Акваланг и подводное плавание

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, необходимое 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.

Применение байпасных (обводных) трубок

Строго говоря, это еще одно конструкторское решение использования эффекта направленного воздушного потока. Подвижная пластинка (рис 2.16) меняет свое положение при каждом вдохе и выдохе. Во время вдоха за ней — в воздушной камере редуктора — создается разрежение, поддерживающее мембрану в вогнутом состоянии.

Использование пилотажного клапана

Для уменьшения общего сопротивления вдоху используется конструкция с дополнительным клапаном, который называется регулирующим (пилотажным). Рассмотрим ее принципиальную схему (рис. 2.17). Устройство обычного клапана вдоха усложняется введением дополнительного изолированного объема (вокруг основного клапана) который соединен с камерой вдоха дополнительным клапаном меньшего размера — он и есть регулирующий. Основной клапан имеет не совсем обычную конструкцию: он "дырявый", т.е. в нем просверлено узенькое отверстие — дюза, через нее дополнительный объем сообщается с системой среднего давления. Регулирующий клапан открывается посредством рычага от мембраны, как обычный клапан в обычном легочнике. Основной клапан подчиняется исключительно разнице давлений.

Итак, оба клапана закрыты, в дополнительном объеме — воздух под средним давлением. Когда за счет усилия вдоха понижается давление в воздушной камере легочника, прогиб мембраны открывает пилотируемый клапан. Воздух из дополнительного объема выходит быстрее, чем поступает туда через дюзу основного клапана, и давление в дополнительном объеме падает. Это приводит к открыванию основного клапана, сечение которого в несколько раз превосходит сечение регулирующего. Когда мембрана возвращается на место, регулирующий клапан закрывается, через дюзу давление в дополнительном объеме выравнивается со средним давлением и основной клапан возвращается в исходное положение.