д-р Никола Шопов

 Човек е приспособен да живее при условия на атмосферно налягане и когато попадне в среда с повишено налягане, се подлага на въздействието на необичайни за него фактори. Основно условие за нормалната жизнена дейност на човешкия организъм е запазването на относително постоянство на химическите свойства на вътрешната му среда. Това съществено зависи от външни фактори, по-конкретно от големината на външното (околното) налягане и състава на вдишвания въздух. Във връзка с това престоят на човека в атмосфера с повишено налягане в определени условия може да доведе до нарушение на постоянството (равновесието) на вътрешната му среда и до съществени промени във функциите на различните органи и системи.

Действието на повишеното налягане върху организма представлява комбинацияот механични влияния, които се предават върху тъканните структури чрез външните обвивки, и физико-химически въздействия, чиито ефекти са свързани с проникването на значително количество газ (или газова смес) във вътрешните среди на организма при дишането.

В настоящото изложение ще очертая най-общата представа за механичното влиянието на повишеното налягане върху организма на водолаза, а в следващо ще ви запозная с физико-химичното въздействие на повишеното налягане върху водолаза.

МЕХАНИЧНО ДЕЙСТВИЕ НА ПОВИШЕНОТО НАЛЯГАНЕ

Когато човек се намира в атмосфера на сгъстен въздух, на повърхността на тялото му (която средно възлиза на 1.7÷1.8 кв.м) действа допълнително налягане от десетки тонове. Така при повишяване на налягането с 1 атмосфера допълнителното налягане достига 34÷36 тона, с 2 атмосфери – 51÷54 тона, с 3 атмосфери – 68÷82 тона и т.н. Това огромно налягане дълго време обърква лекарите, които го отъждествяват с действието на товар с аналогично тегло, поставен върху определена част на тялото. По- късно в резултат на наблюдения става ясно, че има съществена разлика между влиянието на високото атмосферно (или хидростатично – водно) налягане, което въздейства равномерно от всички страни, и едностранния натиск на товар, поставен върху някаква част от човешкото тяло, който може да доведе до механично увреждане на тъканите.

Влиянието на повишеното налягане на газовата среда върху организма сеопределя от големината на това налягане, а също от възникващите при това промени в обема, плътността, вискозитета, температурата, топлопроводимостта и влажността на даден газ. Свиването на газа при компресия (повишаване на налягането) предизвиква загряването му, а разширението на газа при декомпресия (намаляване на налягането) се съпътства с охлаждането му. Колкото е по-високо налягането, толкова е по-висока топлопроводимостта на сгъстения въздух, поради което при ниски температури се увеличава охлаждащата способност на сгъстения въздух, а при високи температури – нагревателната му способност. При сгъстяване на въздуха се покачва влажността му за сметка на съответното увеличение на концентрацията на водните пари, които са се съдържали в него преди компресията. Това на свой ред повишава охлаждащата способност на въздуха.

Нормалното атмосферно налягане, т.е. налягането на целия стъб въздух наморското равнище, е равно на 760 мм живачен стълб (1.033 кг на 1 кв.см – закон на Торичели). Тази физическа атмосфера (атм) е еквивалентна на налягането предизвикано от 10.3 м воден стълб или на 1.01 х 105 нютона/кв.м. В техниката и водолазното дело налягането се измерва в технически атмосфери (килограм сила/кв.см) и се означава като „ат”. Ще дам някои приравнявания между по-често изпозваните мерни единици за налягане:

1 ат = 1 кгс/кв.см = 735.6 мм жив.стълб = 10 м воден стълб = 0.98 бар = 9.8 х 104нютона/кв.м = 9.8 х 104 Па (паскала) = 14.7 psi (pounds per square inch).

Налягането свръх атмосферното се нарича допълнително и се определя по показанията на манометъра. Ако допълнителното налягане се измерва в технически атмосфери, то се означава като „ати” (от руски-„атмосфера избыточная”). Абсолютното налягане (ата) представлява сума от атмосферното и допълнителното налягане. 

АТА = АТ + АТИ

Или абсолютното налягане на дълбочина 10 метра под водата на морското равнище е равно на:

1 (ат) + 1 (ати) = 2 ата
на дълбочина 20 метра: 1 (ат) + 2 (ати) = 3 ата
на дълбочина 25 метра: 1 (ат) + 2.5 (ати) = 3.5 ата и т.н.

Човешкото тяло е нееднородно, в състава му влизат 70÷85% течности, но освен това то съдържа множество изпълнени с газ кухини. Такива са: синусите, средното ухо, белите дробове, стомашно-чревния тракт. За да разберем процесите, протичащи в човешкия организъм, намиращ се в условия на повишено налягане, трябва да познаваме основните закономерности, на които се подчинява поведението на течностите и газовете в тези условия. Газовите закони описват промените в състоянието на газовете под действие на различни фактори (налягане, температура и др.), тяхната дифузия и разтворимост в течностите.

Молекулите газ, затворен в даден обем, се движат безредно и се удрят в стените на кухината, като по тази начин упражняват налягане върху тях. Следователно налягането на газа представлява сумарен импулс (съвкупност от удари) на хаотично движещи се молекули, който се предава на единица площ за единица време. Всички фактори, които увеличават броя на сблъскванията на газовите молекули със стените на кухината (обема), в който той се намира, в крайна сметка водят до повишаване на налягането на газа.

Налягането на газа е право пропорционално на броя на молекулите в единица обем и средната кинетична енергия на тези молекули, поради което то зависи от степента на компресията (колкото е по-малък заеманият от газа обем, толкова е по- голям броят на молекулите в него и толкова по-често тези молекули ще се удрят в стените на кухината, съдържаща съответния газ) и температурата на газа (с повишаване на температурата се увеличава скоростта на движение на молекулите). Тези положения са отразени в закона на Бойл-Мариот, който се явява един от основните закони на водолазната физика.

Той може да се формулира по следния начин: При постоянна температура обемът на дадена маса газ е обратно пропорционален на упражненото върху него налягане. Или тази зависимост може да се представи със следните формули:

V . P = constanta и V1. P1 = V2 . P2
където V е обемът на газа, а Р е неговото налягане

Следователно при двукратно увеличаване на налягането на газа неговият обем трябва да се намали точно наполовина, а десетократното увеличение на налягането води до съответното десетократно свиване на газа и т.н. С увеличаването на налягането сравнителното изменение на обема газ става по-слабо изразено. При увеличаване на налягането от 1 на 2 ата (т.е. с 1 кгс/кв.см) обемът на газа намалява наполовина (50%), а при повишаване на налягането от 19 на 20 ата (също с 1 кгс/кв.см) намаляването на обема възлиза само на 4.8% от първоначалната стойност. Този много важен от практическо гледище факт свидетелства за това, че в началния период на компресията възникват по-резки изменения на газовия обем, отколкото при по-нататъшното увеличаване на налягането. Подобни съотношение се наблюдават и в крайните етапи на декомпресията, затова най-често баротравми и други декомпресионни нарушения настъпват в повърхностните слоеве на водата (до към 10÷15 метра дълбочина).

За разлика от газовете в твърдите тела и течностите молекулите са разположени доста близко една до друга и силите на междумолекулното взаимодействие играят съществена роля. В газовете разстоянието между молекулите е много по-голямо и сили на сцепление практически липсват – газът винаги заема обема, в който се намира и затова се казва, че в твърдите тела и течностите молекулите са „плътно опаковани”, т.е. са разположени много близо една до друга. Наличието на относително малки разстояния между молекулите, както и на сили на отблъскване между тях при опит да се сближат води до това, че свиваемостта на течностите и твърдите вещества е около 1000÷100 000 пъти по-малка от тази на газовете. Освен това даже и при обикновени условия налягането вътре в течностите е изключително високо, което също обуславя нищожно малката им свиваемост (при налягане 200 ат обемът на водата намалява само с 1%). Това е свързано с така нареченото молекулярно налягане, обусловено от факта, че молекулите на повърхностния слой на течността имат допълнителна потенциална енергия. В резултат на това повърхностния слой на течността се стреми да се движи навътре и върху течността се упражнява допълнително налягане (например молекулярното налягане на водата е около 11 000 ат). Силата на молекулярното налягане е винаги насочена навътре в течността, т.е. оказва върху нея свиващо действие. Върху намиращите се вътре в течността тела тази сила не действа.

Както казах по-горе, нашето тяло се състои от повече от ¾ вода. Телесните тъкани имат поведение на течности и при относително неголемите налягания, които въздействат върху човека при водолазните спускания, те практически не се свиват. При повишаване на околното налягане тъканите на организма поемат цялото налягане и не се разрушават. Това се обяснява с факта, че според закона на Паскал налягането на компримирания газ се предава по тъканите на организма мигновено и се разпространява еднакво по всички посоки. При това тъканите равномерно се свиват, в резултат на което в организма възникват еластични, т.е. изчезващи след спирането на натиска деформации, които водят до повишаване на напрежението вътре в тялото. Обикновено този процес завършва с бързо установяване на равновесие между външното и вътрешното налягане, което на свой ред предпазва тъканите от увреждане.

Следователно „несвиваемостта” на тъканите при равномерна (обемна) компресия на цялото тяло трябва да се разглежда като резултат на мигновено разпределение и изравняване на налягането вътре в организма, при което възникващото в тъканите хидростатично противоналягане по стойност е равно на налягането, действащо извън него. Именно бързото уравновесяване на външното и вътрешното налягане в целия обем на тялото позволява да се избегне увреждането на тъканите.

Както споменах, в човешкия организъм обаче наред с практически несвиваемите меки тъкани, хуморална среда и скелета има многобройни кухини, съдържащи газ. За да може налягането на газа в тях да се изравнява с околното те имат естествена връзка (синусови каналчета, евстахиеви тръби, дихателни пътища) с околната среда. Даже при равномерно свиване на целия организъм и нарушена комуникация на полузатворените кухини с околната среда скоростта на изравняване на вътрешното налягане може да изостава от външното.

В нормални условия налягането в тези кухини е равно на налягането, което се упражнява върху околните тъкани, а последното на свой ред съответства на външното налягане. Поради това при бързо изравняване на вътрешното с външното налягане компресията не оказва никаква вреда. Ако обаче това равновесие се наруши (даже за кратко време), възниква свиване на стените на кухината, което води до баротравма. Аналогична ситуация се получава при бързо спадане на околното налягане, когато обемът на намиращия се в някоя кухина газ значително се увеличава (по този механизъм най-често се увреждат белодробните тъкани).

За да се избегнат усложнения при водолазните спускания, е необходимо налягането на газа, затворен в някоя телесна кухина, точно да съответства на нивото на външното налягане. При промяна на околното налягане изравняването на налягането в кухините трябва да става мигновено. Това се осъществява както за сметка на промяната на обема на самата кухина при достатъчна еластичност на стените й (стомашно-чревен тракт), така и при ригидни (твърди) стени на кухината посредством синхронното постъпване на газа отвън с увеличаване на налягането му (средно ухо, синуси). Последното е възможно при свободно съобщаване на съдържащите въздух кухини на организма с външната среда. Тук главно значение придобива не абсолютната стойност на достигнатото барометрично налягане, а скоростта на спадането му. В случаите при които изравняването на налягането в кухината с околното налягане не се извърши своевременно се създават предпоставки за получаване на баротравми на засегнатите органи.

д–р Никола Шопов

Когато човек се намира в условия на повишено налягане, най-голямо механично въздействие се пада върху дихателната система. Влиянието на механичните фактори на повишеното налягане на газовата среда върху другите органи и системи е чувствително по-слабо изразено. Равномерната компресия на тялото сама по себе си не оказва съществено влияние върху сърдечно-съдовата система; като правило работоспособността не се нарушава. Но за това ще говорим в следваща лекция.

Приоритетното действие на повишеното налягане върху дихателната система се обуславя от повишаването на плътността на газовата смес. Тя създава допълнително съпротивление при дишането и увеличава натоварването на мускулите на гръдния кош (силата на дихателните мускули на човека може да преодолява съпротивление не повече от 150 мм живачен стълб или около 2 метра воден). Така, че ако ви поставят под вода, то вие не бихте били способни да „всмукнете” въздух от повърхността от тръба по-дълга от 2 метра. Плътността на газа е свързана с броя молекули, намиращи се в даден обем (колкото по-малък обем заема газът, толкова повече молекули има в този обем и следователно толкова по-висока е плътността на газа), затова при постоянна температура и неизменна маса налягането на газа е правопропорционално на плътността му (закон на Бойл-Мариот) т.е. ако налягането се увеличава от 1 до 2 ата, плътността на компримирания газ се увеличава съответно 2 пъти, а от 1 на 4 ата – съответно 4 пъти и пр.

Повишената плътност на дихателната смес затруднява издишването. Издишването и вдишването стават активни и изискват допълнителна енергия. Заедно с това, като се започне от 2 ÷ 2.2 ата въздух (10 ÷ 12 метра под вода), произнасянето на някои съгласни се нарушава, тембърът на гласа се променя, появява се гъгнене и речта става неразбираема. Тези промени ясно се забелязват, когато провеждаме спускания в барокамера и промяната на гласа на говорещите често ни кара да се усмихваме. Колкото е по-ниска плътността на газовете от дихателната смес, толкова тези промени са по-слабо изразени. Например плътността на хелия е 7 пъти по-ниска от тази на азота, а плътността на азота е по-ниска от тази на кислорода. Във връзка с това съпротивлението при дишане с хелиокислородна смес (хелиокс) е значително по-ниско от това при дишане с въздух, а при дишане с въздух то е по-ниско спрямо съпротивлението при дишане с чист кислород.

За да се преодолее съпротивлението на дишането, което при здрави хора е равно на 40 мм воден стълб (при атмосферно налягане и скорост на преминаване на въздушната струя от 1л/сек), е необходимо да се приложи известно усилие. То трябва да е насочено срещу силите на триене, възникващи между стените на дихателните пътища и газовата струя, както и между различните слоеве на самия газ, т.е. срещу вискозитета на газа. Силата, която премества газовия поток от външната среда в белодробните алвеоли, зависи от скоростта на движение на дадения газ, от неговата плътност, вискозитет и структурата на дихателните пътища. При повишаване на околното налягане плътността на вдишвания газ започва да придобива водещо значение (останалите фактори в този случай практически не се променят).

Съпротивлението на дихателните пътища спрямо газовия поток се определя от техния диаметър, дължина, честота на разклонение на бронхите, свойствата на вътрешната им повърхност и др. Съпротивлението е толкова по-високо, колкото по-малък е диаметърът на бронхите, колкото е по-голяма дължината и по-често разклоняването им, колкото е по-грапава вътрешната им повърхност – наличие на слуз, ексудат, тумори и др.

Нарастващото при повишаване на налягането съпротивление на бронхите по отношение на вдишвания газ се обуславя и от настъпващите изменения в свойствата на газовия поток. Вихровите или турбулентни потоци, както е известно, се появяват тогава, когато газовите молекули променят посоката на движението си (в местата на разклоненията на трахео-бронхиалното дърво) или се задържат от грапавите стени на дихателните пътища. Степента на турбулентност на газа обикновено нараства с увеличаване на скоростта на движението му, но в такива тесни дихателни пътища, каквито са бронхите, турбулентността зависи главно от плътността на газа. По такъв начин работата, която извършва човек при дишането, много зависи от плътността на движещия се по трахео-бронхиалното дърво газ.

Повишаването на налягането на газовата среда едновременно увеличава нейното механично съпротивление при дишането и съответно увеличава работата на дихателната мускулатура.

Нарастващата плътност на въздуха значително ограничава работоспособността на водолаза, тъй като преминаването на газа през дихателните пътища се забавя и което е много важно, при това се наблюдава рязко спадане на максималната белодробна вентилация. Ако при нормално налягане мускулното натоварване на здравия човек обикновено се ограничава от работата на сърцето, то при повишаване на околното налягане натоварването се ограничава от големината на белодробната вентилация. Така при увеличаване на налягането до 2, 3 и 4 ата въздух максималната белодробна вентилация спада съответно с 28, 40 и 49% сравнено с тази на морското равнище. Освен това при повишаване на околното налягане паралелно със спадането на максималната белодробна вентилация може да нарасне и налягането на СО2 в алвеолите в резултат на повишената плътност на дихателната смес.

Едно от условията за нормален дихателен акт е постъпването в белите дробове на газа не само под налягане, равно на околното, но и в необходим обем. При повишаване на налягането на газовата среда дихателният обем (обема въздух при едно нормално вдишване) не се променя съществено, обаче масата на вдишвания и издишван газ нараства пропорционално на увеличаването на налягането, а алвеоларната вентилация също се увеличава. Например при 1 и 3 ата околно налягане дихателният обем практически е еднакъв, но масата на вдишвания и издишван въздух при 3 ата е три пъти по-голяма.

Следователно белодробната вентилация, т.е. количеството постъпващ за единица време газ в белите дробове, пряко зависи от големината на околното налягане и нараства пропорционално на това налягане.

При относително неголямо повишаване на плътността на газа (6 ÷ 10 ата въздух)  ромените в дишането обикновено не излизат извън рамките на физиологичната (приспособителната) реакция. При повишаване съпротивлението на газовия поток с 250 мм живачен стълб ефективността на алвеоларното пространство рязко намалява, дишането става повърхностно и учестено, в резултат на което може да се развие хиперкапния (състояние на повишено парциално налягане на СО2).

В заключение може да се каже, че повишаването на плътността на дихателната смес, свързано с повишаване на околното налягане, е важен фактор за намаляването на работоспособността на водолаза. При висока плътност на дихателната смес (при големи дълбочини – над 60 метра) водолазът губи почти цялата си енергия само за акта на дишане. Затова е необходимо да се използват смеси съдържащи хелий, тъй като той е по-малко плътен. Разбира се използването на хелий се налага и от необходимостта да се намали наркотичното въздействие на азота. Също така редица остри заболявания на дихателната система (бронхит, ларингит) и някои хронични такива (асма, ХОББ) характеризиращи се със спазъм на бронхите допълнително силно намаляват белодробната вентилация и по правило дисквалифицират водолаза за времето до неговото пълно оздравяване.