潜水物理学.DOC

第一章 潜水物理学 一、前言 影响潜水员的环境因素有很多，这些因素可同时作用于潜水员。这些因素包括：压强、浮力、水温、水的黏度、声光波传递、视觉和本体觉刺激减弱等。 在影响潜水员的环境因素中，压强最重要。压强是物体单位面积所承受的力。水下物体承受水的重量，静水压是指单位面积物体承受水的重量产生的力，与水深有关，与物体大小无关。静水压随着水的深度增大而增大。单位面积上物体承受的总压强为绝对压，水下物体承受的绝对压是大气压与静水压之和，是物体承受水和大气的共同重量产生的力。 压强的表示方法有： 大气压（atm或ATA） 磅/平方英寸（psi） 公斤/平方厘米（kg/ cm2） 毫米汞柱（mmHg或Torr） 厘米水柱（cmH2O） 海水英尺（fsw） 海水米（msw） 巴（b） 牛顿/平方米（帕斯卡） 二、与潜水有关的气体定律 （一）波义耳定律 波义耳定律是描述气体压强与体积之间的关系，即：当温度不变时，一定质量的气体，其绝对压与其体积成反比。如用数学公式可写成：PV=K或P1V1=P2V2。 我们可以理解为，一定质量的气体，当压强增大时，体积变小；当压强减小时，体积增大。 （二）查理定律 查理定律是描述气体体积与温度之间的关系，即：当气体的压强不变时，一定质量的气体，其体积与其绝对温度成正比。如用数学公式可写成：V/T=K 或 V1/T1=V2/T2。 我们可以理解为，当气体不受空间限制时，如果你给气体加热，它就会扩张；如果你使气体冷却，它就会缩小。 （三）盖-吕萨克定律 盖-吕萨克定律是描述气体压强与温度之间的关系，即：当气体的体积不变时，一定质量的气体，其压强与其绝对温度成正比。如用数学公式可写成：P1/T1=P2/T2。 我们可以理解为，当气体局限在一定空间（容积确定）时，如果你给气体加热，它对容器产生的压强就会增大；如果你使气体冷却，它对容器产生的压强就会缩小。 （四）道尔顿定律 是描述混合气体压强与各气体成分分压之间的关系。混合气体是将相互不起化学反应的几种气体混在一起，由于各气体分子运动而混合均匀的气体混合物。混合气体所产生的压强为总压，各组成气体单独占有容器所产生的压强为分压。混合气体的总压等于所有组成气体分压之和。如用数学公式可写成： P总 = P1+P2+P3 …. +Pn 我们可以理解为，潜水深度越大，呼吸混合气体中所有成分均会相应增多。 （五）亨利定律 气体可以溶解在液体中，特定气体在液体中的溶解数量，与温度有关。当温度确定时，特定气体在特定液体中的可溶解数量与接触液体的该气体分压和该气体在该液体中溶解系数的乘积成正比。 我们可以理解为，由于人体组织的主要成分是水，当潜水员下潜过程中，随着深度增大，其组织中溶解的气体会逐渐增多；当潜水员上升出水过程中，溶解在组织中的气体会被释放出来。 三、浮力 浮力等于物体排开水的重量。任何物体放入水中，要么漂浮，要么沉没。漂浮或沉没决定于物体的密度是否低于或超过水的密度。阿基米德定律是关于浮力的最佳描述：任何部分或全部浸入液体内的物体，其所受到的浮力等于该物体排开液体的重量。由于海水比淡水的密度大，因此在海水中潜水比在淡水中的浮力要大一些。如果浮力不适当，潜水员为了维持平衡，需要额外消耗氧气，并增加氮气的吸收，会增加减压病发生的可能。 影响浮力的因素包括： 体成份折射率折射O2） 对需氧生物来讲，氧是最重要的气体。空气中大约21%是氧。氧是一种无色、无嗅和无味的气体，容易与其他元素结合。水就是由氧和氢结合的物质，从质量上看，水的89%是由氧组成。我们吸入体内的空气，真正被人体使用的只有氧，其余79%只具备稀释和携带氧的作用。当人体呼吸气中氧分压超过一定限度，氧会对人体产生毒性，因呼吸高分压氧导致机体中毒产生的疾病叫氧中毒。 （二）氮（N2） 氮也一种无色、无嗅和无味的气体，是所有生物的重要组成元素。氮不利于燃烧和生命，不容易与其他元素结合。氮的重要性在于它作为氧的稀释剂。对潜水来讲，氮有两个主要的缺陷：氮麻醉和减压病。氮麻醉是限制空气潜水深度的主要原因，减压病是限制潜水时间的主要原因。 （三）氦（He） 氦也一种无色、无嗅和无味的气体，也是化学性质非常不活泼的气体，属于单原子分子。氦常被用于代替氮作为潜水呼吸气，与氮相比，氦有很多优点，可解决空气潜水的许多问题。例如，氦在水和脂肪中溶解度明显小于氮。目前很多潜水作业船上具备使用氦潜水的条件，由于氦在组织内的溶解度很小，当潜水员上升时，氦从溶解状态释放的数量就比较少。事实上，使用氦进行潜水后，特别是在大深度情况下，减压病的发病率确实大大降低了。关于这个问题的详细探讨，我们可以阅读Philip B. James的有关文献。但是，氦作为潜水呼吸气也有自身的缺点。如氦会影响潜水员的语音，增加了潜水员与水面人员通话的困难；另外氦的