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ダイビング物理学、または水中ダイビングの物理学は、水中環境が水中ダイバーとその装備に与える影響、呼吸ガス混合物の混合、圧縮、保管、および大気圧での使用のための供給の影響を説明する物理学の基本的な側面です。これらの影響は主に、水中への浸水、深度の静水圧、および呼吸ガスに対する圧力と温度の影響によって生じます。ダイビングの生理学的影響、呼吸ガスの計画と管理、ダイバーの浮力制御とトリム、およびダイビングの危険性とリスクを考慮する場合、背後にある物理学の理解が役立ちます。
呼吸ガスの密度の変化は、ダイバーが効果的に呼吸する能力に影響を与え、呼吸ガス成分の部分圧の変動は、ダイバーの健康と水中での機能能力に大きな影響を与えます。
ダイビングに特に関連する物理学の側面
水中のダイビング環境がダイバーとダイビング機器に与える影響を説明する主な物理法則は次のとおりです。
浮力
アルキメデスの原理（浮力） - 表面張力のわずかな影響を無視すると、流体に完全にまたは部分的に浸された物体は、物体が押しのけた流体の重量に等しい力によって浮かび上がります。したがって、水中では、押しのけた水の体積の重量とダイバーの体とダイバーの装備の重量を比較して、ダイバーが浮くか沈むかが決まります。[1] [2]浮力の制御、特に中性浮力を維持できることは、重要な安全技術です。ダイバーは、ドライスーツ、浮力補正装置、ダイビングウェイトシステム、リフティングバッグを効果的かつ安全に操作するために、浮力を理解する必要があります。[3]
プレッシャー
圧力を面積に分散した力としてとらえる概念と、潜水深度による圧力の変化は、潜水の生理学、特に減圧と気圧外傷の生理学を理解する上で中心的な役割を果たします。[4]
大気圧ダイバーにかかる絶対圧力は、局所的な大気圧と静水圧の合計です。[5] [6]静水圧は、深度より上の水柱の重さによる大気圧の成分であり、通常は海水メートルまたは海水フィートで表されます。[4]
呼吸ガス混合物中の成分ガスの部分圧は、肺の血液への拡散速度と動脈血中の濃度を制御し、血液ガスの濃度は体組織における生理学的効果に影響を及ぼします。部分圧計算は呼吸ガスの混合と分析に使用されます[7]
デルタPハザードと呼ばれるダイビングハザードの一種は、深度による周囲圧力の変化以外の圧力差によって引き起こされます。この圧力差によって流れが生じ、ダイバーが巻き込まれ、海洋スラスタの取水口や水門など、怪我をする可能性のある場所まで運ばれる可能性があります。[8]
ガス特性の変化
気体の状態方程式は、ダイバーが通常遭遇する圧力の範囲内では複合気体法則または理想気体法則として、または他の特性が一定に保たれている場合の 2 つの特性の関係を関連付ける従来から表現されている気体法則として組み合わせて表現されることもあり、圧力、体積、温度の変化を計算するために使用されます。たとえば、ボイルの法則は、温度が一定である場合に圧力が変化すると体積が変化することを示しています。[1]たとえば、非剛性容器 (ダイバーの肺や浮力補正装置など) 内のガスの体積は、ダイバーが水中に潜っている間に外部圧力が増加すると減少します。同様に、このような非剛性容器内のガスの体積は浮上時に増加します。ダイバーとダイバーの装備内のガスの体積の変化は浮力に影響します。これにより、浮上と潜下の両方で正のフィードバックループが作成されます。ダイバーが呼吸するオープン サーキット ガスの量は、圧力と深度とともに増加します。[6] 一定の圧力で温度が変化すると体積が変化するというシャルルの法則と、一定の体積で温度が変化すると圧力が変化するというゲイ＝リュサックの第二法則（もともとはギヨーム・アモントンによって提唱され、アモントンの法則と呼ばれることもある）。これは、例えば急速充填した直後など、温かいダイビングシリンダーで冷水に入るダイバーが、ダイビングの早い段階でシリンダー内のガスが冷えるため、シリンダーのガス圧が予想外に大きく低下する理由を説明しています。[9] [3]
呼吸ガスの混合物では、ガス混合物の個々の成分の濃度は、その分圧と体積ガス分率に比例します。[1]ガス分率は混合物の成分に対して一定ですが、分圧は全圧の変化に比例して変化します。分圧は、窒素中毒や酸素毒性を回避するための限界を表すのに便利な尺度です。[6] ドルトンの法則は、混合物の全圧を形成する分圧の組み合わせを説明しています。[1]
気体は圧縮性が高いが、液体はほとんど圧縮できない。ダイバーの体内のガス空間と柔軟な装備に保持されたガスは、ダイバーが潜るときに収縮し、ダイバーが浮上するときに膨張する。[10] [6]自由な膨張と収縮が制限されると、ガスは封じ込められた壁に不均衡な圧力をかけ、それが過剰になると、気圧外傷と呼ばれる損傷や傷害を引き起こす可能性がある。[11]
ガスの溶解度と拡散
ヘンリーの法則は、圧力が増加すると、体の組織に溶解できるガスの量が増加することを説明しています。 [12]この効果は、窒素中毒、酸素毒性、減圧症に関係しています。[6]
体組織に溶解したガスの濃度は、多くの生理学的プロセスに影響を及ぼし、拡散速度、呼吸ガスの成分の体組織への溶解度、圧力によって左右されます。特定の圧力下で十分な時間があれば、組織はガスで飽和し、圧力が上昇するまでそれ以上吸収されません。圧力が溶解したガスの除去よりも速く低下すると、濃度が上昇して過飽和が発生し、既存の気泡核が成長することがあります。減圧症における気泡の形成と成長は、気泡の表面張力、圧力変化、過飽和の影響を受けます。[3] [4]
密度の影響
呼吸ガスの密度は絶対圧に比例し、レギュレーターの呼吸性能と呼吸仕事量に影響を及ぼし、ダイバーの作業能力、極端な場合には呼吸能力に影響を及ぼします。水、ダイバーの身体、装備の密度によって、水中でのダイバーの見かけの重量が決まり、したがって浮力が決まり、浮力のある装備の使用に影響します。[13]密度と重力は静水圧を生成する要因です。ダイバーは、ダイビングウェイトシステムに鉛などの高密度材料を使用し、浮力補正装置やリフティングバッグには空気などの低密度材料を使用します。[6]
粘度の影響
水の絶対（動）粘度は空気よりも（100倍程度）高い。[14]これにより、水中を移動する物体の抗力が増大し、移動速度に比べて水中での推進には空気中よりも多くの労力が必要となる。粘度は呼吸の仕事にも影響を与える。[15]
熱バランス
水の熱伝導率は空気よりも高い。[16]水は空気よりも20倍も熱を伝え、熱容量もはるかに高いため、ダイバーの体から水への熱伝達は空気よりも速く、低体温症につながる過度の熱損失を避けるために、ダイビングスーツの形で断熱材を使用したり、能動加熱が使われたりする。ダイビングで使用されるガスは熱伝導率が大きく異なる。ヘリオックスと、それほどではないがトリミックスはヘリウムを含んでいるため空気よりも熱伝導が速く、アルゴンは空気よりも熱伝導が遅いため、ヘリウムを含むガスを呼吸するテクニカルダイバーはドライスーツをアルゴンで膨らませることがある。[17] [18] 25℃、海面大気圧での熱伝導率の値は、アルゴン：16 mW/m/K、空気：26 mW/m/K、ネオプレン：50 mW/m/K、ウールフェルト：70 mW/m/Kである。ヘリウム：142 mW/m/K、水：600 mW/m/K。[16]
水中視力
水中での視力は水の屈折率の影響を受けます。水の屈折率は目の角膜の屈折率と似ており、空気より約 30% 大きいです。スネルの法則は、入射角に対する屈折角を説明しています。[19]この屈折率の類似性のため、ダイバーは内部に空気層のあるダイビングマスクを着用しないと水中をはっきりと見ることができません。 [3]光の吸収は波長に依存し、水中では色が失われます。[20] [21]光のスペクトルの赤い端は短距離で吸収され、浅い水の中でも失われます。[20]ダイバーは水中で人工光を使用して、吸収された色を明らかにします。深い水では表面からの光は浸透せず、見るためには人工照明がまったく必要になります。[6]水中での視力は、散乱を引き起こす濁度や、光を吸収する溶解物質の影響も受けます。 [22]
水中音響
水中音響は、ダイバーがダイビングスーツやヘルメットのフードを通して聞く能力や、音源の方向を判断する能力に影響を与えます。[23]
ダイバーにとって興味深い環境物理現象
大規模な水域で発生し、ダイバーに実際的な影響を与える可能性のある物理現象には、次のものがあります。
- 風などの気象の影響は波を引き起こし、水上および水中の温度や気圧の変化にも影響します。中程度の強風でも、海上での遭難や怪我のリスクが高まるため、ダイビングができなくなることがあります。水温が低いと、ダイバーはダイビングスーツを着用する必要があり、ダイビングレギュレーターの凍結などの問題が発生する可能性があります。[3] [6]
- 塩分躍層、つまり強い垂直の塩分濃度勾配。例えば、淡水が海に流れ込む場所では、淡水はより密度の高い塩水の上に浮かび、すぐには混ざらない場合があります。屈折率が異なるため、層間の境界できらめきや反射などの視覚効果が発生することがあります。[3]
- 海流は水を数千キロメートル以上も運び、温度や塩分濃度の異なる水を地域にもたらすこともあります。海流の中には地元の気候に大きな影響を与えるものもあり、例えば北大西洋の暖かい海水はヨーロッパ北西海岸の気候を和らげます。水の移動速度はダイビングの計画や安全性に影響を与える可能性があります。[3] [6]
- サーモクライン、つまり急激な温度変化。気温が水温よりも高い場合、浅い水は空気と日光によって温められるが、深い水は冷たいままなので、ダイバーが潜るにつれて温度が下がる。この温度変化は小さな垂直間隔に集中することがあり、サーモクラインと呼ばれる。[3] [6]
- 冷たい真水が暖かい海に入ると、真水はより密度の高い塩水の上に浮かぶため、ダイバーが潜るにつれて温度が上昇します。[3]
- 地熱活動にさらされている湖では、深層水の温度が表面水よりも高くなることがあります。これにより対流が発生します。[3]
- 氷点近くの水はそれよりわずかに温かい水よりも密度が低くなります。水の最大密度は約4℃です。そのため、氷点近くの水では、水深が深いほど表面よりもわずかに温かい場合があります。[3]
- 潮流と海面の変化は、重力と地球の自転によって引き起こされます。ダイビングスポットによっては、潮の満ち引きが逆転して流れが遅くなる干潮時にのみ安全にダイビングできます。強い流れはダイバーにとって問題を引き起こす可能性があります。強い流れが垂直面にぶつかると、浮力の制御が難しくなる場合があります。ダイバーは流れに逆らって泳ぐと呼吸ガスを多く消費します。水面にいるダイバーは、流れによってボートカバーから引き離される可能性があります。一方、ドリフトダイビングは適度な流れがある場合にのみ可能です。[3] [6]
参照
参考文献
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