Ухо (стр. 4 )

По мере погружения объем воздуха в легких уменьшается (в основном из-за сжатия давлением и частично из-за расхода на продувание) и становится труднее наполнять рот воздухом. Полное наполнение рта на глубине свыше 20 м требует специальных тренировок легких и грудной клетки.

Неспособность продуть уши, по-видимому, является наиболее частым фактором, ограничивающим глубину погружения у ныряльщиков (желательно было бы собрать статистику по этому вопросу ■).

На основании вышесказанного можно сделать вывод: совершенствование выполнения маневра Френзеля — один из важных аспектов в повышении мастерства ныряльшика и увеличения максимальной глубины погружения.

Для увеличения объема набираемого в рот воздуха используют и технические приспособления, например, надувные шарики. Их максимально надувают на глубине, когда еще можно выдохнуть из легких достаточно воздуха. Набранный воздух затем используют для продувания. Вероятно, в скором времени появятся устройства специально предназначенные для этой цели. Они должны быть гигиеничными, безопасными, удобными и обтекаемыми. Возможны как одноразовые изделия, так и многоразовые. Например это может быть мягкая трубка, один конец которой берется в рот через загубник, а другой прилегая к костюму идет к мягкому обтекаемому резервуару за спиной. В исходном положении трубка и резервуар сдуты (не содержат воздуха). Усилие по надуванию должно быть незначительным. Для обеспечения гигиеничности изделие должно быть удобным для промывки, а материал резервуара и трубки - желательно бактерицидным (например с ионами серебра). Применение облегчающих продувание средств требует осторожности, поскольку они позволяют погрузиться на такую глубину, к которой сосуды легких могут быть еще не готовы, что повышает риск их травмы из-за переполнения кровью.

Интервал между продувками

Продувка ушей отнимает немало сил у ныряльщиков. Интересно рассмотреть, от чего зависит интервал глубины между продувками (шаг продувки). Чем больше шаг продувки, тем меньше продуваний необходимо сделать на протяжении погружения, и тем больше сил экономит ныряльщик.

Сначала для простоты рассмотрим случай, когда среднее ухо не меняет своего объема при изменениях внешнего давления, т. е. пренебрежем изменениями объема из-за вдавливания барабанной перепонки внутрь барабанной полости. В этом случае давление в барабанной полости будет оставаться неизменным, до тех пор пока в нее не поступает воздух. Давление p снаружи барабанной перепонки определяется глубиной d погружения: p=0.1d+patm (здесь и далее давление измеряется в атмосферах, а глубина в метрах, плотность воды принята равной 1 кг/л). После каждой продувки давление с обоих сторон барабанной перепонки становится одинаковым, и при последующем увеличении глубины на величину h разность давлений становится равной 0.1h. Когда эта разность давлений достигает некоторого максимального значения ∆pmax, которое способна без боли выдерживать барабанная перепонка у ныряльщика, возникает желание продуться. Шаг продувки h, таким образом, не зависит от глубины погружения и определяется по формуле:

h = 10∆pmax. (1)

У начинающих ныряльщиков шаг продувки нередко не превосходит 1 м. Поэтому им приходится продуваться очень часто. Это может быть обусловлено слабостью барабанной перепонки, небольшим ее воспалением (а возможно также малой подвижностью суставов слуховых косточек, слабостью стременной мышцы ■). По мере повышения тренированности шаг продувки быстро достигает 3–4 м. Если этого не происходит, следует обратиться к врачу для проверки барабанной перепонки и среднего уха. У высокотренированных ныряльщиков шаг продувки доходит до 6 м и более.

Из опыта известно, что во время нырка по мере увеличения глубины погружения интервал между продувками возрастает, а не остается постоянным, как это следует из формулы (1). Это можно объяснить, если учесть, что при увеличении внешнего давления барабанная перепонка вдавливается внутрь, и следовательно объем полости среднего уха уменьшается. При уменьшении объема давление в среднем ухе возрастает, и тем самым достигается некоторая компенсация давления за счет упругости воздуха. Величина этой компенсации с ростом глубины повышается, поскольку с повышением давления воздух становится более упругим. В результате происходит увеличение интервала между продувками. Для численных оценок найдем формулу для шага n-й продувки с учетом уменьшения объема среднего уха под действием давления воды. Будем считать, что после каждой продувки барабанная перепонка занимает одинаковое положение (в среднем так оно и есть).

Допустим, n-е продувание выполнено на глубине dn. Давление p с обоих сторон барабанной перепонки стало равным 0.1dn+patm. После увеличения глубины на величину h давление снаружи увеличится на 0.1h, а внутри, согласно закону pV=const, на p∆V/ (V0 − ∆V), где V0 − полный объем полости среднего уха (равный сумме объемов барабанной полости и воздухоносных полостей височной кости), ∆V − изменение этого объема из-за разности давлений. Когда разность между внешним и внутренним давлениями достигнет значения ∆pmax, появится желание продуться. Обозначим

α = ∆Vmax / (V0 − ∆Vmax).

(2)

Коэффициент α характеризует максимальное сжатие среднего уха, которое ныряльщик может выдерживать без боли, ∆Vmax - величина уменьшения объема полости среднего уха при разности давлений ∆pmax. С учетом введенного обозначения получаем уравнение для шага продувки: ∆pmax=0.1h-αp. Отсюда шаг продувки равен

h = 10∆pmax + 10αp. (3)

Мы видим, что в сравнении с (1) шаг продувки увеличился на величину 10αp, которая растет прямо пропорционально давлению.

Чтобы найти явное выражение для шага n-й продувки подставим в (3) значение давления на глубине n-й продувки p=0.1dn+patm и учитывая, что согласно (3) шаг первой продувки равен

h1 = 10∆pmax + 10αpatm, (4)

получаем:

hn+1 = h1 + αdn. (5)

Поскольку hn+1 – hn = α(dn– dn–1) = αhn, то нетрудно найти искомое выражение для шага n-й продувки:

hn = h1(1+α)n–1. (6)

Теперь, пользуясь этой формулой, сделаем численные оценки. Если допустить, что при максимально переносимой разности давлений смещение барабанной перепонки не превышает 0,5 см, то с учетом площади барабанной перепонки не более 1 см2, изменение объема среднего уха ∆Vmax не будет превосходить 0,2 см3 (считаем, что смещенная перепонка имеет форму конуса). Реально оно будет заметно меньше, поэтому это оценка сверху. Поскольку полный объем среднего уха V0 около 10 см3, то α не превосходит 0,02. Поэтому между пятой и шестой продувками интервал не будет превосходить (1+α)5=(1,02)5≈1,1 от глубины первой продувки, а между десятой и одиннадцатой — 1,22. Увеличение шага продувки на глубине d в сравнении с несжимаемым ухом согласно (5) составляет αd, что на глубине 20 м даст не более 0,4 м, а на глубине 50 м — не более 1 м.

На практике у тренированных ныряльщиков на глубине наблюдается увеличение шага продувки на несколько метров, а относительное увеличение — до 1,5 и более раз. К примеру, если первый шаг был равен 3 м, то на глубине 20 м шаг вполне может достичь 5 м, что соответствует α~0,1. Таким образом, не удается в полной мере объяснить наблюдаемые данные лишь смещениями барабанной перепонки. По-видимому, существуют другие пути уменьшения объема среднего уха.

Здесь выдвигается гипотеза о возможном механизме такого уменьшения. Обратимся к анатомии сосцевидных ячеек. Площадь поверхности слизистой этих ячеек довольно велика — 75–330 см2[18], что достигается за счет большого их числа и малого размера. Толщина слизистой порядка 0,05 мм[19]. Таким образом, объем слизистой порядка 1 см3. Представляется правдоподобным, что изменение кровенаполнения слизистой при перепадах давления может изменять ее объем в 2 раза. Если принять во внимание вызываемое этим уменьшение объема среднего уха, то α может стать порядка 0,1. Этого вполне достаточно для получения наблюдаемого возрастания шага продувки, поскольку (1,1)5≈1,6.

Данное объяснение требует экспериментальной проверки. В результате поиска в доступной литературе упоминаний о компенсации давления слизистой сосцевидных ячеек таковых не было найдено для человека, но были найдены для ныряющих млекопитающих. Наблюдения со спутников за хохлачами[9] показало, что они способны нырять на глубину свыше 1 км и оставаться там до 1 часа. Исследование строения их ушей[20] выявило, что в среднем ухе имеется кавернозная ткань, которая при погружении наполняется кровью и уменьшает объем газа в среднем ухе практически до нуля! - хохлачам вообще нет необходимости продуваться. Применение формулы (2) в случае хохлачей дает α → ∞, и поэтому согласно (4) глубина первой продувки у них h1 → ∞.

Вполне вероятно, что у человека наряду с другими нырятельными рефлексами млекопитающих есть и этот, хотя, конечно не в столь выраженной форме, как у тюленей. Можно предположить, что изменение кровенаполнения слизистой сосцевидных ячеек происходит не только пассивным путем из-за разности давлений, но и с помощью активного изменения просвета сосудов слизистой.

В барабанной перепонке в области основания рукоятки молоточка имеется небольшая ненатянутая часть (pars flaccida, рис. 2), которая лишена фиброзного слоя и легко смещается под действием разности давлений. Высказывалось предположение, что эта часть служит датчиком давления[21]. Если это действительно так, то можно также предположить, что существует рефлекторное изменение кровенаполнения слизистой сосцевидных ячеек с участием pars flaccida. При смещении pars flaccida внутрь кровенаполнение увеличивается, а при смещении наружу - уменьшается, благодаря чему достигается компенсация давления в среднем ухе.

Если существует нервная регуляция кровенаполнения сосудов слизистой сосцевидных ячеек, то очевидно на него будет влиять психическое состояние, подобно тому, как это происходит со слизистой носа. В этом случае степень увеличения интервала между продувками будет также зависеть от психологического настроя. Поскольку при увеличенном интервале между продувками легче нырнуть на бóльшую глубину, то тем самым (в случае подтверждения высказанных гипотез) будут выявлены новые факторы, оказывающие влияние на результативность во фридайвинге.