Opory przepływu - wspomaganie - automat oddechowy

Jak to było powiedziane są to opory związane z utrzymaniem przepływu czynnika oddechowego przez kanały w automacie oddechowym do ust płetwonurka. Zależą one od wydatku automatu oddechowego i od głębokości nurkowania (wzrost gęstości czynnika oddechowego).

Układ odciążenia ułatwia oddychanie tylko w pierwszej fazie wdechu - do odsunięcia grzybka od gniazda - czyli do otwarcia przepływu czynnika oddechowego (są to opory mechaniczne Pm). Do podtrzymania przepływu czynnika oddechowego służy układ wspomagania, który obniża opory przepływu Pp.

Rysunek przedstawia podciśnienie wdechu w funkcji czasu dla automatu bez wspomagania (czerwona linia) i ze wspomaganiem (niebieska linia). Na osi poziomej jest czas w sekundach a na osi pionowej opory oddechowe wyrażone w milimetrach słupa wody.

W układzie bez wspomagania płuca wykonują pracę (wywołanie podciśnienia) na odsunięcie grzybka od gniazda i wywołanie przepływu czynnika oddechowego, a następnie na utrzymanie tego przepływu do chwili zakończenia wdechu.

Automat ze wspomaganiem wymaga tylko wytworzenia podciśnienia przez okres ok. 0.5 sekundy. W tym czasie otwiera się układ redukcji. Dalszy przepływ czynnika oddechowego jest podtrzymywany przez efekt dyszowy. Płuca nie wykonują pracy, a wręcz odwrotnie czynnik oddechowy jest w nie niejako "wtłaczany".

Należy zaznaczyć, że w niektórych przypadkach efekt wspomagania może być tak duży, że spowoduje ciągły wypływ czynnika oddechowego, tzw. "wzbudzanie się" automatu. Zapobiega się temu zjawisku odpowiednią regulacją wielkości wspomagania.

Efekt wspomagania uzyskuje się dzięki odpowiedniemu ukształtowaniu strugi wypływającego czynnika oddechowego. By w pełni zrozumieć to zjawisko należy zapoznać się z równaniem Bernoulliego, wynikającym z zasady zachowania energii.

W przypadku zastosowania prawa Bernoulliego do płynów, zakłada się, że są nieściśliwe (gęstość = const), a przepływ jest ustalony i laminarny.

Prawo Bernoulliego ma postać:


[(q * v2)/2] + [(r * g * h)]= const

gdzie:

q - gęstość cieczy
v - prędkość wypływu płynu,
g -przyśpieszenie ziemskie,
h- wysokość podniesienia płynu

Człon pierwszy w którym znajduje się v2 (prędkość wypływu płynu do kwadratu) określa ciśnienie dynamiczne Pdyn (wynikające z ruchu cieczy), natomiast człon drugi z h (wysokość podniesienia płynu) ciśnienie statyczne Psta.
Z równania wynika, że ciśnienie całkowite Pcal czyli suma ciśnienia: statycznego i dynamicznego jest stała dla danej strugi cieczy.

Pcal=Psta+Pdyn

Ze wzrostem prędkości przepływu cieczy rośnie ciśnienie dynamiczne, a statyczne maleje. W przypadku, gdy przepływ nie występuje, dynamiczne składowa ciśnienia zanika, a ciśnienie całkowite jest równe ciśnieniu statycznemu.

W komorze powietrznej drugiego stopnia automatu występuje ciśnienie Pcal równe ciśnieniu otoczenia. Równe jest ono Psta w momencie kiedy płetwonurek nie wykonuje wdechu. Gdy następuje przepływ czynnika oddechowego (wdech) pojawia się dodatkowo składowa ciśnienia dynamicznego Pdyn . Efekt wspomagania wykorzystuje zależność jaka łączy ciśnienie dynamiczne ze statycznym.

Czynnik oddechowy z zestawu butlowego po przejściu przez wszystkie stopnie redukcji przepływa przez dyszę, której wylot jest skierowany w stronę ust płetwonurka. Ponieważ dysza ma małą średnicę, prędkość gazu wzrasta (równanie ciągłości strugi). Wzrasta ciśnienie dynamiczne, a to z kolei powoduje spadek ciśnienia statycznego w komorze powietrznej. Zmniejszenie się ciśnienia pod membraną powoduje, że membrana ugina się, naciska na dźwignię, która odsuwa grzybek od gniazda i zwiększa przepływ. Zwiększony przepływ wzmaga efekt dyszowy co dalej prowadzi do maksymalnego odsunięcia grzybka od gniazda. Należy podkreślić, że mechanizm ten powstaje dopiero po zapoczątkowaniu przepływu.

Podsumowując:

Płuca nurka wytwarzają podciśnienie, grzybek odsuwa się od gniazda, rozpoczyna się przepływ gazu. Gaz przepływając dalej przez dyszę powoduje powstanie dodatkowego podciśnienia niezależnego od wytworzonego przez płuca nurka. Podciśnienie to dodatkowo obniża położenie membrany, co w efekcie prowadzi do zwiększonego wydatku automatu oddechowego.

Istnieją przypadki, że wspomaganie jest tak silne, że przepływ czynnika oddechowego nie ustaje w momencie skończenia wdechu. Przepływ trwał by do czasu wyczerpania się zapasu czynnika oddechowego w zestawie butlowym. Aby temu zapobiec wykonuje się dodatkowe otwory wyrównawcze, przez które wypływa część czynnika oddechowego z dyszy i jest kierowana do komory powietrznej. Osłabia to efekt dyszowy ponieważ czynnik oddechowy wypływający z otworów wyrównawczych do komory powietrznej wytraca swą prędkość i powoduje wzrost ciśnienia w tej komorze.