スキューバ ダイビングの物理学

レット・アレイン

私は必要以上にスキューバダイビングをしていました。 オープンウォーターダイビング、​​テクニカルダイビング、​​スピアフィッシング、洞窟ダイビングなど、ほとんど何でもやりました。 これは素晴らしいものを見ることができる楽しいスポーツですが、人間を安全に水中に入れるプロセスには大量の科学が投入されています。 それでは、スキューバ ダイビングが物理学について何を教えてくれるのかを見てみましょう。

おそらく、スキューバ ダイバーが圧力に対処するときに最初に考えるのは、タンクの圧力です。 スキューバ タンクには比較的少量の中に大量の空気が含まれており、これを行う唯一の方法は空気を圧縮して高圧を生成することです。 ダイバーは圧力計を使用してタンク内に残っている空気の量を確認できます。 通常、満タンのタンクの圧力は 3,000 ポンド/平方インチ (psi) です。 200 psi 以下になったら水から出る必要があります。

地球を覆う通常の空気の大部分は窒素分子であり、その約 79 パーセントを占めています。 残りは酸素で、約 21 パーセントです。 これらの分子は、異なる速度と異なる方向に移動する超小さなボールのようなものであると想像できます。 このガスが容器内にある場合、分子の一部は壁に衝突し、壁で跳ね返り、方向を変えるでしょう。 この動きの変化は、各分子が壁に小さな力を及ぼすことを意味します。 (壁やコンテナが大きいほど、衝突が多くなり、全体的な力も大きくなります。)

気体分子の運動を説明する 1 つの方法は、単位面積あたりの力を考えることです。 これはガスの圧力です。

力をポンドで測定し、面積を平方インチで測定すると、圧力はポンド/平方インチ (psi) で求められます。 これは、米国におけるタンク圧力の最も一般的な単位です。

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もう 1 つの単位は bar で、1 bar は 14.5 psi に相当します。 1 bar の値は地球上の大気圧に非常に近いです。 今あなたを取り囲む空気の気圧はおそらく 14.5 psi です。 (はい、私が「おそらく」と言ったのは、あなたを批判したくないからです。おそらくあなたはエベレスト山の頂上からこれを読んでいるでしょう。そこでは、上に押し下げられる空気が少ないため、気圧はわずか 4.9 psi です。もしそうであれば、写真を送ってください。）力と面積の観点からは、1平方メートルあたり100,000ニュートンに相当します。

水も、ボールのように動作する小さな動く分子で構成されており、それらの分子が水中の物体 (人など) に衝突して圧力が発生します。 水には同じ体積の空気よりもはるかに多くの分子があり、より多くの衝突が発生してより大きな圧力が発生することを意味します。 しかし、エベレスト山の頂上に行くと気圧が下がるのと同じように、水中深くなると重力が水の分子を下に引っ張るため、圧力が上がります。 深さが 10 メートルごとに、圧力は 1 bar、つまり 14.5 psi ずつ増加します。 つまり、海面下 20 メートル (約 60 フィート) に潜ると、地表の気圧の 3 倍である 43.5 psi の水圧がかかることになります。

(深さが増すにつれて圧力が増加するという事実により、海のすべての水が無限に薄い層に崩壊することはありません。圧力は深くなるほど大きくなるため、その下の水は上にある水が押し下げるよりも押し上げられます。この差により、下向きの重力がかかるため、水位は一定に保たれます。）

43.5 psi は人には耐えられないほど高すぎるように聞こえるかもしれませんが、実際にはそれほど悪くはありません。 人間の体は気圧の変化に非常に適応します。 スイミングプールの底に行ったことがある人なら、この圧力の問題に対する答えはすでに知っています。それは耳です。 鼓膜の外側にかかる水圧が内耳内の空気からの圧力よりも高い場合、膜が伸びて非常に痛くなる可能性があります。 しかし、これを解決する素晴らしいトリックがあります。中耳腔から空気を出そうとするときに鼻をつまんで閉じ、中耳腔に空気を押し込むと、空気がこの腔に押し込まれます。 内耳に空気が多くなると、膜の両側の圧力が等しくなり、正常に感じられます。 これは「イコライゼーション」と呼ばれますが、その理由は明らかです。

実際には、ダイビング中に均等にする必要があるもう 1 つの空間があります。それは、スキューバ マスクの内側です。 深くするときに空気を加えるのを忘れないでください。そうしないと、顔がぎこちなく押しつぶされてしまいます。

ダイバーが犯す可能性のある物理的な間違いがもう 1 つあります。 息を止めることで、肺の中に密閉された空気空間を作り出すことができます。 水深 20 メートルで息を止めてから、水深 10 メートルまで上がったとします。 肺の容積は同じであり、肺には同じ量の空気が含まれているため、この上昇中、肺内の圧力は同じままです。 ただし、外側の水圧は低下します。 肺にかかる外圧が低下すると、肺が過剰に膨張したかのようになります。 これにより、肺組織に裂傷が生じたり、血流に空気が強制的に流入したりする可能性があり、これは正式には悪影響です。

水中にいるときは、浮くことと沈むことという別の問題に対処しなければなりません。 水中に留まりたい場合は、浮くのではなく、ある程度まで沈むと便利です。 二度と戻れないほどの深みに沈んでしまうことを誰も望んでいないと思います。 また、水面にいるときに浮くことができるのも良いです。 幸いなことに、スキューバダイバーは状況に応じて「浮遊感」を変えることができます。 これを浮力制御といいます。

下に引っ張る重力が上に押す浮力よりも大きい場合、物は沈みます。 これら 2 つの力が等しい場合、物体は中性浮力となり、上昇も沈下もしません。 それはホバリングに似ていますが、水中であり、基本的にスキューバ ダイビングでやりたいことです。

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実は水には中性浮力があります。 そう、水が浮くのです！ 一辺が 1 メートルの立方体の水があり、それがさらに多くの水の真ん中にあるとします。 この水はそこに留まるだけであることがわかっています。つまり、上向きの浮力と下向きの重力は等しくなるはずです。

次に、その立方メートルの水を同じ形と大きさの石に置き換えます。 浮力は物体とその周囲の水との相互作用によるものであるため、この岩は立方体水と同じ浮力を持つことになります。 ただし、水よりも質量（つまり重量）が大きいため、水にかかる合計の力は下向きになり、沈みます。

これを一般的な物体に拡張して、何かにかかる浮力は、それが押しのける水の重さ (ある体積 V) に等しいと言うことができます。 水の単位体積あたりの質量について考えると便利です。 これを密度と呼びます。 (物理学者は密度を表す記号 ρ を好みます。)

押しのけられた水の重量は水の密度 (ρw) と重力場 (g) に依存するため、浮力については次の式が得られます。

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物体の重さは密度にも依存します。 その物体の密度が水より小さければ、浮力が自重より大きくなり、浮きます。 ほとんどの木材は水より密度が低いため、浮きます。 金属製のボートが浮くことができるのは、それが固体の金属ではないためです。内部の空気により密度が水よりも低くなります。 また、非常に小さな石、グレービーソース、サイダーが浮遊する可能性があります。 (この名言を知らないなら、私はあなたを批判しません。) 一方、鉄の釘は水よりも密度が高いため、沈みます。

しかし今では、スキューバダイバーが浮力を制御する方法についてのアイデアが得られました。 体積が増加すると（質量は同じまま）、密度は減少します。 そうすることで浮力が増し、浮き上がります。 体積が減ると浮力が減って沈んでしまいます。 実は水中では呼吸するだけで体積を変えることができます。 スキューバ レギュレーターから息を吸うと肺が拡張し、体積と浮力が増加します。 息を吐くとその逆になります。

スキューバダイバーは、体積を変更するために外部装置も着用します。 これは基本的に、（当然のことですが）浮力制御装置と呼ばれる、背中に着用する膨張可能なバッグです。 スキューバ タンクに接続すると、空気を追加または削除して浮力を変更できます。

空気の温度が華氏72度になると、とても心地よく感じます。 しかし、同じ温度の水の中に入ったことはありますか? ああ、それはとても冷たく感じます。 実際、違いは温度ではなく、熱エネルギーが体から他のものにどれだけ速く伝わるかです。 これは熱伝導率、または 2 つの物体間で熱エネルギーが伝達できる速度と呼ばれます。 （この場合は体から冷たい水へ。）

もう 1 つの例を示します。木のブロックと金属のブロックが室温に置かれているとします。これらは直射日光にさらされず、ヒーターの上にも置かれていません。 両方のブロックに触れると、実際には同じ温度であっても、木の方が金属よりも暖かく感じられます。 これは、金属は木材に比べて熱伝導率が高いためです。 金属に触れた手は熱エネルギーの減少が早くなり、冷たさを感じます。

まったく同じことがスキューバダイビングでも起こります。 水は空気よりもはるかに優れた熱伝導体であるため、熱エネルギーが人体（ほとんどの場合水より暖かい）から水に移動する速度は、空気中の同じプロセスよりも速くなります。 実際、エネルギーが急速に失われるため、深部体温が低下する可能性が高く、筋肉機能の低下、さらには呼吸不全や心不全などの問題を引き起こす可能性があります。

この水の問題に対する最も一般的な解決策は、ウェットスーツを着用することです。ウェットスーツは通常、熱伝導率が非常に低いネオプレンなどの素材で作られています。 これにより、人体が熱エネルギーを失う割合が減少します。 まだ濡れているため、ウェットスーツと呼ばれています。外部の水が肌とぴったりとしたスーツの間に閉じ込められ、体が暖かくなります。

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水にさらされるのが嫌な場合は、手首と首に防水シールが施され、ブーツが内蔵されているため、水がまったく浸入しないドライスーツを購入することもできます。 (OK、おそらくほんの数個の小さな漏れです。) ただし、これによりダイバーにとっては追加の作業が追加されます。 より大きな水圧に降下すると、スーツ内の空気の体積が減少し、体に「シュリンクラップ」効果が発生し、スーツの内側に腕や脚を曲げるスペースがなくなります。 この問題は、より深いところでスーツに空気を追加することで解決できますが、水面に戻るときにその空気を抜く必要もあります。

濁った水の中を何回かダイビングしたことがありますが、そこではほとんど何も見えませんでした。 ネタバレ注意：あまり面白くなかったです。 ダイビングの最大のポイントは、水中にある素晴らしいものを見ることです。 しかし、たとえ透明な水の中でも、本当に何かを見るためにはマスクが必要です。 マスクは目と水の間に空気層を作り、適切に焦点を合わせるために必要なものです。 人間の本来の姿である陸上にいるときの目のレンズの仕組みを、水中での動きと比較して以下に示します。

レンズは、その形状と、レンズ素材とレンズの外側の両方での光速度の違いに基づいて光を曲げます。 (物質内の光の速度は屈折率で説明できます。)水中の光の速度は、空気中の光の速度のわずか 66.7% です。 これは、目の中のレンズが光を曲げて網膜に焦点を合わせる能力を低下させるため、問題です。 その結果、視界がぼやけてしまいます。

マスクを着用すると、目の前に空気が再び入り、レンズが光を適切な量だけ曲げることができます。 しかし、光は依然として空気中よりも遅い速度で水中を伝わります。 光が 1 つの媒体 (水など) から別の媒体 (空気など) に入るとき、光の経路は曲がります。 これを屈折と呼びますが、これにより水中の物体が実際よりも近くに見えることがあります。

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これはどのように作動しますか？ 私たちが物を見るのは、光が物体に反射して私たちの目に入るからであるということを覚えておくことが重要です。 ダイビング旅行中に見つけた魚を例に考えてみましょう。 光線は魚で反射し、水中を通ってスキューバ マスク内の空気中に伝わります。 空気と水の屈折率の違いにより、光線は曲がります。 しかし、私たちの目と脳は、光の方向が変わったことを知りません。 彼らは、それが空中でそうであるのと同じように、直線的に進んだものと考えているだけです。 これにより、実際に魚がいる場所よりも近い場所から光が当たっているように見えます。

この図は次の点に役立ちます。

水中で魚 (特にサンゴ) を見る場合には、色という別の問題があります。 私たちは水は透明だと思いがちですが、それはある種の透明にすぎません。 純水がある場合、可視光は水中を通過するときに吸収されます。 300メートルを超えると、基本的に光はまったく残らなくなります。 つまり、たとえ最も透明な水であっても、深さ 300 メートルでは夜と同じくらい暗いということになります。 （とにかく、そんなに深くスキューバダイビングをするべきではありません。）

光の吸収はすべての色で同じではありません。 わずか 5 メートルの水深では、ほとんどすべての赤色光が吸収されます。 より深く進むと、赤よりも青の光だけが見えます。 赤い光がなければ、魚やサンゴなどの赤いものは濃い灰色に見えます。

しかし、この問題は簡単な方法で解決できます。懐中電灯を持参してください。 懐中電灯からの光は、その美しい魚に反射する前に表面からの光ほど遠くまで伝わる必要がないので、それでも赤い部分を見ることができます。

空気は通常、1 気圧 (1 ATM) の圧力で 79 パーセントの窒素と 21 パーセントの酸素の混合物であることを思い出してください。 しかし、酸素と窒素は異なる方法で体と相互作用するため、酸素と窒素については異なる方法で考える必要があります。 「分圧」の考え方を使って混合気体を扱うことができます。 1 ATM の空気 (酸素と窒素の混合物) は、0.21 ATM の圧力の酸素 (混合物の 21 パーセント) および 0.79 ATM の窒素と同じです。

これら両方のガスが体にどのような影響を与えるかを見てみましょう。 酸素分圧から始めます。酸素分圧は単に PPO2 と呼ばれることが多いです。 人々は酸素を必要としますが、少なすぎても多すぎてもいけません。 気圧が低い高高度を飛行機で移動しているとします。 PPO2 が約 0.17 未満になると、脳が機能するのに十分な酸素が不足します。 正常に考えることができなくなり、気を失ってしまう可能性もあります。 (これが、高高度を飛行する航空機の客室内が加圧されている理由です。加圧されていない場合、人々は補助酸素マスクを着用しなければなりません。また、民間旅客機の客室乗務員が客室内圧の低下に備えて安全手順を検討するのもこのためです。 )

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しかし、水中ではプレッシャーが大きすぎる可能性があります。 酸素分圧が約 1.6 ATM になると、けいれんを引き起こす可能性があります。

どうすればそこまで高いPPO2を達成できるのでしょうか？ 次のケースを考えてみましょう。純粋な酸素 (窒素は含まれていない) が入ったタンクがあり、深さ 10 メートルまで潜ります。 実際にスキューバ レギュレーターから呼吸するには、肺に供給される圧力が周囲の圧力と等しくなければなりません。そうでないと、吸うことができません。 つまり、純酸素は2気圧になります。 （深さ 10 メートルごとに 1 ATM の圧力がかかることを覚えておいてください。）これを呼吸すると、PPO2 は 2.0 となり、これは 1.6 ATM よりも大きくなります。 だから、そんなことはしないでください。

これが、スキューバダイバーが純粋な酸素を使用せず、代わりに酸素が 21% しか含まれていない通常の空気を使用する理由です。 同じ深さでの PPO2 は 0.42 ATM となり、問題が発生する可能性は高くありません。 また、通常の空気をタンクにポンプで注入するだけの方がはるかに簡単です。 他の混合物を使用するには、圧迫や病院で見られるような酸素タンクのような複雑な作業が必要になります。

ここで、タンクにカスタム混合ガスを入れたとします。 酸素が 40 パーセント、窒素が 60 パーセントの場合はどうでしょうか。 (注: これは本物で、ナイトロックスと呼ばれています。) これにより、酸素と窒素の比率が空気中の比率よりも高くなります。 このガスを深さ 20 メートル (3 ATM) で呼吸すると、酸素の PPO2 は 0.4 × 3 ATM (1.2 ATM に相当) になります。 これは 1.6 ATM の PPM に近づいているため、この混合ガスではそれ以上深くするべきではないかもしれません。

それほど深くできない場合に、タンクに追加の酸素を追加する利点は何ですか? 答えは、酸素が増えると窒素が減るということです。 体は窒素ガスを使用しませんが、組織には窒素ガスが吸収されます。 より低い圧力になると（地表に上がるときなど）、この窒素が組織から出てきます。これをガス放出と呼びます。 窒素があまりにも早く排出されると、泡が形成されて血液に入り込み、深刻な医学的問題を引き起こす可能性があります。 これは一般に減圧症、またはベンドと呼ばれます。 窒素の使用量が少なくなると、組織の吸収が少なくなり、減圧症になる可能性が低くなります。

非常にゆっくりと浅い深さに移動することで、減圧症を防ぐこともできます。 レクリエーションダイビングの場合、目標は、泳いで水面に戻るまでに安全にガス抜きできる量の窒素のみを吸収することです。

特定の深さに滞在できる時間を実際に計算するのは複雑で、平均的な人体のおおよその推定値に依存します。 このため、現代のほとんどのスキューバ ダイバーは、深さと時間に基づいて残り時間を常に計算する小型のダイビング コンピューターを使用しています。

これは実際にスキューバ ダイビングに行くには十分な物理学ではありませんが、何が起こっているのかを理解するには十分です。 試してみたい場合は、スキューバ ショップのダイビング インストラクターが残りの部分を学ぶのを手伝ってくれます。 懐中電灯を忘れずにご持参ください。