Обучение дайвнгу. Физика. Часть 4. ВОСПРИЯТИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Отличие водной среды от воздушной среды.

рисунки А. Ландер
Свойства воды.

Вода – устойчивое в обычных условиях химическое соединение водорода и кислорода, существующее в жидком, твердом и газообразном состояниях.

Вода – самое распространенное вещество на Земле:
· 3/4 поверхности планеты состоит из воды: моря, океаны, реки, ледники и т.д.;
· вода в больших количествах содержится в земной коре (подземные воды, в составе почвы);
· вода входит в состав минералов, горных пород (глина, гипс и др.);
· вода содержится в составе растительных и животных организмов, достигая в некоторых случаях до 99% их массы;
· вода входит в состав атмосферы.

Чистой воды в природе нет – она всегда содержит примеси.
Морская вода – естественный водный раствор различных солей, в котором основную массу составляют ионы натрия, магния, калия, кальция, хлора, серы, а также содержатся взвешенные твёрдые частицы, растворённые газы, некоторые органические соединения.
Всё, что известно о воде сегодня, убедительно свидетельствует о том, что это не такое уж «простое» соединение. За ним стоят очень сложные физические и химические закономерности и неожиданные отступления от них, идущие в разрез с привычными представлениями. Это самое загадочное вещество Вселенной.
Вода является универсальным растворителем (растворяет многие газы, жидкие и твёрдые вещества).

Аномальные свойства воды.

· Лёд плавает на поверхности водоёма, r(льда)=0,92г/см3, max r(воды) при +40С=1г/см3, т.е. плотность твёрдого вещества ниже его плотности в жидком состоянии.
· При замерзании воды (при переходе из жидкого состояния в твёрдое) происходит расширение объёма.
· Вода обладает самой высокой теплоёмкостью (в 3100 раз больше, чем воздух).

Физические свойства воды.

1. Температура.

Температура кипения воды Ткип = 100°С.
Температура кристаллизации (замерзания) дистиллированной воды при нормальном атмосферном давлении принимается равной 0°С и служит начальным значением температурной шкалы термометра Цельсия.
Процесс замерзания пресной и соленой воды происходит скачком с выделением теплоты кристаллизации. Обратный процесс, т.е. таяние льда, происходит с поглощением того же количества теплоты, но без скачка, постепенно.
Переохлаждение воды в природе, т.е. понижение её температуры замерзания по отношению к 0°С, наблюдается очень часто. В речных условиях переохлаждение поверхностного слоя воды составляет даже порядка – 1°С.
Переохлажденная на поверхности реки вода переносится в глубину турбулентным течением и в благоприятных условиях образует внутриводный (шуга) и донный лед. При этом степень переохлаждения глубинных вод значительно меньше, чем поверхностных. Переохлаждение наблюдается также в озерах и морях, где оно впервые и было обнаружено еще в XVIII веке в виде так называемого якорного льда на опущенных на дно якорях.
В лабораторных условиях в капиллярных трубках дистиллированную воду удалось переохладить до температуры – 33°С.

2. Плотность.

Плотность однородной сплошной среды определяется массой вещества этой среды в единице объема:

= m/V.

Вода является значительно более плотной средой по сравнению с воздухом (приблизительно в 770 раз), т.е. молекулы воды расположены ближе друг к другу.
Плотность чистой (дистиллированной) воды = 1 г/см3 или 1 г/мл.
Плотность соленой воды превышает плотность дистиллированной воды и зависит от состава растворенных солей и общей солености S. Общая солёность морской воды не превосходит 40%, тогда как в солёных озерах она достигает 250 – 300%.

Для расчётов в дайвинге принято считать, что удельный вес морской воды составляет 1,03 г/см3

3. Электропроводность.

Чистая вода – очень плохой проводник электричества. Но уже небольшое количество примесей резко увеличивают её электропроводность.

Изменение зрительного восприятия окружающей среды.

Для того, чтобы лучше понять, почему меняется зрительное восприятие при погружении под воду, необходимо немного сказать о том, как видит человеческий глаз и что представляет собой свет.

Свет – электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбужденном состоянии веществом, воспринимаемое человеческим глазом. Вообще, под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области оптического спектра.
В узком смысле свет – это электромагнитные волны, вызывающие в глазу человека зрительные ощущения – видимое излучение.

Видимое излучение (или свет) – электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом и занимающее участок спектра от 380 до 780 нм. Электромагнитные излучения видимого диапазона частот воспринимаются человеком, как разные цвета, в зависимости от частоты.
Цвет (одна из характеристик света) определяется длиной волны для монохроматического излучения, или суммарным спектром сложного излучения. Хотя спектр видимого света непрерывен и, следовательно, невозможно отделить один цвет от другого, принято следующее деление:

красный 620–750 нм 4,5 моранжевй 590–620 нм 15 мжелтый 570–590 нм 30 мзеленый 495–570 нм 75 мголубой 450–495 нм 75 мсиний 75 мфиолетовый 380–450 нм 30 м

Ощущение цвета у человека возникает при возбуждении цветочувствительных клеток – рецепторов глазной сетчатки, колбочках. У человека существует три вида колбочек – «красные», «зелёные» и «синие», соответственно. Светочувствительность колбочек невысока, поэтому для хорошего восприятия цвета необходима достаточная освещённость или яркость. Наиболее богаты цветовыми рецепторами центральные части сетчатки. Каждое цветовое ощущение у человека может быть представлено в виде суммы ощущений этих трех цветов (т.н. «трёхкомпонентная теория цветового зрения»). Очень сильный свет возбуждает все 3 типа рецепторов, и потому воспринимается, как излучение слепяще-белого цвета. Если на пути светового луча встает какой-либо объект, в зависимости от его природы, он будет поглощать волны определенных длин и отражать другие. Если отражаются все волны видимого спектра, происходит равномерное раздражение всех трёх видов колбочек, соответствующее средневзвешенному дневному свету, и это вызывает ощущение белого цвета. Если же не происходит отражение ни одной волны, то этот цвет глаз воспринимает, как черный.

Поскольку световая энергия перемещается в виде волн, можно предсказать способность воды поглощать свет.
На большой глубине объекты красного цвета воспринимаются как бурые, серые или зелёные (в зависимости от прозрачности воды и глубины), в связи с тем, что длины волн, которые «отвечают» за красный цвет, поглощаются столбом воды.

Другое свойство света, влияющее на изменение зрительного восприятия окружающего мира – это рефракция или преломление.

Преломление света – явление, заключающееся в изменении направления распространения световой волны при переходе из одной среды в другую, отличающуюся показателем преломления света. Показатель преломления света – мера оптической плотности среды, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в среде. Показатель преломления света зависит от частоты света и от параметров состояния среды.

Показатель преломления вакуума принят за единицу. Поскольку воздух по своей преломляющей способности пренебрежимо мало отличается от вакуума (всего на 0.03 %), то в оптическом отношении между ними можно не делать различий.
Показатель преломления воды – 1,33.

Светопреломляющий аппарат глаза представляет собой сложную систему линз, формирующую на сетчатке уменьшенное и перевёрнутое изображение внешнего мира.

Фокусировка изображения обеспечивается за счёт изменения кривизны хрусталика. При этом показатель преломления глаза как оптической системы приблизительно равен 1,3.

Это объясняет, почему человеческий глаз не может нормально видеть в водной среде. Показатели преломления воды и глаза практически равны (1,33 и 1,3) в результате чего при переходе из одной среды в другую лучи практически не ломаются и изображение фокусируется далеко за сетчаткой, как при дальнозоркости. Острота зрения падает в 100 раз.

Надев маску, аквалангист создает воздушную прослойку между глазом и водой. Глаз видит нормально.

Но за счёт того, что лучи пред тем, как попасть в глаз, проходят через воду (воздух-вода-воздух-глаз), возникает мнимое изображение. В результате этого явления все предметы под водой кажутся ближе, чем они есть на самом деле с соотношением 4:3 или больше на 25%.

И еще одно свойство воды, о котором стоит упомянуть в связи с изменением зрительного восприятия, это способность воды рассеивать свет.

Рассеивание или диффузия – сокращает количество света, достигшего определенной глубины, уменьшает или устраняет тени в подводном пространстве. Огромное влияние на явление рассеивания света оказывает мутность воды – относительная концентрация взвешенных частиц.

Изменение звукового восприятия.

Звук – акустическая энергия, которая является формой механической энергии. Звук – упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания. Таким образом звук может существовать лишь внутри вещества.

Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и частотой. Считается, что человек слышит звуки в диапазоне частот от 16 Гц до 25 000 Гц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком, выше до 1 МГц – ультразвуком.

Одной из характеристик звука является скорость его распространения.Скорость звука – скорость распространения звуковых волн в среде. Как правило, в газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях скорость звука меньше, чем в твёрдых телах.

В воздухе при нормальных условиях скорость звука составляет 331.46 м/с (1193 км/ч). В воде скорость звука составляет 1485 м/с. Т.е. в воде звук распространяется в 4,48 раза быстрее, чем на воздухе.

В связи с этим дайверы не способны определить местонахождение источника звука под водой. Звуковая волна достигает обоих ушей, и только через некоторое время, необходимое для обработки поступившей информации, местонахождение звука определяется. Из-за неприемлемо высокой для человеческого уха скорости распространения звука времени на идентификацию расположения источника не хватает. Под водой кажется, что звук раздается со всех сторон одновременно.

Вода и тепло.

Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики Теплопередачу невозможно остановить, возможно только замедлить её.

Существуют три способа передачи тепла:

· теплопроводность – распространение теплоты путем прямого контакта;
· конвекция – распространение тепла посредством текучей среды (жидкость или газ);
· излучение – распространение тепла путем электромагнитных волн.

Дайверы наиболее подвержены теплопроводности.

Для дайверов высока опасность переохлаждения.

В силу своей большей плотности вода проводит тепло приблизительно в 20 раз быстрее, чем воздух. Следовательно при одинаковых внешних условиях в воде человек замерзнет в 20 раз быстрее. Температура в 22 градуса Цельсия на воздухе является вполне комфортной для человека. В воде такой же температуры человек может находиться очень ограниченное время без риска получить переохлаждение.