潛水喜歡物理學家

By Gemma Smith
對於很多新手潛水員來說。物理學知識和氣體定律比起下水來略顯枯燥了,是嗎?實際上。這些不同的氣體定律正是組成最有趣的潛水理論的內容之一。在過去的幾個世紀裡有幾位元物理學家改變了我們對氣體行為的認知。這幾個定律使我們對潛水運動的認識呈指數型增長,也變得更加安全。很多人開始以為潛水物理需要回到學校重新學習。但你很快就會發現在操作層面上來講,要掌握的內容比你想像的要簡單的多。首先,讓我們來看一下這幾年來在最前沿的物理學家朋友。更重要的是,看看他們的發現是如何影響我們的身體和潛水裝備。

波以耳定律

以羅伯特波以耳的名字命名的定律 (1627-1691), 這個定律有時也被稱作波以耳瑪裡奧特定律。為了紀念法國物理學家艾德摩阿裡奧特(1620-1684). 有趣的是,實際上他與波以耳同時段發現了同樣的氣體定律。在潛水方面。我們還是更多使用波以耳定律這個名字。.

最基礎的理解,波以耳定律指出:

在恆定溫度條件下,氣體的體積隨著它所受的壓力成正相關變化。氣體的密度隨著壓力改變而變化。

這到底是什麼意思呢?基本上就是說,環境壓力增加,氣體的體積就會減小。等量氣體會佔用更少空間,前提是溫度保持不變。反過來說,如果環境壓力增大,氣體密度也會增大。當你理解了波以耳定律後你就會發現,當我們潛水時,這個定律無論一直作用於所有潛水員。

  • 為什麼潛水的時候在深的地方比在淺的地方耗氣更多??
  • 為什麼我們要在下沈時平衡空腔,比如耳朵,面鏡,鼻竇?
  • 為什麼我們要在上升的過程中排出BCD/背飛中氣體來達到有控制的緩慢上升上升的目的
  • 為什麼我們下到深處時需要給乾衣/背飛裡面充氣來保持中性浮力?
  • 為什麼水肺潛水最重要的原則是無論什麼情況都不應該憋氣?

以上所有問題的答案都跟波以耳定律有關,他確實是潛水物理的鼻祖。每次下潛我們都應該懷念他。

道爾頓定律 

承認我的軟肋是John Dalton(1766-1844). 當我開始技術潛水的時候,他的公式是我學習的基石。直到現在,每次潛水我都會用到道爾頓定律。尤其是在計畫每個潛水階段的時候。他講的是:

混合氣體的總壓力相當於每種占總體積部分體積的分氣體所受壓力的總和

一看起來好像不太好理解,但其實很簡單。混合氣體中各獨立氣體的分壓會因為混合氣體所受的壓力變大而變大。我們來進一步解釋。

空氣大約是由79%的氮氣和21%的氧氣構成,在陸地表面1bar的壓力環境下,氮氣的氧分壓是0.79氧氣的氧分壓是0.21。這很簡單,那麽當壓力上升後(例如,當我們潛水的時候),會發生什麽樣的變化呢?假設我們下潛到20m/66ft深,每10m/33ft深海水,環境壓力(ATA)增加1bar,那麽20m/66ft深度的壓力就是3bar。隨著壓力的增加混合氣體中的構成氣體所受壓力也會跟著增加。所以當你在20m/66ft,呼吸的時候氧氣的氧分壓就會變成2.37(0.79×3),氧分壓就變成0.63(0.21×3)。很簡單吧!道爾頓研究出這個規律,還設計了一個“戴爾頓三角”公式。這個公式體現了分壓,氧氣在混合氣體中的百分比,以及環境壓力這三者的相互關係。全世界的每一個潛水員都從中獲益。通過這個公式,我們可以計算氧氣在混合氣體中最佳百分比,也可以計算出某種混合氣體的最大操作深度。在氧氦氮混合氣,氦氧混合氣,以及其他混合氣的混合過程,都會用到這個定律。在你將來的潛水旅程中,你也會不斷的應用這個定律。

亨利定律

  1. J. William Henry (1774-1836) 是英格蘭物理學家。在19世紀初期,他提出了亨利定律:

恆定溫度的條件下,某氣體能夠溶解於特定種類和容量液體中的數量與該氣體所受的分壓成正比。此氣體在此特定液體中的溶解度達到平衡。

簡單來說,這個理論和簡單的概念有關。你所受到的壓力越大,身體組織吸收的氣體就越多。在溶解這個方面來說,溫度是一個很關鍵的因素,溫度越高,留在身體組織內的氣體就越少,溫度越低,留在體內組織的氣體越多。

對於我們潛水員來說有什麽意義? 

簡單來說,當我們的環境壓力因為下潛深度加大,我們體內氧的分壓和擔分壓就會增大。血液和身體組織內的氣體分子就更多。這對於潛水員身體組織減壓有重要的影響。我們在潛水時身體吸收的氣體需要被釋放,這個過程需要有控制的緩慢進行,這也是為什麽我們在上升時需要慢慢的有控制的上升。同樣也是某些潛水一定要完成減壓停留的原因。

查爾斯定律 

同樣一個很重要的定律是,查爾斯定律。這個命名是為了紀念,Jacques Alexandre Cesar Charles (1746-1823)。他在1801年,發現了這個理論,它講述的是:

在相同的體積下,氣體所受壓力變化跟絕對溫度成正比。

這個定律是最容易解釋的一個。如果確切體積保持不變,溫度升高時,壓力變大,溫度降低,壓力減小。查理定律可以解釋以下情況:高溫條件下填充氣瓶下到冷水後,壓力值會降低。舉個例子,我們在15℃的氣溫填充11升的氣瓶至200bar,一共有2200升氣體。水下溫度是8℃。檢查氣壓數值的時候,你發現讀數變小了,這就是查爾斯定律在作用。這就是我們不鼓勵把氣瓶放在溫度過高的車上的原因。血壓有可能繼續上升,氣瓶甚至發生損壞。有些潛店在充氣之前會把氣瓶放在冷水中冷卻,這是為了預防氣瓶過熱。

最初,以上的幾個定律都沒有特別用在潛水方面,只不過是對氣體自然屬性以及行為的研究。不管怎樣,這幾個物理學家都成為了潛水員最好的物理學朋友,不管我們做的是什麽類型的潛水,通過對這幾個定律理論上的研究和實際操作,我們能在水下呆的更久。

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