Проектирование типовых видов одежды в большинстве случаев опирается на приспособленность человека к жизни в воздушной среде. Необходимость пребывания человека в водной среде имеет особенности, вызванные физическими свойствами и эффектами, формируемыми водой на различной глубине. Это важно учесть при проектировании специальных видов одежды для дайвинга.
Цель исследования: установление данных информационной базы о характеристиках условий водной среды для компонентов систем автоматизированного проектирования специальных средств защиты человека под водой.
Материал и методы исследования, использованные в научном исслдовании, опираются на методы систематизации, логического структурирования, критериального анализа, факторного анализа.
Физические свойства воды существенно отличаются от свойств воздушной среды. Вода, которая относится к состоянию химически чистой, содержит весовую долю 11,19 % водорода и 88,81 % кислорода [1]. Такая вода при наличии нормальных условий давления кипит при +100 °С. Фаза замерзания для такой воды отмечается при температуре 0 °С. Наибольшая плотность относится к температуре +4 °С. Далее при понижении температуры ниже +4 °С объем воды увеличивается, а плотность воды уменьшается. В момент замерзания происходит резкое увеличение объема на 10 % по отношению к объему жидкости [1, 2].
На различной глубине важнейшей характеристикой среды для подводных погружений является гидростатическое давление. При погружении ниже поверхности воды ощущается его давление на тело человека и вокруг него. С увеличением глубины сила подводного давления увеличивается [3]. Гидростатическим давлением называется усилие, приложенное столбом воды к поверхности равной площади [3]. Гидростатическое давление делится на абсолютное, весовое, избыточное, вакуум. Отличие заключается в разнице расположения точки отсчета. Абсолютное давление в жидкости включает в себя внешнее давление на жидкость и давление массы высоты столба жидкости [4].
Результаты исследования и их обсуждение
В целях проектирования защитного снаряжения для дайвинга необходимо учитывать, что сжимающее усилие направлено вниз. Изменение давления на 104 Па происходит при изменении глубины около 1 м. Таким образом, давление в океане варьируется от нуля (на поверхности) до 108 Па (самое глубокое).
При погружении в воду на дайвера давит сумма атмосферного и гидростатического давления. В табл. 1 представлено соотношение между глубиной водоёма и давлением воды, при использовании станции в северо-западной части Тихого океана в 41 °53' с.ш., 146 °18' в.д. [5].
Таблица 1
Соотношение между глубиной водоёма и давлением воды на примере северо-западной части Тихого океана
|
Давление, Па |
Глубина, м |
|
0 |
0 |
|
1000000 |
99 |
|
2000000 |
198 |
|
3000000 |
297 |
|
5000000 |
495 |
|
10000000 |
990 |
|
15000000 |
1453 |
|
20000000 |
1975 |
|
30000000 |
2956 |
|
40000000 |
3932 |
|
50000000 |
4904 |
|
60000000 |
5872 |
Однако представленные условия не характерны для большинства дайверов, так как погружения, как правило, выполняются на меньших глубинах и требуют дополнительной характеристики их физических условий.
При погружении в воду на человека (дайвера) давит сумма атмосферного и гидростатического давления. Физические характеристики водной среды на различных глубинах, типичных для распространенного дайвинга, представлены в табл. 2 [5, 6].
Таблица 2
Глубина океана и давление воды для типичных глубин дайвинга
|
Глубина, м |
Атмосфера* |
Гидростатическое давление, кПа |
Давление окружающей среды, кПа |
|
0 |
1 |
0,000 |
101,325 |
|
10 |
2 |
101,325 |
202,650 |
|
20 |
3 |
202,650 |
303,975 |
|
30 |
4 |
303,975 |
405,300 |
|
40 |
5 |
405,300 |
506,625 |
|
50 |
6 |
506,625 |
607,950 |
|
60 |
7 |
607,950 |
709,275 |
Примечание. *1 атмосфера = 101,325 кПа.
Наиболее важными характеристиками морской воды, совместно влияющими на ее плотность, являются температура и соленость [5, 7].
Температура морской воды на поверхности моря зависит от обмена теплом, полученным от солнца, и излучения землей. Поскольку нагревание планеты протекает неравномерно, температура поверхностного слоя океана меняется в зависимости от широты.
Теплоемкость воды существенно выше теплоемкости воздуха, но показатель её удельной теплоемкости меняется с изменением температуры и плотности воды. На рисунке представлено изменение плотности при повышении или понижении температуры воды в водоёме [8].
Зависимость плотности воды от температуры
Вода отличается теплопроводностью, которая делает ее неплохим теплоизолятором для условий дайвинга. За счет этого передача тепла в водной среде происходит в основном за счет смешивания слоев воды, за счет конвекции [1, 2]. Теплопроводность воды зависит от температуры. Для химически чистой воды коэффициент теплопроводности при температуре 0 °С равен 0,00112 кал/см2·сек·град, при температуре 20 °С равен 0,00143 кал/см2·сек·град [1].
Благодаря высокой удельной теплоемкости воды, суточные и сезонные колебания температур сравнительно невелики по сравнению с изменениями на суше, океанические температурные колебания составляют порядка нескольких градусов, за исключением мелководья.
На основе проведенных исследований вертикальных разрезов, показывающих среднее распределение температуры в океане [7], было установлено, что на глубине до 100 м колебания изменения температуры в западной части океана в среднем находятся в границах от 5 до 28 °С, что является важными параметрами для проектирования снаряжения для дайвинга и определения граничных тепловых условий его эксплуатации в заданной акватории.
Следующим показателем, влияющим на плотность воды, является соленость [7, 9]. Соленость верхнего слоя морской воды главным образом зависит от испарения и осадков, также на нее влияет образование и таяние морского льда, впадающие реки, еще одним фактором, влияющим на соленость, является температура воды (более теплая вода испаряется быстрее). В результате, наибольшие засоления обнаруживаются в субтропических регионах, от 20 до 30 °С широты Севера и Юга, где испарение интенсивное, а количество осадков минимально [7]. По мере увеличения глубины, соленость воды уменьшается, при этом наиболее заметное снижение солености наблюдается до глубины 75–80 м. Такие глубины являются значительными, но достаточными для доступа открытого дайвинга даже в снаряжении (гидрокостюм) «мокрого» типа, которое в наибольшей степени подвержено влиянию гидростатического давления в соленой среде.
Показатель плотности воды важен, поскольку она определяет глубину, равномерное распределение водного участка, когда наименее плотный слой воды будет сверху, а плотнее всегда внизу. Плотность чистой воды при атмосферном давлении, без соли, при температуре 0 °С составляет 1000 кг/м3. В открытом океане плотность воды на поверхности равна около 1021 кг/м3, и около 1070 кг/м3 при давлении 108 Па [5].
В табл. 3 представлены значения плотности морской воды в любой точке мирового океана при всех возможных диапазонах солености и температуры [5].
Таблица 3
Изменение плотности (∆σt) с изменениями температуры (∆T) и солености (∆S) как функции температуры и солесодержания
|
Соленость |
0 |
20 |
35 |
40 |
0 |
20 |
35 |
40 |
|
Температура ( °С) |
∆σt для ∆T = +1 °С |
∆σt для ∆S = +0,5 |
||||||
|
30 |
–0,31 |
–0,33 |
–0,34 |
–0,35 |
0,38 |
0,37 |
0,37 |
0,38 |
|
20 |
–0,21 |
–0,24 |
–0,27 |
–0,27 |
0,38 |
0,38 |
038 |
0,38 |
|
10 |
–0,09 |
–0,14 |
–0,18 |
–0,18 |
0,39 |
0,39 |
0,39 |
0,39 |
|
0 |
+0,06 |
–0,01 |
–0,06 |
–0,07 |
0,41 |
0,4 |
0,4 |
0,4 |
Поскольку взаимосвязь температуры и солености морской воды определяется процессами, происходящими на границе воздух – море, можно утверждать, что характеристики плотности участка морской воды зависят от состояния поверхности моря. Температура морской воды варьирует в широких пределах (от –1 до 30 °С), в то время как диапазон солености невелик (35,5 ± 2,0) [6, 7].
Свойства воды, такие как температура и давление, влияют на характер изменений теплопроводности. Эти параметры являются одними из определяющих условий для решения задач теплообмена человека (дайвера) с водной средой на глубине и применения для этого специальных материалов [9].
В рамках настоящей работы были проведены исследования зависимости теплопроводности воды и водяного пара от температуры и давления [10] с учетом критериев подводных погружений, для которых значение имеют водоёмы всех типов, включая не только моря, но и озера и реки. В результате систематизации полученных данных параметров и свойств водной среды в мировых водоёмах различного типа [11], установлены сводные температурные характеристики ориентированных на подводные погружения водоёмов в России и за рубежом, включая сведения, характерные для сезонных (наиболее востребованных) погружений в части туристического потока [12]. Установлены средние значения температуры воды соленых и пресноводных водоемов во время сезонного дайвинга (табл. 4).
Таблица 4
Средняя температура воды соленых и пресноводных водоемов во время сезонного дайвинга
|
Соленые водоемы |
Средняя температура воды в сезон погружений, °С |
|
|
Юг Красного моря |
27,0 |
|
|
Галапагосские острова (Тихий океан) |
23,0 |
|
|
Тенериф (Атлантический океан) |
22,0 |
|
|
остров Каталина |
19,0 |
|
|
Большой барьерный риф |
27,5 |
|
|
Мальдивы |
29,0 |
|
|
Палау (Тихий океан) |
20,0 |
|
|
Сипадан |
29,0 |
|
|
Тао |
28,0 |
|
|
Юкатан |
26,0 |
|
|
Баренцево море |
8,0 |
|
|
Мальта (Средиземное море) |
22,5 |
|
|
Пресноводные водоемы |
поздняя весна, лето, ранняя осень, °С |
поздняя осень, зима, ранняя весна, °С |
|
р. Верховье Волги |
18,0 |
10,0 |
|
р. Волга (р-н Астрахани) |
25,0 |
7,0 |
|
р. Дон |
21,0 |
10,0 |
|
р. Ока |
17,0 |
1,0 |
|
о. Ладожское |
17,0 |
1,0 |
|
Мраморный карьер (Карелия) |
9,0 |
9,0 |
|
Финский залив |
10,0 |
4,0 |
Таким образом, средние значения температуры воды для соленых водоемов в сезон погружений колеблются в интервале от 8 до 29 °С, пресных водоемов в зависимости от сезона погружений колеблются, в интервале от 9 до 25 °С в период весна-осень, в зимний – с 1 по 10 °С.
Водная среда отличается подвижностью. В зависимости от типа водного ресурса, перемещение воды в них происходят проточностью в реках, за счет воздействия температуры и ветра в озерах, а в морях и океанах на перемещение воды влияют приливы и отливы, также сильные течения и штормы [1, 13]. В целом можно отметить, что температура поверхности океана меняется в зависимости от широты в диапазоне от –2 до 29 °С, при этом среднегодовая температура 26–28 °С в экваториальных водах, около 0 °С [1, 13]. Исходя из этих данных, температурные условия погружений с учетом сезонов можно разделить на несколько температурных групп: 1 – группа – от 0 до 10 °С, 2 – группа – от 10 до 20 °С, 3 – группа – от 20 до 30 °С.
В результате проведенных исследований для проектирования специального снаряжения для дайвинга установлены основные параметры и свойства акваторий с учетом их географического, сезонного, глубинного факторов.
Установлены средние значения характеристик водной среды для дайвинга: средние значения гидростатического давления в зависимости от глубины погружения составляют от 0 до 1000000 Па. Температура воды в зависимости от глубины погружений составляет от 0 °С до 29 °С. Плотность воды зависит от температуры, давления и от солености. При этом параметры плотности водяного слоя могут колебаться от 1000 кг/м3 до 1070 кг/м3.
Заключение
Анализируя полученную информацию, можно сделать вывод, что условия подводных погружений относятся к категории высокой сложности, что требует особого внимания к способам и средствам обеспечения безопасности человека при выполнении различных задач под водой.
Установленные в результате проведенных исследований данные формируют информационную базу для компонентов систем автоматизированного проектирования специальнвых средств защиты человека под водой.