فیزیک و پاتوفیزیولوژی غواصی

فیزیک و پاتوفیزیولوژی غواصی

در بدن، تغییرات فشاری، تنها مواد فشار پذیر (تراکم پذیر) را تحت تأثیر قرار می‎دهد. بدن انسان، عمدتاً از آب ساخته شده است که فشار ناپذیر است، امّا گازهای فضاهای میان خالی، روده‎ها و گازهای محلول در خون، تحت تأثیر تغییرات فشار قرار می‎گیرند. ویژگی‎های فیزیکی با چهار قانون گازها که فیزیک و مسائل فرو رفتن در زیر آب را کمّی می‎سازند، توصیف می‎گردد.
قانون بویل
)ثابت = K و حجم = V و فشار ( P=
در یک درجه حرارت ثابت، حجم یک گاز کامل به صورت معکوس با فشار تغییر می‎کند. به صورت مشابه، فشار نیز به صورت معکوس با حجم متغیر است. به طور ساده، این گزار به این معناست که اگر فشار دو برابر شود، حجم نصف (halve) می‎شود و برعکس.
هر 10 متر (33 فوت) فرو رفتن در ژرفا موجب فزونی فشار تا یک اتمسفر می‎گردد. در نتیجه، حجم ریه در هنگام غواصی به صورت حبس نفس در ژرفای 10 متری (33 فوتی) به نصف حجم آن در سطح می‎رسد. در 20 متری (66 فوتی)، حجم به یک سوم سطح می‎رسد و در 30 متری (99 فوتی) به یک چهارم و در 40 متری (132 فوتی) به یک پنجم خواهد رسید. به همین صورت، رفتن از 30 متری (99 فوتی) به سطح، بدون تهویة هوا (بازدم) موجب می‎گردد که شش‎ها، با وجود توانایی ناچیز برای باز شدگی بیشتر، متحمل افزایش فشار تا 3 برابر حدّ طبیعی ‎گردند و بیشترین تغییر نیز در 10 متر (33 فوت) آخر روی می‎دهد؛ یعنی جایی که فشار به دو برابر می‎رسد. این قانون کلیدی برای توصیف تغییرات فشار و آسیب‎های توصیف شده در این نوشتار، بسیار حائز اهمیت می‎باشد.
قانون دالتون
Pt= PO2+ PN2+ PX
فشار کلی Pt=
فشار قسمتی اکسیژن PO2=
فشار قسمتی نیتروژن= PN2
فشار قسمتی گازهای باقیماندهPX=
در یک مخلوط گازی، فشار ایجاد شده توسط هر گاز برابر با فشار همان گاز است که به تنهایی حجم برابری را اشغال کرده باشد. از این رو، حتی با افزایش فشار کلی، نسبت گازها تغییر نخواهد کرد ولی فشارهای قسمتی در گاز به نسبت مناسب، تغییر می‎کنند.
چنانچه یک فرد به ژرفا فرو رود، فشار کلی هوای تنفسی وی افزایش می‎یابد؛ از این رو، فشارهای قسمتی مربوط به تک تک گازهای موجود در هوای تنفسی وی نیز به همان نسبت افزایش می‎یابند. همچنان که فرد به ژرفای دریا فرو می‎رود، مقادیر فزاینده‎ای از نیتروژن در خون حل می‎گردد. نیتروژن در فشارهای قسمتی بالاتر موجب تغییر در ویژگی‎های الکتریکی غشاء‎های سلولی در مغز می‎گردد و موجب اثری تحت عنوان نارکوز نیتروژن می‎شود که بعداً به صورت مفصل در مورد آن بحث خواهیم کرد.
فرو رفتن به ژرفا نیز موجب افزایش مقادیر اکسیژن حل شده می‎شود. تنفس اکسیژن 100 درصد در 12 اتمسفر (33 فوتی) موجب مسمومیت سیستم مرکزی اعصاب با اکسیژن بعد از 30 تا 60 دقیقه می‎گردد. در 90 متری (300 فوتی)، تنفس اکسیژن طبیعی 20 درصد در هوای فشرده نیز می‎تواند سمیّت ایجاد کند، زیرا فشار قسمتی اکسیژن تقریباً برابر با مقدار 100 درصد آن در 10 متری (33 فوتی) خواهد بود. به همین دلیل، غواصان حرفه‎ای اعماق از مخلوط گازی استفاده می‎کنند که در آن هلیوم جایگزین نیتروژن بوده و درصدهای متغیری از اکسیژن بر اساس نیاز به عمق، به آنها اجازه می‎دهد که به اعماق فرو روند.
قانون هنری
%X=(PX/Pt)×100
مقادیر گاز حل شده در یک مایع %X=
فشار گازX = PX
فشار اتمسفری کلی Pt=
در یک درجه حرارت ثابت، مقدار گازی که در یک محلول تماسی با آن حل می‎شود، متناسب است با فشار قسمتی آن گاز (یعنی گاز تا زمانی به سطح تماس گاز- مایع انتشار می‎یابد که فشار قسمتی در هر دو طرف برابر شود.)
با افزایش ژرفای آب، نیتروژن موجود در هوای فشرده در دو طرف حبابچه‎های ششی (alveoli) تعادل می‎یابد. با گذشت زمان، مقدار فزاینده ای از نیتروژن به صورت محلول در آمده و در جزء چربی بافت‎ها انباشت می‎شود. در هنگام برگشت فرد به سطح آب، یک تأخیر زمانی وجود دارد تا بافت‎های اشباع شده شروع به آزاد سازی نیتروژن به خون کنند، این تأخیر زمانی تولید مشکل می‎کند.
زمانی که مقداری بحرانی از نیتروژن در بافت‎ها حل شده‎اند، صعود سریع به سطح موجب می‎شود که نیتروژن محلول -در زمانی که در خون یا بافت است- به شکل گاز در آید و موجب ساخت حباب در آنها شود. با پرواز غواص یا رفتن به ارتفاعات وکاهش فشار، تشکیل حباب‎ها بیشتر می‎گردد. چنانچه هنوز حباب‎ها در بافت باشند، مشکلات موضعی بوجود آورده و اگر در خون باشند نیز باعث پدیدة آمبولی می‎گردند.
قانون چارلز
(برای گاز در فشار ثابت V1/V2=T1/T2(
)برای گاز در حجم ثابت P1/P2=T1/T2(
در فشار ثابت، حجم یک جرم گاز کامل به صورت مستقیم با درجه حرارت مطلق تغییر می‎کند. به زبان ساده، کاهش درجه حرارت موجب کاهش فشار می‎شود. برای مثال، در ژرفا فرو رفتن یک زنگ غواصی بسته (closed diving bell) موجب کاهش فشار در آن می‎شود (به دلیل کاهش درجه حرارت) ولی یک زنگ غواصی باز، به دلیل افزایش فشار و کاهش درجة حرارت، با فرو رفتن در ژرفا حجم آن کاهش می‎یابد.