3 fizica scufundarii

Manualul de instrucţie al scafandrului

CAPITOLUL I

Elemente generale de fizica scufundării

Cea mai mare parte a persoanelor neiniţiate în problemele de pătrundere a omului sub apă, au tendinţa de a-şi imagina că este suficient ca scafandrul să fie alimentat cu aer de la suprafaţă sau prin intermediul unui aparat autonom de respirat, ca el să se comporte şi să evolueze în mediul acvatic la fel ca în mediul terestru.

Situaţia reală este însă cu totul alta deoarece apa, datorită proprietăţilor sale fizice, foarte diferite de cele ale aerului, impune scafandrului o adaptare specială la acest nou mediu. Sub apă, coborârea pe verticală este însoţită de variaţii rapide de presiune şi de volum, precum şi de variaţii importante de densitate, temperatură şi salinitate. De asemenea, sub apă, schimburile de căldură sunt mai intense, iar pătrunderea luminii este mai slabă. În plus, diferenţa mare dintre densitatea apei şi cea a aerului conduce la creşterea rezistenţei hidrodinamice la deplasare, precum şi la încetinirea tuturor mişcărilor sub apă.

Aceste caracteristici ale apei, precum şi variaţiile acestora cu adâncimea, conduc la modificări importante ale parametrilor fiziologici ai organismului uman, ceea ce a făcut pe fiziologişti să considere această interacţiune dintre mediul acvatic şi organismul uman ca o „agresiune” la care scafandrul prin echipamentul de care dispune şi prin tehnicile pe care şi le-a însuşit, să se adapteze.

În acest capitol, sunt prezentate elemente generale privind fizica scufundării, elemente care stau la baza explicării aspectelor fiziologice ale scufundării, proiectării echipamentelor de scufundare, precum şi la stabilirea tehnicilor şi tehnologiilor de pătrundere a omului sub apă.

SECŢIUNEA 1Unităţi de măsură utilizate în activitatea de scufundare

În sistemul internaţional de unităţi de măsură ( SI ), având ca mărimi fundamentale masa, lungimea şi timpul, exprimate în kilograme ( kg ), metri ( m ) şi, respectiv, secunde ( s ), unitatea de măsură pentru presiune ( p ) este Newtonul pe metru pătrat ( N/m2 ), numit şi Pascal ( Pa ).

< p >SI = N/m2 = Pa

În practica scufundării, unitatea de măsură uzuală pentru presiune este barul (bar) :

1 bar = 1 daN/cm2 = 105 N/m2 = 105 Pa

În sistemul tehnic de unităţi de măsură (MKfS), având ca mărimi fundamentale forţa (greutatea), lungimea şi timpul exprimate în kilograme-forţă (kgf), metri (m) şi, respectiv, secunde (s), unitatea de măsură pentru presiune este kilogramul-forţă pe metru pătrat :

< p >MKfS = kgf/m2

În practica scufundării, se mai păstrează obiceiul de a se utiliza pentru exprimarea presiunii o unitate de măsură clasică numită atmosfera ( at ) :

1 at = 1 kgf/cm2 = 9,81 N/cm2 = 9,81 • 104 N/m2 = 9,81 • 104 Pa

Prin urmare, în aplicaţiile practice din domeniul scufundării, se poate considera, fără a face erori semnificative, că atmosfera este egală cu barul :

1 at = 9,81 • 104 N/m2 = 105 N/m2 = 1 bar

5


Această aproximaţie, admisă în domeniul scufundării, este justificată prin nivelul de precizie al manometrelor şi profundimetrelor utilizate în acest domeniu.

SECŢIUNEA a 2-aPresiunea atmosferică

Atmosfera reprezintă stratul de aer care înconjoară globul terestru. Acest strat de aer, numit atmosfera terestră, exercită la baza lui (la suprafaţa Pământului) o presiune numită presiunea atmosferică.

Presiunea atmosferică a fost pusă în evidenţă în anul 1643 de către Torricelli, cu ajutorul unui tub barometric umplut cu mercur şi răsturnat într-o cuvă conţinând mercur, constatându-se că presiunea atmosferică echilibrează presiunea exercitată de greutatea unei coloane de mercur cu înălţimea de 760 mm şi secţiunea de 1 cm2 la altitudinea de 0 metri, adică la nivelul mării. Această presiune este egală cu 1033 milibari, valoare care se aproximează ca egală cu 1 bar şi reprezintă valoarea standard a presiunii atmosferice la nivelul mării.

Aşa cum s-a menţionat mai sus, valoarea presiunii atmosferice scade o dată cu creşterea altitudinii, astfel la 2000 metri altitudine presiunea atmosferică este egală cu aproximativ 0,76 bar, la 5000 metri în jur de 0,5 bar iar la 30 000 metri este de 0,010 bar.

Cunoaşterea acestei variaţii a valorii presiunii atmosferice, o dată cu creşterea altitudinii, este importantă în stabilirea tabelelor de decompresie pentru executarea de scufundări în lacuri situate la mare altitudine, precum şi la stabilirea limitelor de timp şi de altitudine pentru zborul cu avionul sau elicopterul după efectuarea unei scufundări..

Presiunea atmosferică la o altitudine dată, a cărei valoare este exprimată în milimetri coloană de mercur se transformă în bari prin împărţirea acesteia la 760.

Presiunea atmosferică la nivelul mării, exprimată în scara barometrică (absolută), este de circa o atmosferă în scara absolută ( 1 ata ).

( pat )abs = 1 ata = 105 N/m2 ( sc.abs. ) = 1 bar ( sc.abs. )

SECŢIUNEA a 3-aPresiunea hidrostatică

Presiunea hidrostatică este o mărime fizică scalară care exprimă gradul de comprimare a unui fluid aflat în repaus, într-un punct din interiorul acestuia. Ea defineşte complet starea de tensiune a fluidului din punctul respectiv.

Presiunea hidrostatică se supune unor legi fundamentale care pot fi formulate astfel :a) presiunea care se exercită asupra unui corp scufundat într-un lichid este produsă de greutatea

coloanei de lichid aflate deasupra acelui corp;b) presiunea acţionează asupra obiectului din toate direcţiile;c) presiunea va acţiona întotdeauna perpendicular pe suprafaţa obiectului.

Există două scări pentru măsurarea presiunii : scara relativă (manometrică) si scara absolută (barometrică).

Scara relativă (manometrică) are ca origine (valoare 0) presiunea atmosferică. În această scară, presiunile mai mari ca presiunea atmosferică au valori pozitive (suprapresiuni), iar presiunile mai mici ca presiunea atmosferică au valori negative (depresiuni). În scara relativă, presiunea atmosferică este, deci, egală cu zero :

(pat)rel = 0

6


Scara absolută (barometrică) are ca origine vidul absolut . În această scară, toate presiunile au

valori pozitive. În scară absolută, presiunea atmosferică (pat)abs va fi egală cu 1 bar (1 ata). Astfel, presiunea într-un punct din interiorul

unui fluid, exprimată în scară absolută (p)abs este

egală cu presiunea în scară relativă (p)rel plus presiunea atmosferică exprimată în scară absolută

(pat)abs:(p)abs= (p)rel + (pat)abs

Trebuie menţionat faptul că, atunci când se măsoară presiunea cu ajutorul manometrului, fie că este vorba de presiunea aerului din butelie, fie că este vorba de adâncimea de imersie (măsurată cu profundimetru), presiunea va fi indicată întotdeauna în scară relativă.

Una din consecinţele legii generale a hidrostaticii este aceea că presiunea hidrostatică creşte liniar cu adâncimea conform relaţiei :

pabs = pat + ghunde,pat – presiunea atmosferică la suprafaţa apei - densitatea apei (= 1000 kg/m3 ( apă dulce )g - acceleraţia gravitaţională (g= 9,81m/s2 ≈10 m/s2)h - adâncimea, în metri, la care presiunea apei este pabs.

Astfel, la o adâncime de 10 metri, presiunea va fi :

în scară relativă p = 1000•10•10 N/m2= =105

N/m2 = 1 barîn scară absolută p = 1000•10•10 N/m2 + 105

N/m2 = 2•105 N/m2 = 2 barŢinând cont de legea generală de variaţie a hidrostaticii şi de relaţia între scările de exprimare

a presiunii, în tabelul următor se prezintă modul în care variază presiunea cu adâncimea în scară relativă şi în scară absolută.

Adâncimea H

Presiunea în scară relativă

(p)rel

+Presiunea atmosferică

în scară absolută

(pat)abs

=Presiunea în

scară absolută

(p)abs

0 m 0 + 1 bar = 1 bar10 m 1 bar + 1 bar = 2 bar20 m 2 bar + 1 bar = 3 bar30 m 3 bar + 1 bar = 4 bar40 m 4 bar + 1 bar = 5 bar50 m 5 bar + 1 bar = 6 bar60 m 6 bar + 1 bar = 7 bar70 m 7 bar + 1 bar = 8 bar

7

Figura 1.1 Variaţia presiunii hidrostatice funcţie de adâncime


În acest tabel, presiunile apei la diferite adâncimi au fost calculate pentru o densitate a apei de 1000 kg/m3, valabilă pentru apă dulce. Apa de mare are o densitate de aproximativ 1012 kg/m3, dar pentru adâncimi de până la 70 metri se poate considera aproximativ egală cu 1000 kg/m3 fără a face o eroare semnificativă, deoarece această eroare este inferioară erorii de precizie a unui aparat de măsură ca profundimetrul.

SECŢIUNEA a 4-aLegile gazelor. Compresibilitatea gazelor

Presiunea unui gaz depinde de numărul de particule din unitatea de volum (n/V). S-a constat experimental că ciocnirile dintre particulele gazului şi pereţii vasului care-l conţine sunt cu atât mai puternice cu cât temperatura la care se afla gazul este mai ridicată, întrucât agitaţia termică este mai mare. Deci, presiunea unui gaz depinde şi de temperatură.

De asemenea, prin încălzire gazele îşi măresc volumul, deci volumul unui gaz este dependent de temperatură. S-a demonstrat, de asemenea, că menţinând temperatura constantă şi mărind presiunea unui gaz, volumul lui se micşorează; deci volumul unui gaz depinde şi de presiune.

Cele trei mărimi: presiunea (p), volumul (V) şi temperatura (T) determină starea la care se află un gaz la un moment dat. Relaţiile matematice ce stabilesc variaţia acestor mărimi sunt date de anumite legi, cunoscute sub numele de legile gazelor.

Compresibilitatea gazelor este proprietatea corpurilor fluide (lichide şi gaze) de a-şi modifica volumul la modificarea presiunii.

Legea Boyle-Marriotte

Defineşte compresibilitatea fluidelor, adică atunci când presiunea creşte, volumul corpului fluid scade şi invers.

Deoarece gazele sunt mult mai compresibile decât lichidele, în practica scufundării lichidele vor fi considerate ca necompresibile.

Pentru a demonstra modificările de volum ale unui gaz la modificarea presiunii (în cazul scufundării, comprimarea gazului respirator ca urmare a creşterii presiunii apei) este prezentat următorul experiment.

Se introduce un recipient gradat răsturnat în apă. La suprafaţă, unde presiunea care acţionează asupra lui este presiunea atmosferică, 1 bar, are un volum de aer Vo. Se scufundă progresiv în apă, aceasta va intra în recipient, comprimând aerul conţinut de acesta. S-a constat că la adâncimea de 10 metri, unde presiunea apei este de 2 bar, volumul aerului conţinut de

recipient este egal cu ½ din volumul Vo. Pe măsură ce adâncimea creşte, volumul de aer scade, astfel că la adâncimea de 30 metri, unde presiunea este egală cu 4 bar, apa va

ocupa ¾ din volumul recipientului.

8

Figura 1.2 Variaţia volumului de gaz funcţie de adâncime (presiune)


Invers, la revenirea la suprafaţă, presiunea scade, aerul se dilată şi îndepărtează apa din recipient, astfel că la 10 metri va ocupa iarăşi ½ din Vo.

Acest experiment arată că volumul de aer se modifică invers proporţional cu presiunea în condiţiile în care temperatura este constantă, evidenţiind legea Boyle-Mariotte valabilă pentru o transformare izotermă, adică:

pV = constant unde, p este presiunea în scara absolută şi V este volumul masei de gaz.

Conform aceleiaşi legi, densitatea gazului va fi proporţională cu presiunea absolută, deci pe măsură ce va creşte presiunea, va creşte densitatea şi deci, va creşte efortul respirator al scafandrului. De aceea, la scufundările profunde se folosesc gaze uşoare pentru respirat (heliu).

În primii 10 metri, variaţiile de volum şi presiune sunt, în mod proporţional, mai importante decât la o adâncime mai mare (ex. o coborâre de la 30 metri la 70 metri echivalează, ca variaţie relativă, unei coborâri de la 0 metri la 30 metri).

În domeniul scufundării, această lege are consecinţe în ceea ce priveşte: compresoarele şi umplerea buteliilor; baro-trumatismele; construcţia de profundimetre sigure; consumul de aer funcţie de adâncime; echipament de scufundare cu “volum

constant”; geamanduri de securitate şi instalaţii de ridicat

subacvatice; accidentele de scufundare şi tratamentul lor.

Legea lui Charles

Compresibilitatea unui gaz este de asemenea influenţată de temperatură. Acest lucru, stabilit ştiinţific, este exprimat prin legea lui Charles:

La volum constant, presiunea unei mase determinate de gaz variază direct proporţional cu temperatura absolută.

P/T = constant la V = constant

Aceasta lege nu are importanţă directă pentru scufundarea în sine, în schimb ea interesează pentru gazele din aparatele folosite de scafandru, care sunt supuse la diferenţe de temperatură.

Consecinţele acestei legi apar la utilizarea recipienţilor de stocare a gazelor pe care scafandrul îi foloseşte la respirat sub apă, adică va apare o variaţie a presiunii în cursul încărcării, manevrării şi folosirii buteliilor. Dacă se modifică presiunea, se modifică şi temperatura şi invers.

9

Figura 1.3 Legea Boyle-Mariotte


SECŢIUNEA a 5-aAmestecuri de gaze. Legea lui Dalton

Un scafandru autonom utilizează pentru respiraţia sub apă aer livrat de aparatul de scufundare cu circuit deschis. Aerul utilizat în scufundare este chiar aerul atmosferic comprimat în buteliile aparatului cu ajutorul compresorului. Aerul atmosferic este însă un amestec natural de gaze.

În tabelul următor este prezentată compoziţia aerului, exprimată atât prin concentraţiile cât şi prin participaţiile volumice ale gazelor pure care ce-l compun. Suma concentraţiilor gazelor pure ce compun aerul este egală cu 100 %, iar suma participaţiilor volumice ale aceloraşi componente este egală cu 1.

Gazele ce compun aerulConcentraţiile

componentelor gazoase

Participaţiile volumice ale componentelor

gazoaseOxigen (O2) 20,93 % 0,2093Azot (N2) 78,10 % 0,7810Argon (Ar) 0,9325 % 0,009325Bioxid de carbon (CO2) 0,01 % 0,000100Hidrogen (H2) 0,0018 % 0,000018Neon (Ne) 0,0005 % 0,000005Kripton (Kr) 0,0001 % 0,000001Xenon (Xe) 0,000009 % 0,00000009

Este evident că, exceptând oxigenul şi azotul, suma concentraţiilor celorlalte gaze ce compun aerul este mai mică de 1 %. Din acest motiv, în carul problemelor legate de scufundarea cu aer, se poate considera că aerul este practic un amestec oxigen-azot, compus din 21 % oxigen şi 79 % azot. Deci, se poate scrie că :

VO2 + VN2 = 1La temperatură constantă, presiunea unui amestec de gaze este egală cu suma presiunilor

pe care le-ar avea fiecare din gazele componente dacă ar ocupa singur volumul total, sau altfel spus, presiunea amestecului de gaze este egală cu suma presiunilor parţiale ale gazelor pure care îl compun.

Aceasta este legea lui Dalton. Astfel, pentru aer se poate scrie :p aer = pO2 + pN2

Presiunile parţiale ale fiecărui gaz component al aerului se calculează cu relaţiile:pO2 = C%O2 • paer

pN2 = C%N2 • paer

Pentru aer la presiunea atmosferică (paer = 1 bar în scara absolută), presiunile parţiale ale celor două componente gazoase sunt :

pO2 = 0,21 • 1 bar = 0,21 bar (sc.abs.)pN2 = 0,79 • 1 bar = 0,79 bar (sc.abs.)

Suma presiunilor parţiale ale gazelor componente este evident egală cu presiunea amestecului gazos (aerul), deci, în acest caz, tocmai presiunea atmosferică :

p aer = pO2 + pN2 =0,21 bar + 0,79 bar = 1 bar (sc.abs.)Pentru aer la presiune de 5 bar (sc.abs.), presiunile parţiale ale oxigenului şi azotului vor fi:

pO2 = 0,21 • 5 bar = 1,05 bar (sc.abs.)

10


pN2 = 0,79 • 5 bar = 3,95 bar (sc.abs.)Şi în acest caz, suma presiunilor parţiale ale componentelor este egală cu presiunea

amestecului (aerului).În timpul scufundării, scafandrul respiră aer compus din 21 % oxigen şi 79 % azot, participaţiile volumice ale componentelor gazoase rămânând constante (VO2= 0,21 , VN2= 0,79), indiferent de adâncime.

Ţinând că aparatul de respirat sub apă cu aer este astfel conceput încât să permită scafandrului să respire aer la presiune egală cu presiunea adâncimii de imersie, rezultă că, în timpul coborârii, presiunea aerului respirat de scafandru creşte o dată cu creşterea adâncimii conform legii generale a hidrostaticii p = pat + ρgh. Deoarece în timpul coborârii, presiunea aerului respirat de scafandru din aparat creşte, vor creşte şi presiunile parţiale ale oxigenului şi azotului care îl compun (vezi tabelul următor).

Adâncimea de scufundare

h

Presiunea aerului respirat

paer

(sc.abs.)

Presiunile parţiale ale componentelor gazoase ale aerului

respirat

pO2

(sc.abs.)pN2

(sc.abs.)Suprafaţă 0 m 1 bar 0,21 bar 0,79 bar

10 m 2 bar 0,42 bar 1,58 bar20 m 3 bar 0,63 bar 2,37 bar30 m 4 bar 0,84 bar 3,16 bar40 m 5 bar 1,05 bar 3,95 bar50 m 6 bar 1,26 bar 4,74 bar60 m 7 bar 1,47 bar 5,53 bar70 m 8 bar 1,68 bar 6,32 bar

Cercetările de medicina scufundării limitează superior presiunea parţială a azotului la 5,3 bar (sc.abs.) pentru evitarea apariţiei fenomenului de „narcoză a azotului” („beţia adâncurilor”) şi presiunea parţială a oxigenului la 1,7 bar (sc.abs.) pentru preîntâmpinarea apariţiei crizei de hiperoxie datorată creşterii, peste limita critică, a nivelului de oxigen din amestecul respirator. Deci, rezultă că, la scufundările cu aer, „narcoza azotului” limitează scufundarea la 58 metri, iar criza hiperoxică limitează scufundarea la 70 metri. Ţinând cont de cele de mai sus, s-a considerat că limita maximă de scufundare cu aer nu trebuie să depăşească adâncimea de 60 metri, în acest fel evitându-se apariţia celor două fenomene deosebit de periculoase pentru scafandru.

Pentru scafandrii începători, care nu-şi cunosc comportamentul la „narcoză”, fenomen care îşi poate face apariţia şi la adâncimi cuprinse între 40 şi 50 metri, se recomandă ca aceştia să nu depăşească, în scufundarea cu aer, adâncimea de 40 metri.

Legea lui Dalton are consecinţe practice în :elaborarea tabelelor de scufundare;accidente datorate toxicităţii gazelor;adaptarea tabelelor de scufundare la altitudine;amestecuri respiratorii;oxigeno-terapie hiperbară.

SECŢIUNEA a 6-aDizolvarea gazelor în lichide

Gazele se dizolvă în lichidele cu care intră în contact. În condiţii obişnuite, fenomenul urmează legea lui Henry : la temperatură constantă, masa de gaz dizolvată într-un lichid, la saturaţie, variază

11


direct proporţional cu presiunea parţială a gazului aflat în contact cu lichidul. Dacă temperatura creşte, cantitatea de gaz dizolvat, la saturaţie, scade.

Cantitatea de gaze dizolvată în lichid, la saturaţie, este funcţie atât de tipul lichidului, cât şi de tipul gazului.

Pentru aer, cantitatea de gaz dizolvat va fi proporţională cu presiunea parţială a fiecărui gaz component. Spre exemplu, dacă aerul are o presiune de 4 bar, cantitatea de oxigen dizolvată în lichid va fi proporţională cu : PpO2 = 0,21 • 4 bar = 0,84 bar, iar cantitatea de azot dizolvată în acelaşi lichid va fi proporţională cu PpN2 = 3,16 bar.

Procesul invers dizolvării este degajarea (eliminarea) gazului din lichid, care se produce la scăderea presiunii. Procesul de eliminare a unui gaz dintr-un lichid este identic procesului de dizolvare. El se efectuează conform unei legi „exponenţiale” a timpului.

Saturaţia

Pentru o mai bună înţelegere a fenomenelor de dizolvare şi degajare, se propune următorul experiment. Se consideră un recipient ce conţine un lichid, iniţial degazat, deasupra căruia se constituie o pernă de gaz pur cu presiunea p. Gazul se va dizolva în lichid (se va produce absorţia gazului în lichid), până când lichidul se va satura cu gaz dizolvat.

Figura 1.4 Dizolvarea unui gaz într-un lichid (fenomenele de saturaţie, subsaturaţie şi suprasaturaţie)

Saturaţia unui lichid cu un gaz dizolvat corespunde cantităţii maxime de gaz pe care acest lichid o poate dizolva la temperatura şi presiune constantă. Saturaţia nu este atinsă imediat, curba dizolvării gazului în lichid fiind o funcţie exponenţială.

Pornind de la starea de echilibru, dacă se măreşte presiunea gazului liber (fig.1.4), cantitatea de gaz disponibil va creşte şi lichidul va începe să dizolve gaz, tinzând spre un nou nivel de saturaţie. Apare, în acest caz, un dezechilibru între presiunea gazului liber şi tensiunea gazului dizolvat (subsaturaţia), adică. presiunea gazului liber va fi mai mare.

Pornind de la aceeaşi stare de saturaţie, dacă se micşorează presiunea gazului liber, cantitatea de gaz dizolvat va deveni excedentară în raport cu cantitatea de gaz liber (suprasaturaţie), lichidul va elimina acest excedent, tinzând spre o nouă stare de echilibru (saturaţie). Şi în acest caz apare un dezechilibru între presiunea gazului liber şi tensiunea gazului dizolvat.

Legea lui Henry a fost enunţată avându-se în vedere un lichid şi un gaz. În cazul unui amestec gazos, legea rămâne valabilă, fiecare dintre gaze dizolvându-se în lichid în funcţie de presiunea sa parţială din amestec (legea lui Dalton).

Justificarea interesului reprezentat de legea lui Henry pentru scufundare este dat de următoarele aspecte:

corpul uman este compus în parte din lichide;

12


aceste lichide sunt în contact cu gazele prin intermediul plămânilor şi, ca urmare, în ele se dizolvă gaze;corpul uman este în mod obişnuit “saturat” cu gazele componente ale aerului la o presiune egală presiunea atmosferică standard (stadiul de saturaţie);când se execută scufundare, presiunea creşte şi drept consecinţă, se vor dizolva gaze în lichidele din corp (stadiul de subsaturaţie);când se revine la suprafaţă începe eliminarea gazelor (stadiul de suprasaturaţie). Aceasta eliminare trebuie să se facă în condiţii de siguranţă pentru a se evita accidentele fiziologice.

Funcţie de durata expunerii organismului uman la presiunea ambiantă se disting : expuneri de scurtă durată, medie şi lungă durată. Calculul gradului de expunere al organismului la presiunea ambiantă presupune determinarea presiunii parţiale a gazului inert dizolvat în toate ţesuturile acestuia. Fiind imposibilă luarea în calcul a tuturor ţesuturilor s-a stabilit pe cale experimentală ţesuturile reprezentative definite, nu ca structură, ci ca perioadă de saturaţie.

Gazul inert se dizolvă în apa şi lipidele organismului funcţie de presiune şi durata expunerii la presiunea respectivă. Timpul în care un ţesut dizolvă, la temperatură şi presiune constantă, jumătate din cantitatea totală posibilă de gaz inert din amestecul respirator, reprezintă perioada de saturaţie a ţesutului respective.

În cazul organismului uman trebuiesc luate în calcul mai multe ţesuturi pentru determinarea procedeului de revenire la presiunea atmosferică, ţesuturi care nu pot fi definite exact din punct de vedere fiziologic, dar varora li s-a atribuit prin experimentele efectuate, în mod arbitrar, o perioadă de saturaţie. Astfel ţesuturile pot fi clasificate în ţesuturi lente, medii sau rapide, ceea ce permite o anumită diversificare şi repartizare pentru cuantificarea în ansamblu a fenomenului saturare-desaturare.

Pe timpul compresiei şi lucrului sub apă, gazul inert se dizolvă în ţesuturi şi, în special, în lichidele organismului alunecând în golurile dintre molecule şi asigurând o bună coeziune structurii acestora. Dizolvarea este funcţie de temperatură. La o temperatură dată, cantitatea de gaz dizolvată într-un fluid este direct proporţională cu presiunea gazului de deasupra fluidului.

Tabelele de scufundare LH-82 iau în considerare ţesuturi cu următoarea perioadă de saturare: 10, 20, 40, 60, 80 şi 120 minute. În tabelul următor sunt prezentaţi timpii de saturare a ţesuturilor organismului funcţie de perioada de saturaţie :

Ţesut( min )

Perioade ( ore, minute )

1 2 3 4 5 6 7 850 % 75 % 87,5 % 93,75 % 96,87 % 98,43 % 99,21 % 99,6 %

10 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 1,00 1,10 1,2020 0,20 0,40 1,00 1,20 1,40 2,00 2,20 2,4040 0,40 1,20 2,00 2,40 3,20 4,00 4,40 5,2060 1,20 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,0080 1,20 2,40 4,00 5,20 6,40 8,00 9,20 10,40120 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00

Din tabel se poate observa că după aproximativ o oră, ţesutul de 10 minute este saturat 98,43%, cel de 20 minute 87,5%, cel de 60 minute minim 50% etc. Această constatare este foarte importantă pentru calculul tabelelor de scufundare, putându-se determina în orice moment raportul saturării diferitelor ţesuturi faţă de presiunea de referinţă.

13


Se consideră că un ţesut este saturat când raportul duratei de expunere la perioada de saturaţie este egal cu 6. Spre exemplu, un ţesut cu perioada de 120 minute se saturează după 120 • 6 min, adică după 12 ore de expunere.

Grafic, în figura 1.5, sunt reprezentate curbele de dizolvare şi eliminare a unui gaz de către ţesuturi pentru perioade de 7 minute, 30 minute, 60 minute, 120 minute.

Figura 1.5 Dizolvarea şi eliminarea unui gaz din ţesuturi

Examinarea acestui grafic pune în evidenţă aceeaşi realitate: prin punerea în contact, cu aceeaşi durată, cu acelaşi gaz, la o presiune constantă, ţesuturile de naturi diferite ating grade de saturaţie diferite, în funcţie de perioada lor faţă de gaz. Astfel, la o expunere de 2 ore:

un ţesut cu perioada 7 minute se va satura 100 %;un ţesut cu perioada 30 minute se va satura 93,75 %;un ţesut cu perioada 60 minute se va satura 75 %;un ţesut cu perioada 120 minute se va satura 50 %.

Desaturaţia

După executarea unei scufundări, scafandrii au încă dizolvat în ţesuturile organismului un surplus de gaz inert, ţesuturile continuând să se desatureze la presiunea atmosferică. Observaţia este foarte importantă pentru activitatea ulterioară a scafandrilor din mai multe puncte de vedere :

pot sa apară accidente de decompresie chiar şi după revenirea la presiunea atmosferică;scafandrii nu pot executa o nouă scufundare după tabela calculată anterior, decât după un anumit timp;

14


scafandrii nu pot pleca cu avionul din zona şantierului subacvatic, decât după un anumit timp.

Pentru scufundări unitare cu aer până la adâncimea de 60 metri, ţesutul director este cel de 40 minute. Desaturarea se produce după aceeaşi curbă exponenţială, deci putem aprecia că ţesutul de 40 minute se desaturează după 40 • 6 minute, adică după 4 ore.

În concluzie, pentru securitatea scafandrilor, după revenirea la presiunea atmosferică trebuie să rămână în preajma unui cheson de decompresie încă aproximativ 4 ore.

Scufundările unitare cu aer până la adâncimea de 60 metri sunt considerate scufundări cu expuneri de scurtă durată, care corespunde saturării ţesuturilor până la 80 minute. În această situaţie ţesutul de 80 minute se poate considera desaturat după 80 • 6 minute, adică după 8 ore.

În concluzie, pentru securitatea scafandrilor, aceştia nu pot executa o nouă scufundare cu caracteristicile celei de dinainte decât după 8 ore de staţionare la presiunea atmosferică. Orice scufundare executată la un interval mai mic de 8 ore se consideră scufundare succesivă, iar revenirea la presiune atmosferică se face după alte tabele de decompresie, în calculul cărora se ţine cont de gazul inert remanent din ţesuturile organismului la începutul scufundării succesive.

Ţinând cont de faptul că, după revenirea la presiunea atmosferică, ţesuturile continuă să se desatureze, un zbor cu avionul sau cu elicopterul imediat după scufundare poate provoca apariţia unui accident de decompresie. Pentru a evita acest lucru, se recomandă respectarea următoarelor reguli:

Ultima scufundareDupă cât timp se

poate zbura

Scufundare la o adâncime de peste 51 metri 12 oreScufundare cu ridicare în balon (blow-up) şi decompresie terapeutică 12 oreScufundare în grupa A 4 oreScufundare în grupa B 6 oreScufundare în grupa C 8 ore

Grupele A, B şi C sunt prezentate în tabelul de mai jos.Adâncime

(m)Timpul petrecut în imersie (minute)

Grupa A Grupa B Grupa C15 70 80 9018 60 70 8021 50 60 7024 40 50 6027 30 40 5030 25 30 4033 20 25 3036 15 20 3039 10 15 2542 10 15 2545 5 10 2048 5 10 1551 0 5 10

În cazul în care un scafandru a suferit un accident de scufundare ce necesită transportarea lui de urgenţă la un centru hiperbar specializat în tratarea accidentului, trebuie avut grijă ca timpul de deplasare să fie de maximum o oră, iar altitudinea să nu depăşească 900 de metri, pentru a nu agrava accidentul.

15


SECŢIUNEA a7-aPrincipiul lui Arhimede. Flotabilitatea scafandrului

În aer, greutatea unui obiect este considerată practic invariabilă. Greutatea menţine diferitele corpuri, deci şi corpul omenesc, la suprafaţa solului.

Sub apă, greutatea acestor corpuri continuă să existe dar, în plus, apa va exercita o forţă dirijată de jos în sus, egală cu greutatea lichidului dislocuit, ce se compune cu greutatea.

Principiul lui Arhimede

Un corp aflat în interiorul unui fluid este împins pe verticală, de jos în sus, cu o forţă egală cu greutatea volumului de fluid dislocuit. Acesta este principiul lui Arhimede şi este o consecinţă a forţelor de presiune pe suprafaţa oarecare ce mărgineşte corpul dat.

Forţa verticală de împingere în sus a corpului poartă numele de forţă arhimedică, se notează cu A şi are următoarea expresie :

A = ρ • g • Wunde ρ este densitatea fluidului, g – acceleraţia gravitaţională, iar W este volumul de fluid dislocuit.

Forţa arhimedică acţionează atât în lichide cât şi în gaze, la acestea din urmă fiind de cele mai multe ori neglijabilă datorită densităţii lor mult mai mici decât densitatea lichidelor.

Prin urmare, asupra unui corp scufundat într-un lichid acţionează două forţe :o forţă verticală dirijată de sus în jos, greutatea corpului, G;o forţă verticală dirijată de jos în sus, forţa arhimedică, A.

Diferenţa dintre forţa arhimedică A şi greutatea corpului G portă numele de flotabilitate, F : F = A – G

Funcţie de mărimea relativă a celor două forţe, există următoarele situaţii : dacă forţa arhimedică este mai mică decât greutatea ( A < G ), flotabilitatea este negativă (F<0), iar corpul capătă o mişcare de coborâre în lichid;dacă forţa arhimedică este mai mare decât greutatea ( A > G ), flotabilitatea este pozitivă (F>0), iar corpul se ridică către suprafaţă. După ce corpul ajunge la suprafaţă, acesta va ieşi din apă până când volumul de apă dislocuit va conduce la o forţă arhimedică egală cu greutatea corpului. În acest fel, corpul a devenit un plutitor de suprafaţă.dacă forţa arhimedică este egală cu greutatea (A = G), flotabilitatea este nulă (F = 0), iar corpul rămâne scufundat pe loc, nici nu urcă, nici nu coboară.

Ţinând cont de expresia flotabilităţii, rezultă : corpurile care au densitatea mai mică decât cea a apei, cum ar fi lemnul, neoprenul şi aerul, au o flotabilitate pozitivă, iar cele care au densitatea mai mare decât cea a apei, cum ar fi plumbul, oţelul şi aluminiul, au o flotabilitate negativă.

Flotabilitatea scafandrului

Corpul omenesc, fără nici un echipament, are o flotabilitate situată în jurul flotabilităţii nule. Aceasta deoarece densitatea medie a corpului uman este apropiată de densitatea mediului acvatic, corpul uman fiind alcătuit în proporţie de 70 % din apă. Cea mai mare parte din oameni au o flotabilitate pozitivă, având posibilitatea de a se menţine în plutire la suprafaţa apei fără efort, iar atunci când pătrund sub apă în scufundare liberă, au tendinţa de a reveni la suprafaţă. Foarte puţini oameni au o flotabilitate negativă, având tendinţa de a se scufunda. Există însă şi oameni care au o flotabilitate foarte apropiată de flotabilitatea nulă. Aceştia nici nu plutesc, dar nici nu se scufundă.

16


Unii oameni, funcţie de alcătuirea corpului şi de mărimea plămânilor, au o flotabilitate pozitivă naturală mai mare. Grăsimea are o densitate mai mică decât muşchii şi oasele ce alcătuiesc corpul uman şi, de aceea, oamenii graşi au o flotabilitate pozitivă ceva mai mare decât ceilalţi.

Flotabilitatea corpului uman poate fi controlată şi cu ajutorul plămânilor. La o inspiraţie completă, corpul uman are o flotabilitate mai mult decât suficientă pentru a pluti la suprafaţa apei cu faţa afară din apă. Prin urmare, controlând cantitatea de aer din plămâni, omul poate pluti fără efort la suprafaţa apei.

Scafandrul echipat complet, inclusiv cu centura de lestare, trebuie să aibă o flotabilitate apropiată de flotabilitatea nulă, astfel încât el să poată evolua sub apă cu mare uşurinţă. Atunci când flotabilitatea scafandrului echipat este nulă el se poate deplasa cu efort minim, în toate direcţiile sau poate staţiona, fără a face vreun efort, la adâncimea dorită. Senzaţia pe care o are un scafandru având flotabilitate nulă este asemănătoare cu aceea pe care o are un astronaut aflat în imponderabilitate.

Ca pentru orice corp imersat, asupra scafandrului aflat sub apă acţionează o forţă de greutate şi o forţă arhimedică. Greutatea este formată din greutatea scafandrului plus greutatea echipamentului. Forţa arhimedică este dată de volumul dislocuit de scafandru cu tot cu echipament.

În timpul scufundării, greutatea suferă o uşoară diminuare pe măsură ce scafandrul consumă aer din butelie. În rest, atâta timp cât scafandrul nu larghează vreo piesă de echipament, greutatea nu va suferi nici o modificare. Forţa arhimedică suferă, de asemenea, o foarte slabă diminuare pe măsură ce scafandrul coboară mai adânc, datorită comprimării bulelor de azot din neopren.

Ţinând cont de aceste considerente, se recomandă ca, la începerea coborârii sub apă, scafandrul echipat să aibă o uşoară flotabilitate negativă ceea ce îi uşurează coborârea, ca o dată ajuns la adâncimea de lucru flotabilitatea să ajungă să fie aproximativ nulă datorită diminuării cantităţii de aer din butelie, iar în timpul urcării către suprafaţă flotabilitatea să devină chiar pozitivă înlesnind astfel urcarea.

Evident, flotabilitatea scafandrului suferă uşoare modificări şi în timpul respiraţiei, datorită modificării forţei arhimedice. Astfel, în timpul inspiraţiei flotabilitatea scafandrului are o uşoară creştere, iar în timpul expiraţiei, flotabilitatea suferă o uşoară diminuare. De aceea, se spune că un scafandru este corect lestat dacă atunci când expiră are o uşoară tendinţă de a coborî, iar atunci când inspiră are tendinţa de a urca uşor (figura 1.6).

Figura 1.6 Flotabilitatea scafandrului

17


Scafandrul îşi poate regla flotabilitatea în timpul scufundării prin modificarea forţei arhimedice, cu ajutorul vestei de salvare-compensare.

Atunci când apar probleme sub apă şi scafandrul trebuie să iasă imediat la suprafaţă, acesta trebuie să facă o manevră care să conducă la creşterea flotabilităţii. Acest lucru se poate realiza fie prin micşorarea greutăţii, prin largarea centurii de lestare sau a altui element de echipament, fi prin umflarea vestei de salvare-compensare. Tot prin umflarea vestei de salvare-compensare scafandrul îşi poate asigura flotabilitatea pozitivă suficientă plutirii şi menţinerii fără efort la suprafaţa apei.

SECŢIUNEA a 8-aPenetraţia luminii în apă. Vederea sub apă

Sub apă, lumina scade pe măsură ce adâncimea creşte. Astfel, în apă limpede, la o adâncime de 5 metri, energia luminoasă este redusă la un sfert din valoarea sa, la 15 metri este redusă la 1/8, la 40 metri este redusă la 1/30. O parte din lumina solară se reflectă pe suprafaţa apei, o altă parte este absorbită şi transformată în căldură, iar o altă parte destul de importantă este difuzată de către moleculele de apă şi de către particulele solide aflate în suspensie în apă.

Domeniul vizibil al ansamblului de radiaţii emise de soare este cuprins între două lungimi de undă limită, una corespunzând ultravioletului iar cealaltă infraroşului. Spectrul solar pune în evidenţă existenţa celor şapte culori fundamentale (violet, indigo, albastru, verde, galben, portocaliu şi roşu), prin suprapunerea cărora se formează lumina albă.

Aceasta este absorbită în apă prin componentele ei, funcţie de lungimea de undă a fiecărei culori. Absorbţia este foarte puternică pentru roşu, deoarece are lungimea de undă cea mai mică. La 10 metri, această culoare împreună cu portocaliul este aproape absentă. Peste 20 metri, singurele culori care se păstrează sunt albastrul şi verdele.

Iluminarea artificială folosită pentru creşterea vizibilităţii sub apă sau pentru efectuarea de fotografii duce la reapariţia culorilor naturale, indiferent de adâncime.

Difuzia, din contră, este maximă pentru violet şi albastru. Lumina difuzată formează un ecran între ochi şi obiectele observate. Difuzia luminii, care este funcţie de suspensiile existente în apă, face ca vederea sub apă a scafandrului să fie mult îngreunată, chiar şi atunci când se foloseşte o sursă de lumină artificială. Din contră, dacă iluminarea nu este făcută corespunzător, ea poate amplifica difuzia.

Acest fenomen de difuziune a luminii apare, în special, în apele tulburi ale fluviilor, în zona barajelor hidroeneregetice, în zonele portuare, în zonele estuarelor, precum şi în apropierea epavelor, unde mişcările scafandrilor conduc la ridicarea unor nori de particule aflate în suspensie în apă. Fenomenul de difuziune a luminii, cu efectul său numit turbiditate, reprezintă un impediment major în munca scafandrilor, în fotografierea şi filmarea subacvatică sau în transmiterea de imagini subacvatice la suprafaţă.

În concluzie, vederea sub apă depinde de cantitatea de lumină care pătrunde în apă (aceasta fiind funcţie de gradul de acoperire cu nori a cerului şi de înălţimea Soarelui pe bolta cerească). De adâncime şi de nivelul de transparenţă al apei (inversul turbidităţii).

Un scufundător fără vizor (la care apa aderă direct la ochi) care deschide ochii sub apă va avea o imagine neclară a obiectelor aflate sub apă, chiar dacă aceasta este limpede. Această imagine foarte estompată este datorată indicelui de refracţie al apei care este 1,34 ( 4/3 ) şi care este foarte apropiat de indicii de refracţie ai mediilor transparente din ochiul uman (corneea, umoarea vitroasă, cristalinul, umoarea apoasă).

De aceea, sub apă, razele de lumină provenind de la obiectele observate se adună în focar mult în spatele retinei. Prin urmare, pe retină imaginea va fi neclară.

18


La scafandrii care sunt echipaţi cu vizor, vederea sub apă este mult mai bună, deoarece ochii sunt menţinuţi în perna de aer cuprinsă între vizor şi faţa scafandrului, fiind separaţi de apă printr-o suprafaţă plană şi transparentă, reprezentată prin geamul vizorului (figura 1.7).

a b c

Figura 1.7 Vederea umană a – în atmosferă, b – sub apă fără vizor, c – sub apă cu vizor

Astfel, scafandrul este într-o situaţie similară unui observator aflat în faţa unui acvariu. În acest caz, razele de lumină provenind de la obiectele observate şi care se îndreaptă spre ochi, nimeresc întâi în aer (care are indicele de refracţie 1) şi numai după aceea pătrund în ochi. Venind din apă şi căzând pe sticla planparalelă a vizorului, conform legilor opticii, razele ies din sticlă suferind o uşoară refracţie. Mai departe însă, trecând din aer în ochi, razele se refractă şi, în aceste condiţii, ochiul lucrează ca şi pe uscat.

Ca urmare a acestui fenomen de refracţie rezultă următoarele efecte specifice vederii sub apă printr-un vizor (figura 1.8):

dimensiunea aparentă a obiectelor observate este mai mare cu 1/3 faţă de dimensiunea reală (raportul este 4/3);distanţa aparentă faţă de obiectul observat este redusă cu 1/4 faţă de distanţa reală (raportul este 3/4);unghiul câmpului vizual este diminuat;dacă vederea este prea oblică în raport cu sticla vizorului, deformaţiile optice devin considerabile

Figura 1.8 Efectele specifice vederii sub apă printr-un vizor

19


SECŢIUNEA a 9-aPropagarea sunetelor şi ultrasunetelor în apă

Sunetele au o frecvenţă cuprinsă între 16 cicli/sec pentru cele mai grave şi de 16 000 cicli/sec pentru cele mai ascuţite. Vibraţiile cu frecvenţă mai mare, neperceptibile pentru urechea umană, sunt ultrasunetele.

Sunetele şi ultrasunetele se propagă în apă cu o viteză de circa 1 500 m/s, deci cu op viteză de propagare (celeritate) mult mai mare decât viteza de propagare din aer care este de circa 300 m/s. Deci, viteza sunetului în apă este de aproximativ cinci ori mai mare decât în aer.

Anumite zgomote subacvatice, aşa cum sunt cele produse de elicele şi motoarele ambarcaţiunilor sau de exploziile subacvatice, pot fi auzite de către scafandri la distanţe foarte mari sub apă. În ciuda acestui fapt, vocea umană este dificil de folosit pentru comunicarea sub apă. În primul rând, vorbirea este îngreunată de existenţa piesei bucale a detentorului şi de dificultatea de a deschide gura pentru a articula câteva sunete fără să intre apă. Dar, chiar dacă s-ar utiliza măşti faciale prevăzute cu piese oro-nazale, comunicarea sub apă prin vorbire ar fi foarte dificilă, deoarece sunetele pătrund mai greu din aer în apă şi din apă în aer, astfel încât, practic, doar 1/10 000 din sunet este auzit.

20

3 fizica scufundarii

Documents