青菜年糕汤

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2019年11月26日

“设计题”:人类如何才能潜水?

作者:青菜年糕汤

姗姗来迟的更新。因为我感恩节这一整个星期都在迈阿密度假学潜水,而在去之前的好几天一直忙着学理论课。

为了坚持做一个周更的博主,我在上完第一天的训练的晚上,瘫在沙发上写了这篇文章。在经过三天训练拿到初级潜水证后,终于在往返西礁岛(Key West)看日落的路上在手机上修改完了。

这周给大家出了一道“设计题”:

根据高中物理知识,设计一套能供人类潜水的方案。

在这里可以暂停一下,想一想,越细节越好,再往下看。也可以边看边停下来想。

最先是呼吸,假设我们已经有了充满压缩空气的钢瓶。

第一个遇到的问题就是,我们在水下应该呼吸多少气压的空气?

直接把压缩空气的阀门打开往嘴里怼可不行,肺承受不了这么高的气压,而且这样气也消耗得太快了。

那正常大气的气压呢?

我不知道这个装置要怎么设计会比较优雅,但把容器中的高压气体以某个更低的气压释放出来,应该是可以做到的(比如高压锅?)。

虽然能做得到,但我们在水下真的能呼吸正常大气压的空气吗?

主要顾虑是水压。

流体压强公式告诉我们,水越深的地方,压强就越大。每十米的水深大概就有一个大气压。也就是当你在水下十米的时候,你的外界有两倍的大气压(一份来自于水,一份来自于水上的空气)。

要是我们呼吸常压的空气,体内的气压是一个大气压,远小于水里的压强,水会因而从鼻子、嘴巴等通气的地方涌入体内。画面太美不敢看。

所以最好要让我们呼吸的空气的气压等于水中的压强。

这也就意味着,我们在上浮下潜的过程中,钢瓶供给的气压得跟着水压变化。

其实,这里并不需要太复杂的装置去探测深度、计算压强,机智的工程师设计了一个很简单的机械结构,就能让呼吸器释放空气的压强一直等于周围水的压强。

但能呼吸到与周围等压的空气,并不意味着我们体内的气压也能马上一样。

比如,要是你屏住了呼吸猛地向上浮了一大段距离,肺里空气的气压依旧是深水的气压,比现在周围的浅水的气压高,肺岂不是要炸?因此,应该缓慢地上浮下潜,并且(也是潜水中最重要的)一直保持呼吸。

再比如,人的耳朵里有一小段空气,并不那么容易与体内外的气体联通。我们在乘很高很快的电梯,过海拔变化大的公路,或者飞机起飞降落的时候都能感觉到。在水里压强的变化比空气大得多,影响当然更大。解决办法一来还是慢慢地上浮下潜,二来就是用飞机起降时乘客常做的动作(什么?你说你要嚼口香糖?)。

解决了呼吸问题,再来考虑一下沉浮。

物体在水里的沉浮取决它的密度与水的密度的关系。如果人加上装备在水里是浮起来的,可以加些铁块之类的配重。如果是沉下去的,加一个“救生衣”就好。

考虑到我们要在水里自由地游动,而不是趴在水面或在水底爬,不妨在加铁块的同时用一个可以充气改变大小的“救生衣”。这样就能自由地把我们调整到水的密度,从而在其中悬浮了。

但这样的调节是一劳永逸的吗吗?

在高中我们学过理想气体状态方程,这里只关心它的简化版(波意耳-马略特定律):在等温过程中,一定质量的气体的压强跟其体积成反比。

也就是说,这个充气“救生衣”在浅的地方因为压力小,体积会大一些;而在深的地方,体积会小一些。

这样,上升到浅的地方时,它提供的浮力会变大,从而让你更快地上升。而在下沉时反之,会让你更快地下沉。

但正如前面所说,潜水时深度变化太快有危险,所以我们应该在上升的时候给“救生衣”放掉一些气,而在下沉的时候给它加一些气。

是不是有点反直觉?但确实是这样。

现在,我们就大致实现了一个让人类能够潜水的设计。你会发现,几乎所有的讨论都是围绕着气压和水压来展开的。

事实上,这个设计思路确实就是休闲潜水(40米以内)普遍采用的方法。

当然,在现实中,为了保证潜水活动的安全和健康,人们还设计了很多重的保险机制,提出了各种限制条件。有兴趣的读者可以自行了解相关内容,我就不详细介绍了。

至于在迈阿密潜水尤其是学习潜水的体验,我会等大功告成后,用下一篇文章来介绍。