Физика погружения: что происходит с воздухом под водой

На поверхности в вашем баллоне 2400 литров воздуха. На 30 метрах его хватит на 30 минут. На 60 — на 15. Физика не торгуется.

В баллоне дайвера — обычный воздух. Не кислород, не специальная смесь (для рекреационного дайвинга). Тот же воздух, что на улице: 21% кислорода, 78% азота, 1% прочих газов. Только сжатый до 200 атмосфер и пропущенный через фильтры — очищенный от влаги, масел и частиц.

Стандартный баллон — 12 литров. При 200 бар внутри помещается 12 × 200 = 2400 литров воздуха. Это много. На поверхности среднему человеку хватит на 2 часа спокойного дыхания.

Но мы ныряем не на поверхности.

Закон Бойля-Мариотта: почему воздух кончается быстрее

Роберт Бойль сформулировал это в 1662 году: при постоянной температуре объём газа обратно пропорционален давлению. Проще: давление вдвое выше — объём вдвое меньше.

На поверхности — 1 атмосфера. Ваши лёгкие вмещают примерно 6 литров воздуха.

На 10 метрах — 2 атмосферы. Давление удвоилось. Чтобы наполнить те же 6 литров лёгких, регулятор подаёт из баллона 12 литров воздуха (при поверхностном давлении). Расход — ×2.

На 20 метрах — 3 атмосферы. Расход — ×3.

На 30 метрах — 4 атмосферы. Расход — ×4.

Вот почему тот же баллон, которого хватает на час у поверхности, на 30 метрах кончается за 30 минут, а на 40 метрах — за 20-25. Физика не торгуется.

Что это значит на практике: если ваш манометр показывает 150 бар на поверхности и 150 бар на 30 метрах — это одинаковая цифра, но разное количество воздуха в минутах. На 30 метрах 150 бар кончатся вчетверо быстрее. Вот почему дайверы проверяют манометр каждые несколько минут — и вот почему опытный инструктор всегда знает, когда пора наверх.

Закон Дальтона: когда воздух становится ядом

Джон Дальтон, 1801 год: общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений каждого газа.

Парциальное давление — это давление, которое создавал бы каждый газ, если бы занимал весь объём один. В воздухе на поверхности: кислород — 0,21 бар, азот — 0,78 бар.

На глубине давление растёт — и парциальное давление каждого газа растёт вместе с ним. Состав воздуха не меняется, но его действие на организм — меняется радикально.

Азот: мартини-эффект

На поверхности азот инертен — мы его не замечаем. Но при повышенном парциальном давлении он начинает действовать как анестетик.

• 30 метров (ppN₂ = 3,12 бар): лёгкая эйфория, замедление реакции. Как бокал вина. Большинство дайверов это чувствуют, но контролируют.
• 40 метров (ppN₂ = 3,9 бар): ощутимое опьянение. Решения становятся нелогичными. Дайвер может зафиксироваться на одной мысли и не замечать ничего вокруг.
• 50-60 метров (ppN₂ = 4,7-5,5 бар): тяжёлый наркоз. Галлюцинации. Некоторые дайверы пытались снять маску, потому что им казалось, что они могут дышать водой.
• 70+ метров: потеря сознания.

Дайверы называют это «мартини-эффект»: каждые 10 метров глубже 20 — как бокал мартини натощак. Формула грубая, но запоминается. Главное правило: наркоз мгновенно проходит при всплытии на меньшую глубину. Поднялся на 10 метров — и голова ясная. Если успел подняться.

Кислород: слишком много — опасно

Кислород, без которого мы не живём, при повышенном давлении становится токсичным. Это называется эффект Поля Бера — по имени французского физиолога, описавшего его в 1878 году.

Критический порог — парциальное давление кислорода 1,6 бар. В обычном воздухе (21% O₂) это наступает на глубине около 66 метров.

Симптомы: подёргивание мышц лица, звон в ушах, тоннельное зрение — и затем судороги. Ситуация экстренная, но предотвратимая: технические дайверы точно знают пределы парциального давления для каждой смеси.

Именно поэтому технические дайверы на глубинах больше 40 метров дышат не воздухом, а тримиксом — смесью, где часть азота заменена гелием, а доля кислорода снижена. На 100 метрах в смеси может быть всего 10% кислорода. Парадокс: чем глубже, тем меньше кислорода в баллоне.

Закон Генри: почему нельзя всплывать быстро

Уильям Генри, 1803 год: количество газа, растворённого в жидкости, пропорционально давлению этого газа над жидкостью.

Ваша кровь — жидкость. Азот из дыхательной смеси — газ. На глубине давление высокое — азот растворяется в крови и тканях. Чем глубже и чем дольше — тем больше азота в организме.

При медленном подъёме азот выходит постепенно — через лёгкие, с каждым выдохом. Но если подняться слишком быстро, давление падает резко — и растворённый азот вскипает прямо в крови. Пузырьки газа закупоривают сосуды, давят на нервы, разрушают ткани.

Это декомпрессионная болезнь — «кессонка». Боль в суставах, онемение, в тяжёлых случаях — паралич. Лечится в барокамере, но лучше не допускать.

Правило рекреационного дайвинга: скорость всплытия — не быстрее 9-18 метров в минуту (зависит от агентства). Плюс остановка безопасности на 5 метрах на 3 минуты. Этого достаточно, чтобы азот выходил безопасно — при условии, что вы не превысили бездекомпрессионный предел (время, которое можно провести на данной глубине без обязательных остановок).

Итого: шпаргалка

Физика не запрещает нырять. Она объясняет, почему одни вещи работают, а другие — нет. Дайвер, который понимает Бойля, Дальтона и Генри, не просто ныряет безопаснее. Он понимает, что происходит с его телом — и это убирает страх.

А страх — главное, что мешает сделать первый вдох под водой.