Физика и компенсация давления
9 Янв, 2020
Физика и компенсация давления
Категория: Просмотров: 138
Физика и компенсация давления
Автор: Андрей Матвеенко.
Материал публикуется с разрешения автора.

Предыдущий мой пост о компенсации давления (КД) был посвящен самой загадочной технике - КД без рук. Цель поста была - создать представление о том, что же называть КД без рук, и на какие критерии ориентироваться при определении КД без рук. Это представление, по идее, должно помочь читателю в дальнейшем ориентироваться в информации касательно КД без рук и отличать фантазии и выдумки от того, что действительно касается КД без рук.

Цель данного поста: сформировать у читателя представление о физических процессах, касающихся КД во время погружения на задержке дыхания, что позволит избавиться от множества иллюзий, витающих вокруг "секретных" и "тайных" техник КД.

Мы живем в 21 веке и нам доступны невероятные технологии, причем, за небольшие деньги. Например, мы можем за несколько тысяч рублей получить цифровую трехмерную картину нашей головы, и увидеть особенности строения наших воздушных полостей черепа, соединяющих их каналов и приблизительно посчитать их размеры и объемы. Используя интернет, мы можем узнать о физических законах, действующих на ныряльщика во время погружения и составить приблизительные расчеты, которые бы объяснили нам зачем, почему, когда и в каком объеме нам нужна КД, и заодно узнать куда же девается воздух, который мы используем для КД.

Раз можем, значит приступим.
На картинках будет представлена моя компьютерная томография. Справа от каждой картинки - шкала в сантиметрах, для представления размеров. Обратите внимание, что на разных проекциях шкала отличается размером.

Каждая картинка состоит из четырех частей:
Верхняя левая - проекция вида сверху в месте наибольшего размера представленной воздушной полости.
Верхняя правая - та же самая проекция, но для удобства воздушная полость в этой проекции обозначена ярко красным цветом.
Левая нижняя - фронтальная проекция на представленную полость.
Справа снизу - фронтальная проекция с представлением полости цветом. На основе данных компьютерной томографии приблизительно прикинем объем воздуха в голове.

Лобная пазуха
Лобная пазуха.jpg
Наблюдаем две камеры размером приблизительно 1,1 * 2,2 * 2 см. Для определения объема камеры форма сложная, но нам особая точность не нужна. Объем составит примерно 5 кубических сантиметров каждая. Итого 10 см3 - объем лобных пазух. Объемы будем брать с огромным округлением в большую сторону, для того чтобы посчитать максимально возможный объем полостей и, соответственно, максимальный необходимый для компенсации объем воздуха.

Решетчатый лабиринт
решетчатый лабиринт.jpg
Приблизительный объем двух частей решеток (1,5 * 1,5 * 4,5) * 2 = 20 см3. Кто-то скажет "а чего не посчитал вон тот здоровый отсек?" А это клиновидная пазуха, ее считаем следующей.

Клиновидная пазуха
Клиновидная пазуха.jpg
Условный объем клиновидной пазухи 3 * 3 * 2 = 18 см3

Верхнечелюстные пазухи
верхнечелюстные пазухи.jpg
Объем на глаз верхнечелюстных пазух 2 * 2,4 * 2,5 * 3 = 36 см3

Объем носоглотки посчитать затруднительно, но по КТ видно что, по размерам она сопоставима совокупному объему решетчатого лабиринта (20 см3) и клиновидной пазухи (18 см3). Будем считать объем носоглотки равной 20 + 18 = 38 см3.

Примерный объем воздуха в голове, который практически остается неизменным равен 122 см3 :
Лобные пазухи: 10 см3
Решетчатый лабиринт: 20 см3
Клиновидная пазуха: 18 см3
Верхнечелюстные пазухи: 36 см3
Носоглотка: 38 см3

У нас еще остается ротоглотка и пространство над гортанью.
Особенность этого резервуара в том, что он может изменять свой объем. Мы можем набрать большое количество воздуха в щеки, надув их, опустить челюсть, поджать язык и еще дополнительно вместить объем воздуха в пространство над гортанью.
Если вам кажется, что в ротоглотку и над гортанью особо много воздуха не поместится, то вот картинка для размышлений.
ротоглотка.jpg
Это картинка фридайвера Адама Штерна. И это лишь ракурс сбоку, к сожалению нет картинки которая бы показала объем надуваемых щек с опущенной челюстью во фронтальной плоскости. При этом если сжать челюсти, напрячь щеки и язык и приподнять гортань, то воздуха в ротоглотке практически не останется.
ротоглотка минимум.jpg
Эта картинка взята из видео которое показывает механизм проглатывания, и челюсть и язык с гортанью находится в обычном состоянии. Можно мышечным напряжением оставить еще меньше воздушного пространства.

Точно посчитать изменяющийся объем воздуха в ротоглотке сложно, но приблизительно можно. Набираем самый полный полный рот воды с надутыми щеками выливаем и взвешиваем. У меня получилось 170 грамм, что приблизительно равно 170 см3. Плюс 80 см3 прибавим в пространство над гортанью (у меня шея длинная поэтому запросто можно столько впихнуть).
Итого ротоглоточный резервуар примем равным 250 см3.

Остался неохваченным самый важный резервуар, ограничивающий наши погружения:
Среднее ухо

Правое
среднее ухо правое.jpg
Среднее ухо

Левое
среднее ухо левое.jpg
В сравнении с другими полостями объем мизерный. Максимум для одного среднего уха объем будет 2 * 1 * 1 = 2 см3
Для левого и правого вместе 4 см3.

Итого имеем:
Неизменная часть воздушного объема: 122 см3
Изменяемая часть воздушного объема: 250 см3
Объем который необходимо принудительно компенсировать (среднее ухо): 4 см3
Соответственно максимальный объем, который можно затолкать в голову - 376 см3.

Отдельно необходимо упомянуть минимальный объем воздуха в голове. Он складывается из неизменной части воздушного объема и совокупного (левого и правого) объема среднего уха.

Минимальный объем равен 122 см3 + 4 см3 = 126 см3.
Если объем воздуха в нашей голове будет меньше минимального объема, то у нас начнутся проблемы. В первую очередь они начнутся в области среднего уха, в которое уже никаким способом КД воздух перегнать не получится.

Здесь нужно сделать отступление касательно точности измерений: Строение человеческого черепа очень сильно различается от индивидуума к индивидууму. У одних людей полости большие, у других их нет, либо они совсем маленькие, у третьих в полостях полипы, кисты и наросты слизистой, которые могут существенно изменять объем полости. При этом компенсация давления необходима всем ныряльщикам, и точность посчитанных объемов на картину процесса и на достоверность выводов не влияют. Поэтому можно смело пренебречь полученной погрешностью значений.

Легкие
И есть еще в теле ныряльщика самая большая воздушная полость - это легкие. Мой объем легких согласно прошлогодней спирометрии равен примерно 8 000 см3, включая остаточный объем 1200 см3.

Остаточный объем - это объем воздуха, который остается в легких и воздуховодных путях после самого полного выдоха. Нам интересен этот объем тем, что как только мои легкие при погружении станут объемом меньше этой величины, я не смогу без огромных и травмоопасных усилий перегнать воздух из легких в ротоглотку. Соответственно после достижения моими легкими остаточного объема, я смогу компенсировать давление только воздухом, который был предусмотрительно набран в ротоглотку.

Но мои легкие и мой остаточный объем не совсем типичные, поэтому для последующих расчетов мы возьмем объем легких 5000 см3 и остаточный объем 1500 см3.

Во время погружения на задержке дыхания мы не вдыхаем и не выдыхаем воздух, но объем наших воздушных полостей меняется с глубиной. Происходит это потому, что давление возрастает каждые 10 метров глубины на 1 атмосферу. Возрастающее давление сжимает воздух, и он изменяет свой объем.

Воздух сжимается везде одинаково - в легких, пазухах, носоглотке, ротоглотке и в среднем ухе. Но самым первым мы почувствуем изменение в самой маленькой, но важной полости - среднем ухе.

В этом месте также сделаем отступление касательно точности расчетов. То каким образом происходит адаптация легких к глубине точно не известно науке до сих пор. Основная гипотеза - это прилив большего объема крови в сосуды легких. Но после ныряния на большие глубины у ныряльщиков находят жидкость в легких, которая затем вскоре бессимптомно рассасывается. И это не кровь. Соответственно приток крови, или жидкости будут влиять на объем легких при погружении, как и то, что воздух из легких будет частично растворяться в плазме и крови. Влияние этих факторов просчитать кажется невозможно, поэтому мы пренебрежем ими. На понимание процесса данные отклонения величины объема не влияют.

Начнем оперировать нашими приблизительными данными:
Сведем исходные данные в таблицу, и представим данные с градацией 10 метров и изменением давления в 1 атмосферу (все объемы воздуха в таблицах измеряется в см3). Мы оговорили, что для расчетов берем объем легких равный 5 000 см3 который включает в себя 1500 см3 остаточного объема. На ноле метрах глубины (или на поверхности воды) эти 5 000 см3 останутся неизменными. Мы не будем надувать щеки для расчетов и менять изменяемый объем воздуха в ротоглотке. Наш объем воздуха в голове на поверхности будет равен 122 см3. Компенсируемый объем (среднее ухо) так же останется на поверхности неизменным будет и равен 4 см3.

Осуществим теоретическое погружение без компенсации давления в среднем ухе и без перевода воздуха из легких в ротоглотку и посмотрим, как изменятся объемы воздуха в зависимости от глубины.
объемы без компенсации.jpg
На 10 метрах объем легких уменьшился в два раза. Поскольку грудная клетка подвижная, то ничего страшного с ней на этой глубине не произойдет.

Из-за того, что в нашей ротоглотке в начале погружения дополнительного воздуха не было, то объем воздуха в полостях головы уменьшится в два раза, как и воздух в среднем ухе. Не сложно догадаться, что такое погружение приведет к баротравме среднего уха и вероятно к разрыву барабанной перепонки. Есть вероятность что воздушные полости головы так же будут травмированы.

Для того, чтобы избежать баротравм необходимо из легких перевести достаточное количество воздуха в ротоглотку, и этим дополнительным воздухом выровнять давление в среднем ухе. Маневр компенсации давления на небольших глубинах может быть любым - мы можем с усилием выдохнуть воздух в носоглотку (Вальсальва), можем вытянуть маленький объем воздуха из легких в ротоглотку и затем языком создать давление чтобы воздух прошел в среднее ухо (Френзель). Можем вытянуть воздух в ротоглотку и открыть евстахиевы трубы и воздух из области высокого давления (ротоглотка) перейдет в область низкого давления (среднее ухо).

При этом если вы не создадите область высокого давления в ротоглотке и в ней будет область низкого давления, то чуда не произойдет, без рук вы компенсировать давление не сможете.

Следующая ситуация: осуществим теоретическое погружение, но в отличие от первого погружения, будем компенсировать давление. Для этого мы будем забирать необходимое для КД количество воздуха из легких и будем использовать этот воздух для компенсации давления в среднем ухе и воздушных полостях головы. В момент начала погружения в ротоглотке дополнительного воздуха нет.
объемы с компенсацией.jpg
На 10 метрах наш объем легких уменьшится в 2 раза, объем воздушных полостей головы равный 122 см3 уменьшится в два раза, и в области среднего уха объем так же уменьшится. Соответственно, для компенсации давления нам необходимо перегнать из легких 63 (62,5) см3 для компенсации давления воздушных полостей головы, и еще 2 см3 для компенсации давления в среднем ухе. Итого нам надо перегнать 65 см3 воздуха.

Поскольку давление нарастает нелинейно, то с 10 до 20 метров нам необходимо перегнать из легких в ротоглотку уже 43,3 (42 см3 и 1,3 см3.)

На глубине свыше 20 метров уже начинаются интересные вещи. Объем легких становится меньше 1583 см3, и становится практически равной остаточному объему легких. Соответственно, примерно с этой глубины у ныряльщика с заданными нами параметрами начнутся проблемы при использовании КД методом Вальсальвы. Ныряльщику тяжело будет перегонять воздух в ротоглотку, не говоря уж о том, чтобы создать дополнительное давление необходимое для проталкивания воздуха через евстахиеву трубу. Те ныряльщики, которые используют маневр КД без рук, но не умеют набирать и удерживать воздух в ротоглотке, так же начнут испытывать сложности в КД, по причине падения давления в воздушных полостях головы. Те, кто продувается сглатыванием также застрянут где-то рядом.
С 20 до 30 метров нам необходимо перегнать из легких в ротоглотку 31 см3 и 1 см3. При этом ближе к 30 метрам объем легких станет ниже остаточного и те, кто умеет перегонять малыми порциями воздух из легких в ротоглотку, начнут испытывать проблемы с добором необходимого количества воздуха, и соответственно с компенсацией давления в среднем ухе тоже. Те кто оптимизирует навыки погружения и наберет в ротоглотку воздух про запас, будут иметь возможность компенсировать давление методом френзеля и без рук глубже. Глубина зависит от того какой объем воздуха они возьмут про запас в ротоглотку, и как долго смогут его не проглотить обратно в легкие.

С 30 до 40 метров нам необходимо обеспечить наличие в ротоглотке дополнительных 25 см3 и 0,8 см3. Если воздуха во рту было набрано заранее достаточно, и мы его не проглотили, то можно погрузиться используя КД методом Френзеля и КД без рук на эти глубины.

С 40 до 50 метров нам необходимо обеспечить наличие в ротоглотке дополнительных 20 см3 и 0,7 см3. А это означает, что надо было набрать заранее, когда объем легких был гораздо больше остаточного остаточного 78,5 см3 (31 + 1) + (25 + 0,8) + (20 + 0,7). Причем с учетом того что воздух так же продолжает во рту сжиматься набирать надо с поправкой на это уменьшение.

Глубже 50 метров опуститься без различных ухищрений уже невозможно.
Какие ухищрения можно использовать?
  1. Травмоопасное, нелогичное и абсурдное - пытаться вытащить воздух из легких в ротоглотку и дальше использовать для продувки. Да это возможно. Есть манипуляции типа сверхвыдоха или анпакинга, когда за счет силы мышц челюсти и гортани создается разрежение в ротоглотке большее чем в легких, и некое количество воздуха все таки удается вытащить, и использовать для КД. Этой манипуляцией можно травмировать сосуды носоглотки, гортани, трахеи или легких. Так же напряжение по вытягиванию провоцируют появление контракшенов, и как фактор провокации - обжим легких или трахеи. Забавно, что есть адепты которые умудряются подсунуть своим ученикам и знакомым этот маневр как некую секретную технику.
  2. Разумное и логичное - на глубине, где воздуха в легких гораздо больше остаточного объема делается максимальный набор воздуха в ротоглотку (маневр Френзеля-Фатта или маусфил). Максимальный набор достигается за счет наполнения щек, опускания челюсти и гортани. Данный маневр требует усилий и времени для наработки навыков контроля мышц щек, челюсти, языка, гортани и голосовых связок. Но после успешного освоения ограничений КД по глубине уже нет. Запас воздуха в ротоглотке позволяет компенсировать давление на больших глубинах методом Френзеля и без рук.


Рассмотрим на примере:
Все условия остаются прежними, но на глубине 20 метров мы сделаем большой набор воздуха в ротоглотку. Мы обусловливались, что дополнительно можем вместить в ротоглотку 250 см3 воздуха. Этот объем мы перегоним из легких. До большого набора воздуха мы будем набирать воздух из легких в ротоглотку так же, как и в прошлом нырке, малыми порциями. Хотя надо отметить, что часть ныряльщиков делают один большой набор на поверхности или близко к ней, и затем на глубине около 20 метров делают второй большой набор.
объемы с добором.jpg
До 20 метров у нас точно такая же картина как и на прошлом нырке. Но на глубине 20 - 30 метров мы дополнительно перегнали 250 см3 воздуха из легких в ротоглотку. Расчеты показывают, что если этот воздух не проглатывать в желудок или легкие, то при заданных параметрах можно нырнуть до 100 метров. И это так и есть.

Навык компенсации давления на больших глубинах, это не только умение компенсировать давление в области среднего уха, но и еще несколько сопутствующих навыков, как то: умение набирать воздух в ротоглотку из легких и удерживать его, умение компенсировать давление с различными объемами воздуха в ротоглотке, умение контролировать голосовые связки и гортань, чтобы необходимый для КД воздух не проваливался обратно в легкие и пищевод.

Чудеса против физики работают плохо. Компенсировать давление можно лишь тогда, когда давление в основных воздушных полостях головы больше, чем в области среднего уха. Соответственно необходимо наличие достаточного давления воздуха в ротоглотке. При этом даже неважно каким способом вы компенсируете давление, Френзелем или без рук.