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    <潜水の物理学>
 

  潜水を行うと人体を囲む環境は空気環境から水環境へと変化し、それにつれて種々の物理的作用

 を受ける。水中で人体に影響を与える物理的要素の主なものは圧力、水環境における熱、浮力、光、

 音および各種呼吸ガスの諸特性である。

 

 1.圧力

  圧力とは、物体の表面に垂直に働く力を意味し、その大きさは単位面積当たりの力(または重さ)

 で表わされる。圧力は潜水の最も基礎的かつ重要な物理学的要素である。通常われわれは空気の

 重さを体に受けている。これを大気圧と呼び、水中に入るとこの大気圧に加え水深に応じた

 水の重さ(水圧)が加わる。すなわち、われわれは地上(海面付近)においてすでに1気圧の圧力を

 受けており、海中に潜水した場合には、これに加えて約10mごとに1気圧の圧力(水圧)が加わること

 になる。よって、水深10mの海中においては、人体には約2気圧の圧力が加わることになる。

 このときの圧力を「絶対気圧(atmosphere absolute : ATA)」という。これに対し、

 水深に応じ増加した分の圧力を「ゲージ圧力atmosphere gauge : ATGもしくはG)」

 といい、絶対圧力と区別している。ゲ−ジ圧力は工業上広く使用されており、潜水に使用される

 圧力計や深度計には通常ゲ−ジ圧力が使用されている。

  1気圧とは、水銀柱を760mm押し上げる圧力で760mmHgとあらわされる。

 このとき、水銀の密度は13.595g/p³ であるので、

    1気圧=760 mmHg76×13.595

             ≒1033g/p²

 ともあらわされる。現在では、パスカルPaまたはバ−ルbarであらわされることが

 多くその場合には、以下のようになる。

    Pa =1N/m² N=ニュ−トン、1kgf =9.80665N、fは力の強さを意味する)

 よって、1気圧は、

    1気圧=1033g/p² 1.033kg/p²

              =1.033×9.8066510.130N/p²1013×10²N/m²

                             =1013×10² Pa

 となる。また、バ−ルの場合には、

     bar =1×105 Pa

 であるので、1気圧は、

    1気圧=1013×10² Pa 1.013bar 1013mb(ミリバ−ル)

 となる。

  気圧は元来大気の重さの単位であり、圧力の単位ではないが、便宜上、

    1気圧=760mmHg≒1kg/p² ≒水深10m

 と取り扱う場合がある。

  水圧を考える場合、同じ水深で潜水しても、海水と淡水の場合には、その密度の差から潜水者が

 受ける圧力に差が生じる。淡水の密度を1.0g/p³ とすると海水の密度は1.025g/p³

 となる。今、水深20mで、海水中に潜水した場合と淡水の湖に潜水した場合とを比較すると次のよう

 になる。

   海水中の潜水時に受ける圧力

      =海水面の大気圧(1.033kg/p² )+海水圧(20m×1.025g/p³ 2.05kg/p²

      =3.083kg/p²

   淡水中の潜水時に受ける圧力

      =大気圧(1.033kg/p² )+淡水圧(20m×1.0g/p³ 2.0kg/p²

      =3.033kg/p²

 これらの綿密な圧力計算は、深海潜水や長時間潜水において重要となる。

 1気圧に対する各圧力単位の換算を以下に示す。

    1気圧1 ATA

       =760 mmHg

       =1.033 kg/p²

       =1.013 bar(バ−ル)

       =1013 mb(ミリバ−ル)

       =1013 hPaヘクトパスカル)

       =1013×10² Paパスカル)

 

 2.流体内の圧力の分布と伝達(パスカルの原理)

  水などの液体や空気などの気体はそれ自身決まった形を持たず、小さな力で大きく変形する。こ

 のような性質を持つ物体を流体と呼ぶ。

  静止した流体では、その中の任意の点であらゆる方向について圧力は一定である。このことは、

 潜水時に水中で、圧力計の一種である水深計をどんな方向に向けても同じ値を示すことからも明ら

 かである。いいかえれば、流体中の任意の一点では、あらゆる方向の圧力が釣り合っているという

 ことである。

  流体のもつもう一つの特徴的な性質は、密閉した容器内の静止流体の任意の一点の圧力を増すと、

 他の全ての点で、その分だけ圧力が増えるということである。つまり、流体に加えられた圧力は、

 流体のあらゆる部分に伝達されるということであり、この性質を「パスカルの原理」と呼ぶ。

  パスカルの原理に従えば、常圧下で人体の表面に加わっている圧力は、液体と見なされる体内の

 軟組織のあらゆる部分に伝達され、さらに体内の気体にも伝達され全身の圧力が釣り合うことにな

 る。水中に潜水し高気圧環境下に入った場合には、増加した圧力が体表面から内部に伝わり、新し

 い圧力の平衡がおきることになる。深く潜った場合でも、身体が水圧で押しつぶされることがない

 のは、この理由によるものである。

 

 3.気体の性質

 1)圧力と気体の体積

  気体は、圧力によってその体積が変化するという性質を持っている。圧力が高くなると、それに

 反比例して気体の体積は減少し、逆に、圧力が低くなれば、体積は増加する。この特性は「ボイル

 の法則」と呼ばれている。

  その関係は温度一定の場合、次の式で示される。

   PV=P=一定 ( P,Vは元の圧力、体積、P,Vは変化後の圧力、体積を示す。)

 2)気体の温度と体積の関係(シャ−ルの法則)

  同一圧力に保った気体の体積は温度が上昇すると増加し、温度が下がると減少する。(温度が

 1℃変化すると273分の1づつ体積が変化する)。このような気体の特性は「シャ−ル(シャル

 ル)の法則」と呼ばれている。

  前項に述べたボイルの法則とあわせて温度、圧力、体積の関係を示したものを「ボイル・シャ−

 ルの法則」という。空気ボンベを直射日光にさらしてはいけない理由は、温度が高くなると内部の

 ガスが膨脹して圧力が高くなり(ボイル・シャ−ルの法則)、安全弁を働かせるなどの事故を起こ

 すためである。

  一般に気体の体積を示すには、圧力、温度の二つの条件を示すことが必要であり、通常1気圧、

 0℃の状態を標準状態とする。

 3)圧力と気体の密度

  同一成分の気体では、温度が一定であれば、圧力に比例して単位体積中の気体の分子数が変化
  す
るので、その質量すなわち密度も変化する。たとえば、1気圧、18℃の環境下では空気の密度は

 1.2250kg/m³であるが、3気圧では3.6750kg/m³となる。潜水においては潜水深度が増すに

 つれ圧力(水圧)が増加してくると、空気の密度が増加し、それにより呼吸する空気が重くなり、

 呼吸抵抗や送気系統の抵抗の増加につながる。

 4)圧力と気体の分圧(ダルトンの法則)

  2種類以上のガスにより構成される混合気体では、それぞれのガスの圧力(分圧)は、混合気体

 中に占めるガスの割合によって分配される(ダルトンの法則)。したがって、それぞれのガスの分

 圧の和は、混合気体の全圧と等しくなる。

  空気も混合ガスの一種であり、1気圧下の空気の場合、それに含まれるガスの割合は、酸素が
  約
21%、窒素が約78%、少量のアルゴンや炭酸ガスなどその他のガスが約1%となっている。
  ダ
ルトンの法則に従えば、それぞれの分圧は、酸素が約0.21気圧、窒素が約0.78気圧、その他

 のガスが約0.01気圧となる。

 5)気体の分圧と溶解(ヘンリ−の法則)

  液体中に溶け込むことのできる気体の量は、温度が一定であれば、その気体の分圧に比例する

 (ヘンリ−の法則)。すなわち水深10m(2気圧)においては、液体中に溶け込む気体の量は大

 気圧(1気圧)の2倍になるということである。

  たとえば、窒素が水に溶け込める割合(溶解度)は、1気圧、37℃で0.01227であるから、

 ヘンリ−の法則に従えば、78%の窒素を含む1気圧の空気中での窒素溶解度は、

    0.01227×0.780.00957

 となる。したがって、2気圧の空気中での溶解度は、

    0.00957×20.01914

 となり、同様に、4気圧の空気中では、

    0.00957×40.03828

 と溶解度が増すことになる。このことは潜水を行い高圧空気を呼吸すると、人体内に溶け込む窒素

 の量は潜水深度に比例して増加することを意味している。

  体内に溶解する窒素量の増大は、浮上(減圧)が早すぎるとその排出が間に合わず体内で気泡化し、

 潜水病(減圧症)をおこす原因となる。

 6)その他

  気体は分子活動が激しいので、新しいガスが局部的に混合されてもたちまち拡散され、どの部分

 も均一の混合比となるが、非常に高い圧力下では密度が高くなるため、拡散しにくくなる(混合し

 にくくなる)。このため、呼吸用の混合ガスを作るときは、あらかじめ十分に混合した気体を圧縮

 することが必要である。

  また、うすい透過膜を境として異種の気体または混合比の異なるガスが接するときには双方平衡

 になるまで過剰な分圧のガスの拡散浸透が行なわれる。呼吸による肺での酸素の摂取、炭酸ガスの

 排泄はこの作用によるものである。

  潜水者に供給される高圧の空気には水蒸気が含まれている場合があり、この高圧空気が急速に
  膨
脹すると温度が下がり、寒冷地などではレギュレ−タ−等が凍結してしまう場合もある。

 

 4.各種気体の特性

  潜水で減圧症を始めとする種々の高気圧障害を予防するためには、呼吸する各種気体の特性を

  よく理解しておくことが必要である。以下に示す気体の特性は、潜水者にとって潜水生理上特に重要

 である。

 1)空気

  空気は、酸素21%弱、窒素78%強、炭酸ガス0.03%,その他のガスおよび水蒸気から構
  されている混合ガスであり、通常の潜水においては呼吸用のガスとして用いられてる。

 2)酸素

  酸素は無色、無味、無臭の気体で液体に少し溶ける。酸素は、物の燃焼を支える力があり、体内

 に取り入れられた酸素が、他の物質と化学的に反応し、この際放出されるエネルギ−が生命を支え

 る原動力となるものである。このように酸素は生命維持に必要不可欠のものであるが、濃密な(高

 い圧力下の)酸素は有害で、酸素中毒を引き起こす。

 3)窒素

  窒素は無色、無味、無臭の気体で化学的には安定しており、不活性ガスと呼ばれる気体の一種で

 ある。高分圧窒素には麻酔作用があるため、高い圧力下で窒素酔いを引き起こす。また急速な減圧

 では体内で気泡化し減圧症の原因となる。

 4)ヘリウム

  ヘリウムは無色、無味、無臭のきわめて軽い気体で、化学的には他の元素と全く化合せず非常に

 安定した気体であり、窒素と同様、不活性ガスと呼ばれている。

  ヘリウムには窒素のような麻酔作用が無く、また、軽い気体であるため呼吸抵抗が少ないので、

 酸素と混合させ深海潜水用の呼吸ガスとして用いられている。しかし、熱伝導性が高いために潜水

 者の体温を奪ってしまったり、「ドナルドダック・ボイス」と呼ばれる音声が不明瞭になるを起こ

 す欠点がある。

 5)炭酸ガス

  炭酸ガスは無色、無味、無臭の気体で、人体の代謝作用や物質の燃焼によって生じる。生物の

  呼吸に微少量必要であるが、大気圧下で2%以上の濃度になると中毒作用を引き起こす。

 6)一酸化炭素

  一酸化炭素は、非常に有毒な気体で、エンジンの排気に多く含まれるほか、物質の不完全燃焼や

 コンプレッサ−オイルの過熱などによっても発生する。吸引すると微量でも中毒症状を引き起こす

 ので、エンジン駆動式コンプレッサ−を用いて、送気式潜水を行ったり、ボンベ充填を行う場合に

 は呼吸ガスに一酸化炭素が混入しないように十分注意することが必要である。

 

 5.水圧

  4℃の温度における純粋な水cm3 の重量はgである。いま底面積cm²の箱に水を満たし

 たとして、水の深さが10mであれば、水の体積は1,000cm3 、その重量は1,000g1kg である。

 つまり、箱の底には1kg/cm² の圧力がかかることになる。水の深さを20mにすれば底面での
  圧
力は2kg/cm²30mにすれば3kg/cm²以下同様にして、水深10mを増すごとに、水圧は

 1kg/cm²ずつ増えていく、すなわち、

    水圧kg/cm² (ケ−ジ圧)=水深(m)/10m

 となる。

  水は流体であるから、パスカルの原理により、水中にあるものは、どの向きの面にも均一に、圧

 力をうける。すなわち、一定の深さのところでは、深度計を上向きに置いても、下向きに置いても、

 その示す深度(圧力)は同じである。

  海水塩分量と水圧変化の関係をみると、日本近海における海水の重さは真水の1.0231.028

 である。つまり同じ海中であっても、含んでいる塩分の量によって5/1,000 くらいの重量(水圧)

 変化がある。また、海水温度と水圧の変化の関係をみると、潜水作業場所における水温はおおむね

 0〜30℃の範囲であり、その際の圧力変化は2/1,000以内である。これらはいずれも非常に

 小さな量であるので実用上は問題にしなくて良い。

 

 6.浮力

  水中にある物体は、これと同体積の水の重量に等しい浮力を受ける(アルキメデスの原理)。し

 たがって、物体がこれと同体積の水より重ければその物体は沈み、軽ければ浮く。同じである場合

 には浮きも沈みもしないで置かれた位置にとどまっている(中性浮力)。わずかに軽ければゆっく

 り浮き上がり、非常に軽ければ急速に浮き上がる。逆に重い場合は同じ理屈で沈んでいく。人の
  体
には多少の個人差があるが、だいたいにおいて水よりも軽く、その割合は水1Aに対して0.97

 前後である。いま人の体積が65Aあるとすれば、体重は、

    65×0.97=63kg

 となる。65Aの水の重量は65kgであるので、人の体重の63kgと比べてみると体重の方が

 2kg軽いから、わずかに浮力がちとなって水面に浮くことになる。

  このような人に2kgのおもりをつければ水と同じ重さとなるので、水中にふわふわただよう中

 性浮力状態となる。このような浮力の作用は、圧力により体積変化を起こさない圧縮性のない物体

 の場合には、浅いところでも深いところでも変化しないが、圧縮性のある物体の場合には、圧力に

 よって体積が変化するため、水深によって浮力も変化する。

  たとえば、1Aの体積をもつ非常に軽いゴム製のボ−ルの中に0.8kgの物体を入れ密封し

 水中に置いた場合、水の1Aに相当する1kgの浮力に対して、ボ−ル自体の重さが無視出来るほど
 
軽いとすれば、ボ−ルの重量は0.8kgとなるから、0.2kgの浮力がちとなって浮くことが

 出来るが、これを水深10mのところにもっていくと、ボ−ルの1Aの体積は0.5 Aに

 圧縮される。そのため、浮力は0.5kgと減じるのに対して、ボ−ルの重量は0.8kgである

 から、この場合は0.3kgの沈みがちとなり沈んでしまう。さらに深さを増せばいっそう体積は

 減少して、浮力も減少していくので加速度的に沈下していくことになる。これとは逆に、ボ−ルを

 海底より浮上させる場合も理屈は同じであり、沈みがちなものを徐々に引き上げていけば圧力

 減少によってボ−ルは徐々に膨脹し、体積が0.8Aを超えたところより浮上しはじめ、次第に

 加速度的に浮上することになる。

  このようにして、一定の重量のものが水中で上下し水圧によってその体積が変化する場合、これ

 にともなって浮力も変化するということは、潜水において重要な意味を持っている。

  つまり、ドライス−ツやヘルメット式潜水服を着用して潜水している潜水者は、服の中に圧力に

 よって体積が変わる空気があるために、水圧による浮力の影響を受けることになる。たとえば、
 潜
水作業中急に送気が増したり、または服から空気がうまく排出できず服内の空気量が増すと、

 周囲の水圧に打ち勝って服はふくれあがってくる。すると、潜水者の占める体積が増大するので、

 浮力は増大し、身体は浮かび上がる。この時、浮力(体積に比例する)が潜水者の重量と釣り合う

 ように排気調整を行わないと、浮上は止まらず、さらに浮かびあがることによって周囲の水圧が

 減ってくるため、ますます服の体積は増加し、浮力がふえて急速に上昇することになる。これを

 「吹上げ」という。

  反対に、おもりをつけて身体の浮力を釣り合わせている潜水者は、もし、服内の空気が不足し、

 外圧によって服の占める体積が減れば浮力も減るので、沈降をはじめる。そして、深くなればなる

 ほど水圧は増し、その圧力で服内の空気は圧縮され、体積は減少していくので、浮力も同様に減少

 し急速に沈降していくことになる。これを「潜水墜落」という。これらは、水の浮力と水圧の関係

 で、圧縮性の空気が体積を変えることによって生ずるものであるから、この作用による事故を防ぐ

 ためには、服内の排気および給気の量、おもりの付加量に十分な配慮をする必要がある。

  また、ウエットス−ツを用いた場合においても、素材に空気の独立気泡を無数に持つネオプレン

 ゴムが使用されているので、水深の増加にともない気泡が圧縮されていけば著しく浮力を失うこと

 になる。

 

 7.水中での光と音の伝播

 1)光

  水中にはいった太陽光線は次第に吸収され、透明度の良い水中でも水深4.4mで照度は1/4

 に、水深15mでは1/8にも減少する。また赤い色が最も吸収されやすいのに対して、青い色は

 最も吸収されにくい。水中ではものが青のフイルタ−を通したときのように見えるのはこのためで

 ある。これも深海では暗闇となり、何もみえない。濁った水中では透明度は著しく減少し、ほとんど

 ゼロになることもある。このような水中で良く見える色は、蛍光性のオレンジ、次いで白、黄と

 いった順である。

  空気と水の境界では一定の入射角以内では光は屈折する。このときの屈折率すなわち、入射角と

 屈折角の正弦(sin の比は4/3である。顔マスクを通して水中の物体をみると、実際の
 位置よ
り近く、また大きく見えるのはこのためである。

 2)音

  空中では音は毎秒330mの速度で伝わるが、水中ではこれよりはるかに速く、毎秒1,400
 となり、かつ、長い距離を伝達することができる。このことは両耳効果を減少させ、音源の方向

 探知を事実上不可能にする。そのため船が近づいたのに潜水者がその位置を確認できず、
 そのまま
浮上してスクリュ−で大けがをした事故例もある。

 

 
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