市政工程潜水员稳性与沉浮条件

1）沉浮条件

一块钢板放入水中会沉到水底，但是用钢板制造的船却可漂浮在水面。为什么会有这种现象呢？原来，浸在水中的物体除受到向下的重力W外，还受到向上的浮力D，如图2-4所示。物体的沉浮是由D和W共同作用的结果。

图2-4　水中物体受力图

当W=D时，合力D-W=0，此时物体可以在液体内部任何位置平衡。于是把物体的这种状态称为悬浮状态（也称为中性状态）。

当D＞W时，合力D-W＞0，方向向上，物体会漂浮在水面，此时把物体的这种状态称为漂浮状态（也称为正浮力状态）。

当D＜W时，合力W-D＞0，方向向下，物体会沉到水底，此时把物体的这种状态称为下沉状态（也称为负浮力状态）。

显然，在水中的物体只能处于这三种状态中的一种。通过调节D和W的大小，可以改变物体的沉浮状态（简称为浮态）。

对物体的浮态进一步分析，实际上决定物体沉浮的因素是物体和液体各自的平均密度。当物体的平均密度等于液体的密度时，呈悬浮状态；当物体的平均密度小于液体的密度时，呈漂浮状态；反之，呈下沉状态。

例2-2 欲把一个边长为15 cm的正方体钢块（密度ρ=7.8 kg/cm3）从水底打捞出水，至少需多大的力？

解：钢块在水中分别受到向上的浮力D和向下的重力W，打捞所需的力是它们的合力。

D=9.8V=9.8×0.153=0.033 kN=33 N

W=gρV=9.8×78×0.153=0.258 kN=258 N

W-D=258-33=225 N

答：至少需225 N的力才能将铁块打捞出水面。

2）潜水员的沉浮原理

潜水员在水中的沉浮和一般物体在水中单纯的沉浮有所不同。一般物体在水中的浮态完全取决于物体所受到的浮力和自重的差值，这个差值是固定不变的，故只能处于三种浮态中的一种。一般物体的沉浮可以称为重力沉浮。潜水员和鱼类在水中的沉浮类似。鱼类在水中的沉浮，一方面通过腹内的鳔，改变自身的排水体积，从而改变浮力和自重的差值，达到沉浮目的，这属于重力沉浮。另一方面，运用尾和鳍的推力达到潜游和浮游的目的，这种沉浮称为动力沉浮。

潜水员在水中的沉浮，一种是重力沉浮，一种是动力沉浮。重潜水属于重力沉浮，重潜水运用了压重物（如压铅），结合调节潜水服内的空气垫，使重力和浮力的差值可以在较大范围内任意调整，达到沉浮的目的。而轻潜水服内没有（或者很少）可任意调节的气垫，也就是说重力和浮力的差值无法随时改变，所以轻潜水主要依靠脚蹼的推力达到沉浮的目的。

3）潜水员的稳性

潜水员在水下作业时，需要采取各种不同的体位（如站立、半屈位、跪姿等），不论采取何种体位，都要求潜水员保持身体处于稳定的平衡状态。

（1）重心和浮心的概念。(www.xing528.com)

所谓潜水员的重心是指潜水员自身的重力和潜水装具的重力共同作用形成的合力的作用点。对于潜水员来说，重心一般在腰带部位。

潜水员的浮心是指潜水员（含装具）在水中所受到的浮力的作用点。对于重潜水员来说，浮心一般在乳头的高度上。当处于直立体位时，重心和浮心的垂直距离约为200 mm，这个距离也称为稳性高度。

（2）潜水员在水下的稳性。

潜水员在水下保持身体平衡的能力，称为潜水员的稳性。它取决于重心和浮心的相对位置以及潜水员本身的平衡感。

潜水员的平衡分为稳定平衡、不稳定平衡和中性平衡三种情况。稳定平衡的基本条件是保持浮心在上，重心在下，并且在同一条铅垂线上。但潜水员在水下作业过程中，需经常变换体位，因此，也就不可能永远保持在一种平衡状态。由于不断变换动作，潜水员的重心和浮心随之不断发生位移，因而原有的平衡不断被打破，而产生新的平衡。造成重心和浮心位移的原因很多，主要为身体长度的改变、重量的增减，潜水服内空气垫的位移等。潜水员在水下应保持稳定平衡。

潜水员水下不稳定平衡的条件是：重心在浮心的上方，或浮心与重心不在同一条铅垂线上。造成潜水员不稳定平衡的主要原因如下：①压铅位置挂得过高，潜水员下水后，重心位置在浮心之上，潜水员感到头重脚轻，极易倾倒，当潜水员两只潜水鞋都脱落时，也会产生同样现象；②一侧压铅脱落或者一只潜水鞋脱落，会造成浮心与重心不在同一铅垂线上，重力和浮力形成的倾覆力矩使潜水员倒转放漂。潜水员应避免不稳定平衡。

中性平衡系指潜水员在水下浮力和重力相等，且浮心与重心重合的情况，此时，潜水员可悬浮于任何位置，并可绕重心与浮心的重合点做任意转动，这将不利于潜水员水下工作的正常进行。

（3）潜水员重心和浮心变化规律。

潜水员稳性取决于重心和浮心的相对位置。为了更好地掌握水下稳性，有必要对重心和浮心的变化规律进行分析和概括。

a.重心的变化规律。

在潜水运动中，一般认为在正确着装的基础上，不施力于物体，潜水员的重心位移很小。在直立的静态状态下，重心不变，而徒手运动时，虽因体位的变化造成重心的位移，但这种位移仍然是小范围的。由于重心在小范围发生偏离，潜水员可轻易控制稳性，保持平衡。

重心的变化只有在潜水装具各部分配重不当，着装时佩挂物的位置偏差，运动时发生压铅、潜水鞋脱落，搬运重物用力不当时才会出现较大幅度的位移。如果重心位移后仍在浮心的下方，则仍属稳定平衡范围。如果重心位移后处于浮心上方，则为不稳定平衡。这时如果潜水员有准备，可以迅速将重心和浮心调整在同一铅垂线上，仍可保持一个暂时的平衡，当然这是不易掌握的，一旦重心和浮心偏离同一条铅垂线时，倾覆力矩将使潜水员失去平衡，这是很危险的。

b.浮心的变化规律。

浮心的变化是随时随地发生的。这里因为潜水员在水下作业时，空气垫浮力的大小和位置随时都在变化。空气垫浮力的大小是通过改变排水体积来实现的，而空气垫体积和位置是随时变化的，这种变化往往是不对称的，这就使得浮心随空气垫的变化而产生位移。浮心总是向排水体积相对增大的方向移动。由于浮心的随时变化，从而随时改变着重心和浮心的相对位置关系，影响稳性。

对于重潜水员几种常规移动与浮心变化关系可概括如下：

（1）空气垫增大时，浮心下移，反之上移。

（2）后仰时空气垫前移，浮心也前移。

（3）前俯时空气垫后移，浮心也后移。

（4）左侧身时空气垫向右移，浮心也右移。

（5）右侧身时空气垫向左移，浮心也左移。