Физические и физиологические особенности подводных погружений. Основные законы газо- и гидродинамики

Учебное пособие

По первоначальной подготовке космонавтов и специалистов

РГИИЦПК им.Ю.А.Гагарина к работам в условиях

Моделированной невесомости в гидросреде

С использованием водолазного снаряжения

(Проект)

Разработано в соответствии с требованиями ТЗ

на НИР "Процедура", (п.2.3.1 ТЗ на НИР)

Звездный городок

Г.

ОГЛАВЛЕНИЕ:

1.	Введение
2.	Физические и физиологические особенности подводных погружений. Основные законы газо-и гидродинамики
2.1.	Воздух и его свойства
2.1.1.	Состав воздуха
2.1.2.	Давление воздуха
2.1.3.	Законы газовой динамики
2.1.4.	Воздействие газов, входящих в состав воздуха, на организм человека
2.2.	Вода и ее свойства
2.2.1.	Плотность воды
2.2.2.	Температура воды
2.2.3.	Теплопроводность и теплоемкость воды
2.2.4.	Прозрачность воды
2.2.5.	Законы гидростатики и гидродинамики
2.3.	Влияние водной среды на организм человека
2.3.1.	Влияние давления воды
2.3.2.	Теплообмен в воде
2.3.3.	Зрение под водой
2.3.4.	Плавучесть и остойчивость в воде
3.	Общие положения, особенности устройства водолазного снаряжения
3.1	Классификация водолазного снаряжения
3.2	Воздушно-баллонные блоки
3.3	Маска
3.4	Гидрокостюмы
3.5	Ласты
3.6	Подводные приборы
3.7	Компенсатор плавучести
	Водолазное снаряжение, воздушно-баллонного типа, с открытой схемой дыхания
4.1	Дыхательный аппарат АВМ- 5
4.2.	Дыхательный аппарат АВМ- 12
4.3.	Шланговый воздушно-дыхательный аппарат ЩАП-96
4.4.	Гидрокомбинезон УГК
5.	Организация водолазных спусков и техника безопасности при подводных работах
6.	Действия водолаза в нештатных ситуациях, типовые способы устранения возможных неисправностей водолазного снаряжения и оборудования при водолазных спусках
7.	Профессиональные заболевания водолазов работающих в условиях повышенного давления
8.	Перечень контрольных вопросов для подготовки к зачету на допуск к погружениям в водолазном снаряжении
9.	Таблицы
10.	Перечень практических упражнений выполняемых при контрольном погружении
11.	Визуальная связь между водолазами
12.	Сигналы визуальной связи между водолазами

В В Е Д Е Н И Е.

При развёртывании и эксплуатации пилотируемых космических комплексов исключительно большое значение приобретает работа экипажа в открытом космосе в выходных космических скафандрах, такую работу принято называть внекорабельной деятельностью (ВКД).

Для отработки операций ВКД наибольшее распространение получили два метода моделирования невесомости: метод имитации невесомости в условиях гидросреды и метод полета по параболе на самолете- лаборатории. Каждый из методов при привитии навыков по работе в невесомости дополняет друг друга, и они органично входят в единый тренировочный процесс.

Метод имитации невесомости в гидросреде позволяет отрабатывать большинство операций ВКД в реальном масштабе времени на полноразмерных макетах космических объектов. Этот метод основан на помещении объектов (в т.ч. операторов в макетах выходных скафандров) в воду и придании им нейтральной плавучести и безразличного равновесия.

Использование метода имитации невесомости в гидросреде для профессиональной подготовки экипажей к ВКД вызывает необходимость обучения космонавтов и специалистов, обеспечивающих соответствующие испытания и тренировки (методистов, страхующих водолазов, операторов подводной видеосъёмки и др.), основам водолазного дела.

Современное водолазное дело это область научной и практической деятельности человека, связанная с погружением человека под воду в водолазном снаряжении.

Водолазные спуски относятся к опасным видам работ и требуют тщательной подготовки. Водолазу необходимо в совершенстве изучить устройство и правила эксплуатации водолазной техники, организацию и технологию водолазных работ, требования техники безопасности при их выполнении. Изучив основы медицинского обеспечения водолазных работ, водолаз должен получить представление о тех физиологических процессах, которые происходят в человеческом организме в водной среде и под повышенным давлением, чтобы предупредить возможные специфические заболевания и своевременно оказать помощь себе или другому пострадавшему водолазу.

Настоящее учебное пособие предназначено для космонавтов, специалистов РГНИИЦПК им. Ю.А.Гагарина и других организаций, проходящих подготовку к работам в условиях моделированной невесомости в гидросреде по квалификациям "нештатный водолаз" и "офицер-водолаз".

В учебном пособии использованы действующие руководящие и нормативные документы по организации и методике водолазных спусков и их медико-санитарному обеспечению, а также справочные и учебные пособия:

Правила водолазной службы Военно-Морского Флота. ПВС ВМФ-85. Часть1; часть III. - М.: Воениздат, 1987;

Единые правила безопасности труда на водолазных работах. РД 31.84.01-90. Часть 1. Правила водолазной службы; часть II. Медицинское обеспечение водолазов. - М., 1992;

Смолин В.В., Соколов Г.М., Павлов Б.Н. Медико-санитарное обеспечение водолазных спусков: Руководство для водолазных врачей и фельдшеров. - М.: Фирма "Слово", 1999;

Орлов Д.В., Сафонов М.В. Акваланг и подводное плавание. Подводный клуб Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, 1998;

Физические и физиологические особенности подводных погружений. Основные законы газо- и гидродинамики

Воздух и его свойства

Состав воздуха

Давление воздуха

Масса воздуха, составляющая атмосферу Земли, оказывает своим весом на ее поверхность определенное давление, которое называется атмосферным. Измеренное на уровне моря при температуре 0°С атмосферное давление уравновешивается в трубке сечением 1 см² барометра столбом ртути высотой 760мм или столбом воды высотой 10,33 м, что соответствует давлению на 1 см² поверхности с силой 1,033 кгс (или 10,1325Н). Эта величина носит название физической атмосферы (атм).

1 атм = 760 мм рт.ст. = 10,33 м вод.ст. = 1,033 кгс/см² = 101325 Н/м²

Атмосферное давление (барометрическое), равное 1 атм, называется нормальным.

В технике для удобства расчетов за единицу давления принимается техническая атмосфера (ат), что соответствует давлению на 1 см² поверхности силы в 1 кгс, или 1 Н на 1 м² (в системе СИ):

1 ат = 1 кгс/см² = 10^s Н/м² = 10 м вод.ст.,

т.е. одна техническая атмосфера соответствует давлению10 м водяного столба (в честь французского ученого 17 века Б.Паскаляединицадавления 1 Н/м² называется паскалем - обозначается Па).

Давление сверх атмосферного называется избыточнымдавлением.Избыточное давление измеряется манометрами, и поэтому часто оно называется манометрическим давлением.Сумма избыточного и атмосферного давлений называетсяабсолютным давлением.

Р_абс= Р_изб + Р_атмгде:

(1)

Рис.1. Давление воздуха и воды

Р_изб - избыточное давление (измеряется в технических атмосферах и обозначается ати - атмосфера техническая избыточная);

Р_абс - абсолютное давление (измеряется в технических атмосферах и обозначается ата - атмосфера техническая абсолютная).Для упрощенных расчетов атмосферное давление рассчитается постоянным и равным 1 атм, тогда

Р_абс = Р_изб+1атм (2)

Таким образом, на каждые 10 метров глубины погружения избыточное давление увеличивается на1 атм (1кгс/см²).

Состояние любого газа или газовой смеси определяется четырьмяосновными параметрами, объемом V,давлением р, температурой Т, массой М, которые находятся во взаимозависимости, определяемой рассмотренныминиже газовыми законами.

Законы газовой динамики

Закон Бойля-Мариотта.(Изотермическийпроцесс). Для данной массы газа М при постоянной температуреТ его объемобратно пропорционален давлению р:

pV = const (3)

Иными словами, справедливы равенства

p₁V₁=p₂V₂ или

p₁/p₂=V₂/V₁(4)

где:

р₁,р₂. - соответственно начальное и конечное давление газа;

V₁, V₂- - соответственно начальный и конечный объем газа.

Проще говоря,во сколько раз увеличивается давление, во столько раз уменьшается объём.Пользуясь этим законом,можно понять, почему с ростом глубины погружениявозрастает расход воздухадля дыхания подводного пловца, а также рассчитать время пребывания подводой.

Закон Шарля(Изохорный процесс). Для данной массы газаМ припостоянном объёмеV обеление р прямо пропорциональноизменению абсолютной температурыТ:

p_t = p₀a_pT (5)

где:

p_t - давление газа при абсолютной температуре Т;

р₀ - давление газа при температуре 0°С;

a_p - температурный коэффициент давления газов, равный 1/273 К^-1;

Т - абсолютная температура газа, К (по шкале Кельвина).

Закон Гей-Люссака (Изобарный процесс).Для данной массыгаза М припостоянном давлении р объем газа V прямо пропорционален изменению его абсолютной температурыТ:

V_T=V₀a_VT (6)

где:

V_T- объем газа при абсолютной температуреТ;

V₀- объем газа при температуре 0 ⁰С;

Т - абсолютная температура газа, К;

a_V -температурный коэффициент объемного расширениягазов,равный 1/273 К^-1.

Часто для решения практических задач удобнее зависимости (5) и (6) выражать в виде:

p₁/р₂ = Т₁/T₂ (7)

V₁/V₂=Т₁/T₂(8)

где:

p_1Ир₂- начальное и конечное давление газовпри постоянном объеме;

V₁ и V₂-начальный и конечный объем газов при постоянном давлении;

Т₁ и T₂- начальная и конечная абсолютные температурыгазов.Абсолютная температура Т по шкале Кельвина (К) итемпература t по шкале Цельсия (°С) связаны между собой соотношением:

Т = t + 273 (9)

Приведенные зависимости, выражающие законы Шарля и Гей-Люссака, позволяют решать важные практические задачи при подготовке и планировании подводных погружений, такие, например, как определение давления воздуха в баллонах при изменении температуры, соответствующие ему изменение запасов воздуха и времени пребывания на данной глубине и т. п.

Закон Дальтона. Давление смеси газов равно сумме парциальных (частичных) давлений отдельных газов, составляющих смесь, т.е. тех давлений, которые производил бы каждыйгаз в отдельности, еслибыон был взят при той же температуре в объеме смеси.

Парциальное давление газа р_г, пропорционально процентному содержанию n данного газа и величине абсолютного давления р_абс газовой смеси и определяется по формуле:

р_г = р_абс n/100 (10)

Рис. 5 Парциальное давление газов. Рис б. Иллюстрация закона Генри

Проиллюстрировать данный закон можно,сравнив смесь газов в замкнутом объеме с набором гирь различного веса, положенных на весы. Очевидно, что каждая из гирь будет оказывать давление на чашу весов независимо от наличия на ней других гирь.

Закон Генри.Количество газа, растворенного в жидкости, прямопропорционально его парциальному давлению.

Поскольку парциальное давление отражаетфактическое количествогаза,поступающего в организм, знание парциальныхдавлений газов всмеси позволяет правильно оценить действие этих газов, сильно изменяющееся в зависимости от величиныабсолютного давления р_абс.