Физика и физиология 4 (стр. 12 из 58)

Таким образом, для вдоха из легочного автомата дыхательная мускулатура должна развить усилие в пределах 5 см водного столба, чтобы открыть клапан вдоха и поддерживать его в открытом состоянии. Для каждой модели легочника эта величина известна, обязательно внесена в сопутствующую документацию и называется сопротивлением вдоху. Слишком большое сопротивление вдоху развивает усталость дыхательных мышц и вредно по ряду медицинских показателей.

Когда мы начинаем делать выдох, давление в воздушной камере возрастает до величины, необходимой для открытия клапана (клапанов) выдоха. Эта величина называется сопротивлением выдоху и также не превышает в современных моделях 5 см водного столба. Когда усилие выдоха становится меньше этой величины, клапаны выдоха закрываются.

Величины, сопротивления вдоха и выдоха являются "сухопутными", т.е. характеризуют работу легочного автомата на воздухе. При погружении в воду появляются дополнительные факторы, изменяющие усилия дыхания из акваланга. Если легочник находится на одном уровне с вашими легкими (рис. 2.13 А), величины сопротивления вдоха и выдоха примерно равны таковым на суше. Если легочник выше легких (рис. 2.13 Б), давление воды, действующее на мембрану и клапаны выдоха, несколько меньше, чем на ваши легкие, что слегка затрудняет вдох и облегчает выдох. Если же легочный автомат ниже ваших легких (рис. 2.13 В) — вдох становится легче, выдох — тяжелее. Очевидно, что при погружении положение вашего тела постоянно меняется, а вместе с ним меняются динамические характеристики работы легочного автомата. Сопротивление вдоху и выдоху может изменяться в зависимости от температуры окружающей среды и глубины. Сильное течение или волны способны вызывать несанкционированную подачу воздуха увели

чив внешнее давление на мембрану. Несмотря на все эти обстоятельства, "сухопутные" величины сопротивления вдоха и выдоха остаются важной характеристикой его рабочих качеств и непременно должны указываться в технической документации легочного автомата.

Легочник обязательно должен обладать системой принудительной подачи воздуха. В подавляющем большинстве случаев, в середине передней поверхности легочника (рис. 2.12) имеется кнопка, нажатие на которую прогибает мембрану и открывает клапан вдоха. После нажатия кнопка возвращается на место пружиной. Принудительная подача воздуха позволяет очищать воздушную камеру легочника от попавшей внутрь воды без выдоха, напрямую используя воздух из аппарата.

Так устроены наиболее простые модели легочных автоматов, удобные и надежные в эксплуатации и проверенные более чем 40-летним сроком применения. Однако конструкторская мысль не стояла на месте все это время, и с тех пор, появилось множество технических решений, делающих легочные автоматы более комфортными и безопасными. Основные усилия конструкторов были направлены на уменьшение сопротивления вдоху и выдоху, облегчение регулировки этих параметров подводником, создание специальных незамерзающих моделей. Помимо этого, разработано огромное количество мелких приспособлений и хитростей, облегчающих эксплуатацию легочников. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся варианты современных легочных автоматов.

Материалы

Корпус большинства легочников выполнен из пластика, хотя есть и металлические модели. Передняя поверхность некоторых новейших образцов резиновая, что позволяет обходится без кнопки принудительной подачи воздуха — достаточно нажать в любом месте на мягкую переднюю поверхность легочного автомата.

Мягкие детали — мембрана, загубник, клапаны выдоха, — в современных моделях, как правило, изготовлены из силикона. Этот материал имеет ряд преимуществ перед резиной: он мягче, эластичнее и — вместе с тем — долговечнее. Но и легочники с резиновыми деталями достаточно удобны. Средняя часть мембраны, соприкасающаяся с рычажком, обязательно укреплена металлической или пластиковой пластинкой.

Вход для воздуха среднего давления и составные элементы клапана вдоха выполняются из нержавеющих металлических сплавов. В некоторых моделях, специально приспособленных к погружению в холодной воде, элементы подвижных узлов изготавливаются из твердых и прочных водоотталкивающих пластмасс — во избежание образования наледи на трущихся поверхностях.

Остальные составные части легочника (кнопка принудительной подачи воздуха, регулировочные приспособления и т.д.) могут выполняться как из металла, так и из пластика. Поточные и противоточные (прямого и обратного действия) клапаны вдоха

Подавляющее большинство современных производителей подводного снаряжения выпускает легочные автоматы с клапанами вдоха поточного типа. Это позволяет использовать редукторы без специальных предохранительных клапанов — повышение среднего давления в системе вызывает открывание клапана вдоха легочного автомата, который и выпускает избыточный воздух (см. ниже). Отечественная промышленность производит легочные автоматы с клапанами вдоха противоточного типа. Их преимущество в уменьшении усилия вдоха при падении среднего давления, препятствующем открыванию клапана.

Сбалансированные и несбалансированные легочные автоматы

Если редуктор регулятора несбалансированный, среднее давление постепенно уменьшается по мере падения высокого, если сбалансированный — среднее давление будет постоянно при высоком, превышающем 20 — 30 атм., ниже этой величины — начнет постепенно уменьшаться. Когда давление в баллонах опускается ниже установочного давления редуктора, среднее давление, естественно, также начинает падать независимо от конструкции редуктора. Как в поточном, так и в противоточном клапанах величина среднего давления воздуха влияет на открывание клапана вдоха: в первом случае — помогая ему, во втором — препятствуя. Понижение среднего давления помешает клапану открыться — а значит увеличит сопротивление на вдохе — в первом случае и, наоборот, облегчит открывание клапана во втором. Сбалансированные конструкции клапанов делают сопротивление вдоха практически независимым от изменения среднего давления. По очевидным причинам это особенно актуально для поточных легочников. Наиболее распространенное техническое решение балансировки легочного автомата — введение дополнительной поверхности, на которую оказывает действие среднее давление. Как Вы помните, подобное же решение используется для балансировки редукторов и подробно обсуждается в главе 2.5.

Уменьшение сопротивления вдоху

Сбалансированный легочник при уменьшении запаса воздуха в баллонах исключает рост сопротивления вдоху, но не влияет на эту величину саму по себе. Сопротивление вдоха состоит из начального усилия, необходимого для открывания клапана, и поддерживающего усилия, необходимого для сохранения клапана в открытом положении. Для простых легочников, подобных изображенному на рис. 2.12, эти величины практически равны, а график изменения дыхательного усилия от времени показан на рис. 2.14 А.

Множество технических решений, снижающих сопротивление вдоху, можно разделить на две группы: уменьшающие поддерживающее усилие и уменьшающие усилие вдоха в целом. Поддерживающее усилие по времени в несколько раз продолжительнее начального, поэтому поиск технических решений, уменьшающих первое, более перспективен и актуален.

Наиболее распространенный вариант уменьшения поддерживающего усилия — использование эффекта инжектирования воздуха. Из закона Эйлера — Бернулли следует, что чем выше скорость потока газа, тем ниже его давление. В часы пик в метро самая большая давка ожидает нас при входе на эскалатор, в самом начале сужения, а на самом эскалаторе, где развивается максимальная скорость потока — давление со стороны окружающих становится минимальным. Самое начало сужения в строгом понимании — это и есть самое широкое место, где давление максимально. Последнее утверждение спорно в применении к метрополитену, но ведь человеческий поток и не должен строго подчиняться законом газовой динамики. Итак, если воздух выходит из клапана вдоха через узкое сопло с большой скоростью, давление в нем тем ниже, чем выше скорость потока. Обратимся к рис. 2.15 (общая схема эффекта). В результате усилия вдоха в воздушной камере легочника развивается пониженное давление, не

обходимое для открывания клапана. Получивший свободу воздух следует по трубке и через небольшое отверстие — сопло — вырывается в воздушную камеру. Сопло направлено прямо на выход из легочника и воздух "вдувается" в рот. Давление воздуха на выходе из сопла падает ниже давления в камере легочника за счет скорости потока. Образовавшееся разрежение в потоке вызывает уменьшение давления во всей камере легочника и поддерживает мембрану в вогнутом состоянии, даже если усилие вдоха значительно уменьшится. Таким образом, клапан будет поддерживаться в открытом состоянии за счет самого воздушного потока.

В некоторых современных конструкциях легочников эффект инжектирования настолько силен, что усилие необходимо лишь для начальной фазы вдоха, а дальше воздух как будто сам "закачивается" в ваши легкие. Как только вы заканчиваете движение вдоха, скорость потока уменьшается, давление в воздушной камере возрастает и мембрана возвращается на свое место — клапан закрывается. Возможные варианты зависимости усилия вдоха от времени для легочников с инжекцией воздуха приведены на графике (рис. 2.14 Б). Как видите, общая нагрузка по сравнению с диаграммой на рис. 2.14 А снижается в несколько раз, а значит — в несколько раз уменьшается усталость мышц, участвующих в дыхании подводника.