فيزياء الغوص

مبدأ أرخميدس ( الطفو ) - مع إهمال التأثير الطفيف للتوتر السطحي، فإن أي جسم مغمور كليًا أو جزئيًا في سائل، يطفو بفعل قوة تساوي وزن السائل الذي يزيحه. وبالتالي، عند التواجد في الماء، فإن وزن حجم الماء المزاح مقارنةً بوزن جسم الغواص ومعداته هو ما يحدد ما إذا كان الغواص سيطفو أم سيغرق. ^{[ 1 ] [ 2 ]} يُعد التحكم في الطفو، والقدرة على الحفاظ على الطفو المحايد على وجه الخصوص، مهارة أمان مهمة. يحتاج الغواص إلى فهم الطفو لكي يتمكن من استخدام بدلات الغوص الجافة ، وأجهزة تعويض الطفو ، وأنظمة ترجيح الغوص، وأكياس الرفع بكفاءة وأمان . ^{[ 3 ]}

يُعد مفهوم الضغط كقوة موزعة على مساحة، وانتقال الضغط عبر الأنسجة الصلبة والرخوة والفراغات الغازية الفسيولوجية، وتغير الضغط مع عمق الغمر، أمورًا أساسية لفهم فسيولوجيا الغوص ، ولا سيما فسيولوجيا تخفيف الضغط والرضوض الضغطية . ^{[ 4 ]}

توجد عدة مناطق في الجسم تتميز بنطاق ضغط خاص بها نسبةً إلى الضغط الجوي المحيط. ^{[ أ ]} تُقاس هذه الضغوط عادةً نسبةً إلى بيئة الغاز الجوي، حيث يكون التغير مع الوضع الرأسي ضئيلاً نظرًا لانخفاض كثافة الغاز المحيط، مما يجعل تأثيره على تغير الضغط الخارجي شبه معدوم. ولذلك، يختلف توزيع الضغط بشكل ملحوظ مع الارتفاع داخل الجسم نتيجةً لتغيرات الضغط الهيدروستاتيكي في أنسجة الجسم، والتي تتشابه كثافتها مع كثافة الماء. ^{[ 5 ]} ونتيجةً لذلك، تتغير الضغوط الداخلية في الجسم مع تغير وضعية الجسم، ^{[ 6 ]} ومع عمق الغمر في سائل أكثر كثافة، كالماء، وفقًا لقانون باسكال . ^{[ 7 ]} في الهواء، يدعم الضغط الهيدروستاتيكي لسوائل الجسم قوة الشد ومرونة الأنسجة المحيطة. عند الغمر الكامل في الماء، يتوازن الضغط الهيدروستاتيكي تقريبًا مع الضغط الهيدروستاتيكي للماء، وفي حالة الغمر الجزئي، يكون عدم توازن الدعم الهيدروستاتيكي دالةً لارتفاع الجزء المغمور. يُعد الضغط اللازم لتدوير الدم عبر الجهاز الوعائي ضغطًا إضافيًا على الضغط الساكن. ^{[ 8 ]}

الضغط المطلق على غواص يعمل تحت الضغط المحيط هو مجموع الضغط الجوي المحلي والضغط الهيدروستاتيكي . ^{[ 9 ] [ 10 ]} الضغط الهيدروستاتيكي هو مُركِّب الضغط المحيط الناتج عن وزن عمود الماء فوق العمق، ويُقاس عادةً بوحدات المتر أو القدم من مياه البحر . ^{[ 4 ]}

ينتقل ضغط الماء المحيط إلى الغواص عن طريق التلامس المباشر مع الجلد والتلامس غير المباشر عبر بدلة الغوص والمعدات الرخوة. الأنسجة الرخوة غير قابلة للانضغاط، وينتقل الضغط من خلالها إلى أي فراغات غازية. وبما أن الغازات قابلة للانضغاط، فإنها ستنضغط حتى يتوازن الضغط. في حالة الغواص الذي يحبس أنفاسه، يجب أن يقل حجم الرئتين والممرات الهوائية العلوية لضغط محتوياتها الغازية لموازنة الضغط في جدران الفراغات الغازية. إذا لم تكن هذه الفراغات مرنة بما فيه الكفاية، فسوف تتراكم السوائل في الأنسجة المجاورة، مما قد يؤدي إلى تلفها، وبالتالي حدوث وذمة وربما نزيف داخلي. عندما يكون لدى الغواص إمداد غاز تنفسي بضغط محيط، يمكن أن يتدفق الغاز المحيط لملء الفراغ الغازي دون تقليل قسري في الحجم. يُعرف هذا التدفق الداخلي للغاز المحيط بمعادلة الضغط. يحدث تأثير مماثل في الفراغات الغازية الخارجية الملامسة للجلد أو المعزولة عن الجسم. ^{[ 11 ]}

تتحكم الضغوط الجزئية للغازات المكونة لمزيج غازات التنفس في معدل انتشارها داخل وخارج الدم في الرئتين، وتركيزها في الدم الشرياني، ويؤثر تركيز غازات الدم على وظائفها الفيزيولوجية في أنسجة الجسم. وتُستخدم حسابات الضغط الجزئي في مزج غازات التنفس وتحليلها ^{[ 12 ].}

تُعرف فئة من مخاطر الغوص باسم مخاطر دلتا-P، وهي ناتجة عن اختلاف في الضغط بخلاف تغير الضغط المحيط مع العمق. يتسبب هذا الاختلاف في الضغط في تدفق قد يسحب الغواص ويحمله إلى أماكن قد يتعرض فيها للإصابة، مثل مدخل دافع بحري أو بوابة سد . ^{[ 13 ]}

تُستخدم معادلات حالة الغازات ، التي يمكن التعبير عنها مجتمعةً بقانون الغازات الموحد ، أو قانون الغاز المثالي ضمن نطاق الضغوط التي يواجهها الغواصون عادةً، أو بقوانين الغازات التقليدية التي تربط بين خاصيتين عند ثبات الخصائص الأخرى، لحساب تغيرات الضغط والحجم ودرجة الحرارة، مثل قانون بويل ، الذي يصف تغير الحجم بتغير الضغط عند ثبات درجة الحرارة. ^{[ 1 ]} على سبيل المثال، يقل حجم الغاز في وعاء غير صلب (مثل رئتي الغواص أو جهاز تعويض الطفو) مع ازدياد الضغط الخارجي أثناء نزول الغواص في الماء. وبالمثل، يزداد حجم الغاز في هذه الأوعية غير الصلبة أثناء الصعود. تؤثر تغيرات حجم الغازات في جسم الغواص ومعداته على الطفو، مما يُنشئ حلقة تغذية راجعة إيجابية أثناء الصعود والنزول. تزداد كمية الغاز الذي يتنفسه الغواص في الدائرة المفتوحة مع ازدياد الضغط والعمق. ^{[ 10 ]} قانون شارل ، الذي يصف تغير الحجم بتغير درجة الحرارة عند ضغط ثابت، وقانون غاي-لوساك الثاني ، الذي يصف تغير الضغط بتغير درجة الحرارة لحجم ثابت (وصفه غيوم أمونتونس في الأصل ، ويُسمى أحيانًا قانون أمونتونس). يفسر هذا سبب انخفاض ضغط الغاز في أسطوانة الغوص بشكل كبير غير متوقع لدى الغواص الذي يدخل الماء البارد بأسطوانة غوص دافئة، على سبيل المثال بعد تعبئتها سريعًا، خلال الجزء الأول من الغوص مع تبريد الغاز داخل الأسطوانة. ^{[ 14 ] [ 3 ]}

في مخاليط غازات التنفس، يتناسب تركيز كل مكون من مكونات الخليط الغازي طرديًا مع ضغطه الجزئي ونسبته الحجمية . ^{[ 1 ]} تبقى النسبة الحجمية ثابتة لمكونات الخليط، بينما يتغير الضغط الجزئي بما يتناسب مع تغيرات الضغط الكلي. يُعد الضغط الجزئي مقياسًا مفيدًا لتحديد حدود تجنب التسمم النيتروجيني والتسمم بالأكسجين . ^{[ 10 ]} يصف قانون دالتون كيفية جمع الضغوط الجزئية لتكوين الضغط الكلي للخليط. ^{[ 1 ]}

الغازات قابلة للانضغاط بدرجة كبيرة ، بينما السوائل شبه غير قابلة للانضغاط. تتقلص الفراغات الغازية في جسم الغواص، وكذلك الغازات الموجودة في المعدات المرنة، أثناء نزول الغواص، وتتمدد أثناء صعوده. ^{[ 15 ] [ 10 ]} وعندما تُمنع الغازات من التمدد والانكماش بحرية، فإنها تُمارس ضغطًا غير متوازن على جدرانها، مما قد يُسبب ضررًا أو إصابة تُعرف باسم الرضح الضغطي إذا كان الضغط مفرطًا. ^{[ 16 ]}

ينص قانون هنري على أنه مع ازدياد الضغط، تزداد كمية الغاز التي يمكن إذابتها في أنسجة الجسم. ^{[ 17 ]} ويرتبط هذا التأثير بتسمم النيتروجين ، وتسمم الأكسجين ، ومرض تخفيف الضغط . ^{[ 10 ]}

يؤثر تركيز الغازات المذابة في أنسجة الجسم على عدد من العمليات الفيزيولوجية، ويتأثر بمعدلات الانتشار ، وذوبان مكونات غاز التنفس في أنسجة الجسم، والضغط. عند التعرض لضغط معين لفترة كافية، تتشبع الأنسجة بالغازات، ولا يتم امتصاص المزيد منها حتى يرتفع الضغط. عندما ينخفض ​​الضغط بوتيرة أسرع من قدرة الجسم على التخلص من الغاز المذاب، يرتفع تركيزه ويحدث فرط تشبع ، وقد تنمو نوى الفقاعات الموجودة مسبقًا. يتأثر تكوين الفقاعات ونموها في داء تخفيف الضغط بالتوتر السطحي للفقاعات، بالإضافة إلى تغيرات الضغط وفرط التشبع. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

تتناسب كثافة غاز التنفس طرديًا مع الضغط المطلق، وتؤثر على أداء منظمات التنفس وعلى جهد التنفس ، مما يؤثر بدوره على قدرة الغواص على العمل، وفي الحالات القصوى، على التنفس. وتحدد كثافة الماء وجسم الغواص ومعداته وزن الغواص الظاهري في الماء، وبالتالي طفوه ، وتؤثر على استخدام معدات الطفو. ^{[ 18 ]} وتُعد الكثافة وقوة الجاذبية من العوامل المؤثرة في توليد الضغط الهيدروستاتيكي. ويستخدم الغواصون مواد عالية الكثافة، مثل الرصاص، في أنظمة ترجيح الغوص، ومواد منخفضة الكثافة، مثل الهواء، في أجهزة تعويض الطفو وأكياس الرفع . ^{[ 10 ]}

اللزوجة المطلقة (الديناميكية) للماء أعلى (بمقدار 100 ضعف) من لزوجة الهواء. ^{[ 19 ]} وهذا يزيد من مقاومة الماء للجسم المتحرك فيه، ويتطلب بذل جهد أكبر للدفع فيه مقارنةً بالهواء، وذلك نسبةً إلى سرعة الحركة. كما تؤثر اللزوجة على جهد التنفس. ^{[ 20 ]}

يُعد التوتر السطحي عاملاً في تكوين ونمو وإزالة فقاعات الغاز في السائل، وعلى هذا النحو، فهو ذو صلة بجوانب ميكانيكا الفقاعات في نظرية تخفيف الضغط .

الموصلية الحرارية للماء أعلى من الموصلية الحرارية للهواء. ^{[ 21 ]} ولأن الماء ينقل الحرارة أسرع بعشرين مرة من الهواء، ويتمتع بسعة حرارية أعلى بكثير، فإن انتقال الحرارة من جسم الغواص إلى الماء أسرع منه إلى الهواء. ولتجنب فقدان الحرارة المفرط الذي يؤدي إلى انخفاض حرارة الجسم ، تُستخدم العزل الحراري على شكل بدلات غوص، أو التدفئة النشطة. تختلف الموصلية الحرارية للغازات المستخدمة في الغوص اختلافًا كبيرًا؛ فغاز الهيليوكس ، وإلى حد أقل، غاز التريمكس ، ينقل الحرارة أسرع من الهواء لاحتوائه على الهيليوم، بينما ينقل الأرجون الحرارة أبطأ من الهواء، لذا قد يقوم الغواصون التقنيون الذين يتنفسون غازات تحتوي على الهيليوم بنفخ بدلاتهم الجافة بالأرجون. ^{[ 22 ] [ 23 ]} بعض قيم الموصلية الحرارية عند 25  درجة مئوية وضغط جوي عند مستوى سطح البحر: الأرجون: 16  ملي واط/متر/كلفن؛ الهواء: 26  ملي واط/متر/كلفن؛ النيوبرين: 50  ملي واط/متر/كلفن؛ الصوف: 70  ملي واط/متر/كلفن. الهيليوم: 142  ملي واط/م/ك؛ الماء: 600  ملي واط/م/ك. ^{[ 21 ]} علاوة على ذلك، تؤثر التغيرات الحرارية على معدات الغوص؛ فعلى سبيل المثال، ينخفض ​​الضغط الداخلي لأسطوانة الغوص عند غمرها في الماء البارد. ^{[ 24 ]}

تتأثر الرؤية تحت الماء بمعامل انكسار الماء، الذي يُشابه معامل انكسار قرنية العين ، وهو أكبر بنحو 30% من معامل انكسار الهواء. يصف قانون سنيل زاوية الانكسار بالنسبة لزاوية السقوط. ^{[ 25 ]} هذا التشابه في معامل الانكسار هو السبب في عدم قدرة الغواص على الرؤية بوضوح تحت الماء دون قناع غوص مزود بفراغ هوائي داخلي. ^{[ 3 ]} يعتمد امتصاص الضوء على طول موجته، مما يُسبب فقدان الألوان تحت الماء. ^{[ 26 ] [ 27 ]} يُمتص الطرف الأحمر من طيف الضوء لمسافة قصيرة، ويُفقد حتى في المياه الضحلة. ^{[ 26 ]} يستخدم الغواصون إضاءة اصطناعية تحت الماء لإظهار هذه الألوان الممتصة. في المياه العميقة، لا يخترق الضوء من السطح، وتكون الإضاءة الاصطناعية ضرورية للرؤية. ^{[ 10 ]} تتأثر الرؤية تحت الماء أيضًا بالعكارة ، التي تُسبب تشتت الضوء، والمواد الذائبة التي تمتص الضوء. ^{[ 28 ]}

تؤثر الصوتيات تحت الماء على قدرة الغواص على السمع من خلال غطاء بدلة الغوص أو الخوذة، وعلى قدرته على تحديد اتجاه مصدر الصوت. ^{[ 29 ]}