьба превращается в медленные прыжки боком или наклоненным вперед корпусом с отталкиванием двумя ногами или выполнением плавательных движений.

При нахождении водолаза под водой значительная нагрузка падает на дыхательную мускулатуру, особенно при отсутствии воздушной прослойки в области грудной клетки. В этом случае необходимы большие затраты энергии для отодвигания грудной клеткой воды при вдохе.

Сопротивление воды и потеря веса ударного инструмента серьезно затрудняют его использование под водой. В то же время подъем и удержание на весу различных предметов требуют применения гораздо меньших усилий, чем на воздухе. Таким образом, приспосо-бительная реакция организма человека к гипогравитации, низкой остойчивости и большому сопротивлению водной среды состоит в переучивании новым двигательным навыкам.

Необычные условия пребывания и работы под водой, затрата значительных усилий и нервно-эмоциональное напряжение приводят к переутомлению, выраженность и скорость наступления которого связаны с уровнем физического развития, приобретенными навыками работы под водой и степенью устойчивости функционирования центральной нервной системы, способностью противостоять стрессорным воздействиям. Быстрое наступление выраженного переутомления в экстремальных условиях водной среды может приводить к аварийным ситуациям, возникновению специфических и неспецифических заболеваний водолазов.

При проведении работы на течении или в условиях волнения воды она оказывает на человека динамическое воздействие. Скорость течения на реках зависит в основном от рельефа местности, а на море главной причиной течений у берегов, на мелководье и в узких проливах являются приливы и отливы, основной период которых составляет половину лунных суток (около 12,5 ч). Высота приливов в среднем составляет около 2 м, но может достигать 13-14 м, а максимальная скорость - 5-16 узлов (1 узел = 1 морской миле в час = 1852 м/ч = 52 см/с). Скорость цунами доходит до 700 км/ч, высота волны достигает 10-15 м, а иногда 30-50 м, что вызывает катастрофические последствия. Ветровые волны обладают характерными периодами колебаний в 5-20 с, длина волны может составлять от 60 до 600 м, а высота - до 20 м.

Практика показывает, что работа водолаза на течении должна оцениваться как тяжелая физическая нагрузка дополнительно к энергетической стоимости самих производственных операций. Для удержания и выполнения работы на течении необходимо иметь специальные навыки и прилагать значительные усилия. Зачастую на течении приходится передвигаться ползком и пользоваться специальными техническими приспособлениями. Водолазные работы могут проводиться на течении, скорость которого не превышает 2 м/с. Еще большие трудности могут возникнуть при наличии не постоянных и однонаправленных, а переменных сносящих сил. Производственная деятельность водолазов может осуществляться при волнении моря, не превышающем 2--3 балла в зависимости от типа плавсредства, с которого выполняются спуски. При больших величинах волнения работа в нескольких метрах от поверхности становится невозможной. Водолаз может получить травму при столкновении с находящимися под водой или на поверхности препятствиями, он может сорваться со спускового конца, перевернуться и непроизвольно всплыть на поверхность. Особенно опасно работать на течении или при волнении моря в снаряжении с замкнутой схемой дыхания, имеющем дыхательный мешок, не защищенный жестким корпусом, из-за возможности повреждения легочной ткани (баротравмы легких) при ударе по мешку.

Механическое давление. Гидростатическое давление

Гидростатическое давление жидкости везде перпендикулярно к поверхности, на которую оно действует, и возрастает с глубиной, но остается постоянным в любой точке на горизонтальной площади. Если поверхность жидкости не испытывает внешнего давления (например, давления воздуха) или если его не учитывать, это давление внутри жидкости, называемое избыточным давлением, составляет:

где Р - давление жидкости, кгс/см2; г - удельный вес жидкости, кгс/см3, кгс/л (в пресной воде г = 1 кгс/л); Н - глубина воды, м.

В практических расчетах для водолазных спусков в морских условиях поправка на повышенную плотность морской воды по сравнению с пресной не вводится и условно считается, что г = 1 кгс/л, а, к примеру, на глубине 60 м избыточное давление составляет 6,0 кгс/см2. Режимы декомпрессии проверены в морских условиях.

Абсолютное давление

При погружении водолаза под воду на него действует давление, обусловленное давлением столба воды и атмосферного воздуха. На каждые 10 м глубины погружения давление воды увеличивается на 1 атмосферу (1 кгс/см2).

Суммарное давление (атмосферное + избыточное) называется абсолютным давлением. Оно определяется по формуле:

,

где Рабс - абсолютное давление, кгс/см2; Б - барометрическое давление (давление воздуха на уровне моря), мм рт.ст.; 735,6 - атмосферное давление, соответствующее давлению 10 м вод.ст., выраженное в мм рт.ст.; г - удельный вес (плотность) жидкости, кгс/см3 (кгс/л, в пресной воде г = 1 кгс/л); Н - глубина воды, м.

Абсолютное давление используется для расчетов парциального давления газов, оценки биологического действия газовых смесей, газовой и водной сред, расчетов запасов газов и газовых смесей, вентиляции барокамер и др. Режимы декомпрессии и лечебной рекомпрессии выбираются не по абсолютному, а по избыточному давлению.

Для упрощения расчетов атмосферное давление считают постоянным и принимают равным 1 кгс/см2. Абсолютное давление в данном случае выражается формулой:

Рабс = 1 + 0,1Н,

где Н -- глубина воды, м.

При спусках в высокогорных условиях учитывается величина барометрического давления (Б), а при спусках в жидкости с высокой плотностью глубина спуска определяется с учетом удельного веса жидкости (г).

Избыточное давление может создаваться действием не только столба воды, но и повышенного давления воздуха или иной газовой среды в барокамере. В этом случае при давлении в барокамере по манометру 2 кгс/см2, что является избыточным давлением, абсолютное давление составит 3 кгс/см2.

При нахождении водолаза под водой она оказывает на него механическое давление, которое зависит от глубины погружения. Так, например, человек, имеющий поверхность тела 1,7-1,8 м2. на уровне моря испытывает общее давление на тело, равное 1,7- 1,8 т. На глубине 60 м оно будет в 7 раз больше и составит 11,9-12,6 т. Это громадное избыточное давление, действующее на поверхность тела, долгое время пугало врачей. Так, в 1845 г. Труссар писал: «Не без некоторого страха, признаемся, спускались в первый раз в аппарат, чтобы подвергнуться давлению трех атмосфер. Те 32 000 кг сверх обычного, предшествующего давления, которое Вам предстоит перенести, могут напугать самого сильного человека». Спустившись сам в кессон, профессор Труссар был поражен тем, как легко переносится это давление на тело.

В 1845 г. врач Герару писал, что увеличенное давление производит громадное изменение в нашем теле, а врач Фолей еще в 1860-х годах заявлял: «Как только Вы вошли в кессон, Вы уже сплющены». Практические наблюдения в те годы при работе в кессоне и пребывании в барокамерах показали, что даже, при значительна большем давлении, чем 3 атм, никто никогда не был «сплющен». Исследованиями последних лет установлено, что при общем объемном сжатии организм человека без выраженных механических нарушений может переносить давление свыше 60 кгс/см2, при этом общая нагрузка на тело человека превышает 1000 т. Наземные млекопитающие животные, как показывают многочисленные исследования, могут благополучно переносить вдвое большие давления. Это объясняется тем, что организм человека состоит из жидких сред и твердых клеточных элементов, которые практически не сжимаемы. Известно, что жидкие тела, в отличие от газообразных, характеризуются «плотной упаковкой молекул», постоянными силами молекулярных взаимодействий (силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи) и значительной величиной внутреннего давления, обусловленного поверхностным натяжением. Сжимаемость жидкости в 1 000-- 1 000 000 раз меньше, чем газов, и по объему жидкость изменяется мало. Средний коэффициент сжимаемости тканей организма составляет менее 10-4 кгс/см2, т.е. уменьшение объема ткани при давлении 100 кгс/см2 не превышает 1%. В процессе объемной компрессии происходит равномерное распределение напряжения во всем объеме организма, вследствие чего в тканях создается внутреннее противодавление, равное величине внешнего давления. Большая заслуга в понимании механизма действия на организм механического давления в условиях воздействия небольших величин гидростатического давления и гипербарической газовой среды принадлежит П.Беру. В условиях водолазных спусков на глубины 60-80 м при дыхании воздухом и в барокамере до давления 100 м вод.ст. механическое давление за счет равномерного сжатия организма не может оказывать на него выраженного патологического действия.

Механическое действие небольших величин повышенного давления проявляется лишь при неравномерном распределении его на какие-либо участки организма, когда давление не уравновешено со стороны тканей (газовых полостей), или под жесткими частями снаряжения. При отсутствии выравнивания давления с окружающим давлением водной среды под очками, полумаской, «сухим» гидрокомбинезоном с наличием шейного обтюратора, а также при плотном прилегании к ушной раковине наушников или облегающего шлема могут возникнуть местный обжим прилегающих тканей и баротравма уха. В связи с этим очки следует применять не для ныряния, а только для плавания на поверхности воды. При пользовании маской во время ныряния необходимо компенсировать создающееся под ней разрежение выпуском через нос части воздуха, взятого с вдохом на поверхности. Для выравнивания давления под герметичным гидрокомбинезоном на нем должны иметься специальный шланг и клапан поддува воздуха или дыхательной газовой смеси, а также травяще-предохранительный клапан. Должны быть предусмотрены технические решения, не допускающие плотного прилегания каких-либо деталей водолазного снаряжения к ушным раковинам.

При снижении объема газа в легких меньше остаточного объема и появлении присасывающего эффекта грудной полости под воздействием гидростатического давления возможно обжатие грудной клетки. Это патологическое состояние чаще возникает при нырянии на глубину без использования дыхательного аппарата и характеризуется переполнением кровью сосудов малого круга кровообращения.

Из-за большой плотности воды она оказывает неравномерное давление на верхние и нижние части тела при нахождении водолаза в вертикальном положении.

Эта разница гидростатического давления при спуске водолаза без гидрозащитного скафандра, в гидрокостюме или гидрокомбинезоне составляет около 0,17 - 0,18 кг/см2, что приводит к постоянному обжатию нижних конечностей, выраженному нарушению кровоснабжения в них и более быстрому охлаждению. При спуске в вентилируемом снаряжении разница гидростатического давления составит лишь около 0,1 кгс/см2, поскольку верхняя часть туловища водолаза примерно до уровня нижней части грудной клетки находится в воздушной подушке. При использовании снаряжения с замкнутой, полузамкнутой и открытой схемами дыхания в случае расположения дыхательного мешка или дыхательного автомата выше уровня центра грудной клетки вдох будет затруднен, а выдох облегчен. При их расположении ниже центра грудной клетки, напротив, вдох будет легким, а выдох затрудненным.

Теплофизические свойства и их влияние на тепловое состояние организма

Вода обладает особыми теплофизическими свойствами, которые значительно отличаются от теплофизических свойств воздуха. Так, например, теплопроводность воды больше в 25 раз, а теплоемкость - в 4 раза. Удельная теплоемкость воды С = 1 ккал/кг.град при температуре + 15оС. Теплоемкость воды медленно и незначительно уменьшается от 1,0074 до 0,9980 с повышением температуры от 0 до +40°С, а у всех других веществ с ростом температуры теплоемкость увеличивается. Она также незначительно снижается с ростом давления (с увеличением глубины). Вода может поглощать большое количество теплоты, сравнительно мало нагреваясь при этом.

Около 30% энергии Солнца отражается атмосферой и уходит в мировое пространство, около 45% поглощается атмосферой и лишь около 25% солнечной энергии достигает поверх-ности океана. Часть ее (8-10%) отражается, а остальная часть поглощается. Из всей погло-щенной энергии солнечного тепла до 94 % поглощает поверхностный слой воды толщиной 1 см. Более низкие слои воды нагреваются за счет естественной конвекции (связанной с неоднородностью среды по температуре и плотности) и вынужденной конвекции (перемешивания течениями, ветровым волнением и приливами). В результате поглощения и конвекции 60% солнечной энергии остается в верхнем метровом слое воды, а в 10-метровом слое - более 80%. На глубину 100 м при отсутствии интенсивного перемешивания обычно проникает не более 0,5-1% солнечной энергии.

Температура воды в верхних слоях водоемов зависит от климатических условий и может находиться в пределах от -2 до +30°С. Только 8 % поверхностных вод океана теплее +10 °С, а более половины вод холоднее 2,3°С. Морская вода с соленостью 35‰ замерзает при температуре -1,9 °С

Суточные изменения температуры воды зависят от характера облачности и обычно находятся в пределах 0,5-2,0°С. В основном эти изменения касаются лишь тонкого поверхностного слоя воды, и уже на глубинах 10-20 м суточные колебания температуры практически равны нулю. Максимум температуры наблюдается около 15 ч, минимум - в интервале от 4 до 7 ч. Годовые колебания температуры в океане не столь велики, как на суше. Если на суше они достигают 150 °С, то в океане редко превышают 38 °С. Резче всего годовая разница температур выражена в средних широтах, где она между августом и февралем может превышать 10 °С. На больших глубинах в средних и северных широтах температура постоянно сохраняется в диапазоне от +2 до +4 °С в зависимости от солености воды.

Охлаждающее действие воды является одним из важнейших факторов, ограничивающих пребывание человека в водной среде. Она в значительной мере снижает производительность водолазного труда, а также является основной причиной гибели людей, оказавшихся в воде в результате кораблекрушения. Тепловой баланс организма раздетого человека в воде может поддерживаться на стабильном уровне только при условии равенства температур воды и тела, что невозможно в средних широтах. Большие теплопотери в воде объясняются ее высокими теплопроводностью и теплоемкостью. Когда обнаженный или недостаточно одетый человек погружен в холодную воду, у него появляется определенная последовательность симптомов. Вначале холодная вода вызывает снижение температуры кожи, что ведет к сужению сосудов поверхности тела. Это, в свою очередь, ускоряет снижение температуры кожи, так как прекращается приток тепла из подлежащих тканей. Вызванная холодом вазоконстрикция обеспечивает выраженное термическое сопротивление, или теплоизоляцию, в поверхностных тканях тела. Это сопротивление зависит от скорости кровотока в коже. Последовательное течение этих реакций заканчивается, когда температура кожи становится равной температуре воды. Тепло из нагретых глубжележащих тканей продолжает поступать путем прямой кондукции к поверхности. При нахождении под водой человека без гидрозащитной одежды основным способом теплоотдачи является теплопроведение, причем значительной потере тепла способствуют подвижность воды и передвижение самого водолаза. Человек нагревает своим телом все новые и новые слои воды, что приводит к более быстрой, чем на воздухе, потере тепла. При значительном превышении теплопотерь над теплопродукцией у человека, находящегося в холодной воде, быстро снижается температура тела и развиваются симптомы переохлаждения, переходящие от функциональных к патологическим. При использовании гидрозащитной и теплозащитной одежды водолаза теплопотери организма происходят в основном не путем проведения, как при непосредственном соприкосновении с ней, а в основном путем теплоизлучения на охлаждающую внутреннюю поверхность скафандра (отрицательная тепловая радиация), которое в 4 раза превышает теплоотдачу проведением.

С точки зрения уменьшения теплопотерь у водолазов предпочтение следует отдавать вентилируемому снаряжению. Воздушная подушка скафандра, являясь хорошим теплоизолятором, уменьшает теплоотдачу и при той же температуре воды сохраняет температуру тела на более высоком уровне, чем гидрокомбинезон или гидрокостюм, в которых имеется лишь незначительная воздушная прослойка. В гидрокомбинезоне (гидрокостюме) охлаждаются голова и область шеи, а при дыхании в аппарате усиливаются теплопотери с дыхательных путей. Особенно чувствительны к холоду у водолазов дистальные отделы ног. При обычном вертикальном положении водолаза под водой замерзание начинается с пальцев ног, что в значительной степени объясняется обжатием водой нижних конечностей. В последующем водолазы обычно предъявляют жалобы на замерзание рук, спины и поясницы. Менее чувствительны к холоду лицо, грудь, живот и ладони.

Освещенность и видимость

Видимость в водной среде значительно хуже, чем в воздушной, что объясняется рядом причин. Освещенность под водой обычно невелика, в особенности на больших глубинах, а при восходе и закате солнца -- и на малых. В середине дня в поверхностных слоях прозрачной воды освещенность остается достаточно высокой.

Одной из причин ухудшения видимости в воде является потеря света за счет отражения солнечных лучей от зеркала моря. Количество отраженных от поверхности воды лучей зависит в основном от угла их падения на воду. Чем больше угол падения, тем больше отражение. В дневное время, когда в средних широтах угол падения солнечных лучей невелик (менее 30°), поверхность воды отражает всего 2 % лучей. В утреннее и вечернее время, когда угол падения приближается к 60°, количество отраженных лучей возрастает до 21 %. При волнении моря количество отраженных лучей становится во много раз больше.

Свет распространяется в воде значительно хуже, чем в воздухе. Так, например, если в воздухе при ясной погоде на 1 км пути поглощается всего 5-10% света, то в прозрачной (дистиллированной) воде на протяжении 1 м поглощается 10% световой энергии, в водопроводной воде - более 25%, в озерной воде, -- свыше 50%, а в воде рек и у берегов морей, особенно в штормовую погоду, поглощение световой энергии на 1 м пути увеличивается до 85--95 %.

Поглощение света водой значительно ухудшает видимость в водной среде. Поглощение световой энергии осуществляется разными путями. Часть энергии, проходя через воду, превращается в другие виды энергии, например в теплоту. Еще большее влияние на степень видимости в воде оказывает рассеивание световой энергии. Кроме значительного молекулярного рассеивания огромное значение имеют рассеивание и поглощение света постоянно находящимися в воде взвешенными твердыми частицами, в результате чего возникает явление «дымки», уменьшающей прозрачность воды. Количество взвешенных частиц значительно возрастает, особенно на малых глубинах вблизи береговой черты.

При больших коэффициентах поглощения и рассеивания света зрительные восприятия в воде далеко расположенных объектов становятся невозможными. При благоприятных метеорологических условиях (солнечный день, штиль) и прозрачной воде удовлетворительная освещенность, дающая водолазу возможность различать предметы на близком расстоянии, отмечается на глубинах до 50 м. Водолаз может ясно видеть предметы на расстоянии 5-6 м. На глубине 100 м водолаз может различать предметы только на очень близком расстоянии (1-2 м). На глубины более 100 м свет проникает настолько слабо, что даже в хорошую солнечную погоду водолаз практически находится в темноте. При неблагоприятных метеорологических условиях (пасмурная погода, шторм) освещенность под водой резко падает, видимость предметов на больших глубинах отсутствует, и водолаз без использования подводного светильника вынужден работать практически на ощупь. В морской воде, менее прозрачной по сравнению с океанской, в большей степени проявляется влияние «дымки», в связи с чем видимость предметов при естественном освещении прекращается уже на глубинах 40-60 м, а на Балтийском море -- на значительно меньших глубинах. В некоторых случаях видимость измеряется всего лишь несколькими метрами или даже долями метра. При поглощении 95 % света на 1 м пути уменьшение освещенности идет настолько быстро, что даже при самых оптимальных условиях, например при освещенности в 50 000 - 100 000 лк, на поверхности воды в середине летнего дня на глубине 3 м она падает до 7-14 лк, а на глубине 4м - до 0,3-0,6 лк, что соответствует освещенности в лунную ночь.

Наибольшая глубина, на которой с поверхности воды можно видеть погруженные под воду белые диски Секки диаметром 30 см, составила 67 м (в южной части Тихого океана). С увеличением глубины контраст между диском и водным фоном становится ниже порога различения. В Черном море вдали от берегов диски перестают различаться на глубине 25 м, в Балтийском море - на глубине от 7 до 13 м. В воде рек и озер диск может стать невидимым уже на глубине 0,5-1,5 м.

Поглощение лучей с различной длиной волны идет неравномерно. Красные лучи (длинноволновая часть видимого спектра) почти полностью поглощаются поверхностными слоями воды, зеленые лучи не проникают глубже 100 м, а коротковолновая часть (фиолетовые лучи) в наиболее прозрачной океанской воде может проникать на глубину до 1000-1500 м.

Таблица видимости под водой

Влияние водной среды на функции зрительного анализатора

В водной среде из-за ее особых физических свойств изменяется деятельность зрительного анализатора. Помимо вышеизложенных факторов понижения освещенности и ухудшения видимости в воде это объясняется также характеристиками преломляющих сил водной среды и сред глаза.

Преломляющие среды глаза (роговица, влага передней камеры глаза, различные слои хрусталика и стекловидное тело) имеют разные коэффициенты преломления (рефракции). Общая преломляющая сила отдельных сред и всего глаза представляет собой арифметическую сумму положительных и отрицательных показателей силы преломления отдельных составляющих элементов. При аккомодации в состоянии покоя преломляющая сила глаза составляет около 62 диоптрий, из которых 43 диоптрии падает на долю роговицы и 19 - на долю хрусталика. Путем аккомодации преломляющая сила хрусталика может быть увеличена примерно на 10 диоптрий в возрасте 20 лет и на 4,5 диоптрии - в возрасте 40 лет. Такая преломляющая сила глаза при аккомодации в покое наблюдается только при проникновении световых лучей из воздушной среды, имеющей коэффициент преломления 1,0, в преломляющие среды глаза, имеющие коэффициент преломления от 1,336 до 1,406. В воде преломляющая сила резко уменьшается, поскольку коэффициент преломления воды (1,33299 при 20 °С и 760 мм рт.ст.) приближается к показателю преломления роговицы (1,376).

Преломляющая сила значительно утрачивается, и при непосредственном соприкосновении с водой глаз становится гиперметропическим в такой степени, что аккомодационные усилия не могут ее компенсировать. В результате все видимые в водной среде предметы проецируются на сетчатке в кругах светорассеяния, а острота зрения резко ухудшается (в 100-200 раз). Если глаз с нормальной остротой зрения способен воспринимать раздельно две точки при минимальном угловом расстоянии между ними, равном 1о (т.е. на расстоянии 50 см может различать нити толщиной около 0,05 мм), то в воде остаются невидимыми все объекты, толщина которых меньше 3-5 мм. При уменьшении освещенности, а также плохой контрастности между фоном и объектом острота зрения падает еще больше.

При непосредственном соприкосновении глаз с водой уменьшается также поле зрения. Это происходит вследствие уменьшения преломления световых лучей, попадающих в глаз из водной среды. При этом на краевых частях сетчатки уже не получается изображения тех точек внешнего пространства, которые проецируются на них в воздушной среде.

При наличии между водой и глазом воздушной прослойки преломляющая сила глаза полностью сохраняется, поскольку световые лучи проникают через стекла иллюминаторов или очков в глазные яблоки не из водной, а из воздушной среды. В этом случае уменьшение полей зрения связано с размерами иллюминатора или очков и расстоянием от них до глаза.

Наличие воздушной прослойки между водой и преломляющими средами глаза нарушает привычные представления о местоположении и величине предметов, находящихся в воде. Нарушение пространственного зрения связано с тем, что световые лучи, переходя из водной среды в воздушную, претерпевают преломление (явление рефракции), в результате чего предметы вводе воспринимаются увеличенными и приближенными примерно на 1/4, а при наблюдении сверху кажутся приподнятыми. Расстояния между различными объектами воспринимаются неизменными. Расположение и величина предметов под водой после некоторой тренировки оцениваются более верно, чем при первых погружениях, что обусловлено образованием новых условнорефлектор-ных связей.

В исследованиях после выполнения упражнения по подводному плаванию выявлено отсутствие изменений поля зрения и понижение внутриглазного давления на 1-2 мм рт.ст. у большинства спортсменов-подводников, что является положительным фактором, так как понижение внутриглазного давления или сохранение его исходных величин создает благоприятные условия для ликвидации кислородного голодания, испытываемого тканями глаз, когда спортсмен находится под водой.

Влияние водной среды на функции слухового анализатора

Функция слухового анализатора во время пребывания водолаза под водой изменяется в связи изменением соотношения между воздушной и костной проводимостью звуковых волн к внутреннему уху, а также с изменением скорости распространения звука в воде.

В воздушной среде у людей с нормальным состоянием звукопроводящего аппарата воздушная проводимость значительно преобладает над костной. При погружении человека в воду на первое место выступает костная проводимость. Это происходит в результате того, что акустическое сопротивление воды приближается к акустическому сопротивлению тканей организма, а потому при переходе звуковых колебаний из воды на кожный покров и кости черепа их потери значительно меньше, чем в воздушной среде. В связи с этим воздушная проводимость в воде практически исчезает. Сохраняются лишь слабые звуковые колебания, передаваемые водой воздушной прослойке, остающейся в наружном слуховом проходе.

Преобладание той или иной звукопроводимости зависит от типа водолазного снаряжения. При погружении под воду в вентилируемом скафандре с металлическим объемным шлемом, заполненным воздухом, звук воспринимается путем воздушной проводимости. Если голова подводного пловца или водолаза непосредственно соприкасается с водой или применяется плотно прилегающий шлем, то звук передается во внутреннее ухо посредством костной проводимости.

Поглощение звука в воде весьма незначительно. Отсюда большая дальность его распространения в воде по сравнению с воздухом. Источник звука мощностью 1 кВт слышится под водой на расстоянии до 35-40 км, в то время как на воздухе источник звука мощностью 100 кВт слышится на расстоянии до 15 км.

Поскольку звук распространяется в воде с меньшими потерями, чем в воздухе, при одной и той же физической силе звука он должен был бы доходить на более далекое расстояние, чем на поверхности. Однако у водолаза, одетого в скафандр, при переходе звуковой волны из воды через металл в воздушное подшлемное пространство значительная часть звуковой энергии теряется вследствие отражения звука. Кроме того, наличие в воде подводных объектов и фитопланктона сильно мешает распространению звука. Хорошему восприятию звука мешает также шум воздуха, подаваемого для вентиляции скафандра. Поэтому, несмотря на лучшие условия проведения звука под водой, в ряде случаев звук одной и той же силы в водной среде водолаз будет слышать даже хуже, чем в воздушной.

Звуки, генерируемые под водой, резко ослабляются при переходе в воздушную среду атмосферы. Переход звука из воздушной среды в водную сопровождается еще большей потерей звуковой энергии, так как 99,9% ее отражается от раздела двух сред. Вследствие этого непосредственная связь между водолазом и персоналом, обеспечивающим спуск, без специальных технических средств невозможна.

Производимые под водой звуки могут быть восприняты человеком, частично погруженным в воду. При этом костная проводимость будет тем больше, чем меньше будет расстояние между погруженными частями тела и головой. Наибольшее усиление звука произойдет при погружении нижней части головы. При переходе звука из одной среды в другую меняется его частота. Характерно, что человек, погруженный в воду по шею, услышит дважды одиночный звук удара по металлическому предмету, частично погруженному в воду: первый короткий звук с более высоким тоном - подводный звук и второй, более длительный и низкочастотный - надводный.

Определение человеком направления на источник звука в воздушной среде основано, во-первых, на разности времени прихода звука в правое и левое ухо, во-вторых, на изменении интенсивности звука, воспринимаемого каждым ухом при различных углах поворота головы, в-третьих, на разности фаз звуковой волны. Лица, имеющие нормальный слух, могут определять местоположение источника звука с достаточно большой точностью. После некоторой тренировки средняя ошибка у большинства людей не превышает 3°, что соответствует разнице прихода звука в правое и левое ухо в 3 * 10-5 с. У некоторый людей эта точность может доходить до 1°.

В водной среде условия для определения направления на генератор звука менее благоприятны, чем в воздушной. Вода является хорошим проводником звука. Средняя скорость распространения звука в морской воде составляет 1510 - 1550 м/с при 17°С, а в пресной воде - 1497 м/с при 25 °С, т.е. скорость звука в воде примерно в 4,5 раза больше, чем в атмосфере (331 м/с при 0°С, 346 м/с при 25 °С). Поэтому при одной и той же частоте колебаний длина звуковой волны увеличивается в 4 - 5 раз. Соответственно должна возрастать и величина ошибки с 3 до 12-15°. Однако наблюдения за водолазами показывают, что вместо этих теоретически ожидаемых значений величина ошибки достигает 80 - 100° и даже 180°. Причина добавочной ошибки заключается в наличии вокруг головы объемного шлема, а при использовании мягкого шлема или непосредственном воздействии воды - в преобладании костной проводимости. Независимо от положения тела относительно источника звука звуковые волны доходят до обоих ушей практически одновременно. Звук воспринимается как бы слышимым со всех сторон или как бы происходящим внутри шлема. Даже у опытных водолазов отклонение от фактического направления на источник звука может составлять 90 - 100°. Нарушение бинаурального восприятия звука затрудняет ориентацию. Это значительно усложняет операции по поиску под водой источников излучения (буи, «черные ящики», учебные торпеды и т.д.).

Влияние водной среды на функции проприоцептпивного и кожного анализаторов

Изменения функций проприоцептивного и кожного анализаторов у водолазов связано с уменьшением веса тела в водной среде (гипогравитацией), увеличением сопротивления плотной среды при движениях, использованием специальных грузов для погашения положительной плавучести, обжатием участков тела гидростатическим давлением, повышенной по сравнению с воздухом теплопроводностью и рядом других факторов.

Выраженные изменения происходят в деятельности двигательного анализатора. Резкое уменьшение веса тела в воде вызывает изменение афферентной импульсации от механо- и проприорецепторов кожи, мышц и суставов, что приводит к снижению чувствительности центров движения. На фоне значительного ухудшения временных и пространственных характеристик движения силовые показатели изменяются относительно мало, особенно при значительных усилиях. При компенсации гипогравитации грузами, адекватными типу снаряжения и способу его использования, пространственные характеристики движений могут быть почти полностью восстановлены. Высокая пластичность нервной системы позволяет организму водолаза или подводного пловца после соответствующей тренировки приспособиться к условиям водной среды. Чем больше стаж работы в водной среде, тем меньше нарушаются функции двигательного анализатора, а водолаз чувствует большую уверенность при различных ситуациях под водой. При одинаковом стаже работы известное значение имеют также уровень физического развития и степень физической подготовленности. У водолазов и спортсменов-подводников высокой квалификации проприоцептивная чувствительность нарушается меньше, чем у неподготовленных лиц.