Физическая нагрузка под водой. Потребление кислорода и удаление двуокиси углерода
Обновлено: 04.05.2024
Вопросы кондиционирования воздуха жилых и общественных зданий с жесткими требованиями к внутреннему микроклимату часто представляют определенные трудности для специалистов. Всегда интересно рассмотреть предельный случай применения установок кондиционирования, одним из проявлений которого является отсутствие возможности использования наружного воздуха. Этот предельный случай позволяет специалисту отойти от привычных традиционных взглядов, подходов и дает возможность прийти к новым техническим решениям.
Современные подводные лодки, такие как, например, субмарина «Seawolf» (SSN-21) («Морской волк»), входящая в состав Военно-морских сил США, являются сосредоточением самых современных разработок, в т. ч. в области систем климатизации. Такие суда обычно эксплуатируются в погруженном состоянии, но при необходимости они функционируют как обычные надводные корабли.
Так как современная подводная лодка в обычном погруженном состоянии не может обновлять свой внутренний воздух свежим атмосферным воздухом, на ней должна быть создана искусственная среда. Так как лодка может находиться под водой долгое время, одной из самых насущных проблем для людей, находящихся на борту субмарины, является создание комфортной и здоровой среды обитания. Именно такие задачи ставятся перед разработчиками судовых систем ОВК и холодильных систем.
Как могут быть решены эти проблемы? Какое оборудование разработано для создания и поддержания искусственной среды, в которой продолжительное время должна находиться команда из более чем 100 человек? Как контролировать эту среду? И каким образом это оборудование и соответствующие методы отличаются от оборудования и способов решения подобных задач в современных, стоящих на берегу зданиях с системами кондиционирования воздуха?
Для ответа на указанные вопросы в этой статье рассматривается оборудование, технологии и методы создания искусственной среды на подводных судах.
Проектирование систем кондиционирования воздуха
Применяемые на современных подводных лодках ядерные установки представляют собой практически неограниченный источник энергии. Кроме этого, лодки оборудованы аккумуляторными батареями и вспомогательным дизельным двигателем, который может использоваться вместо ядерной установки. Когда лодка находится вблизи водной поверхности, воздух для дизеля может забираться из атмосферы. При этом кондиционированный воздух может подаваться для дыхания команды и для других нужд, для которых требуется свежий воздух. В доках или у причала используется вспомогательное береговое оборудование, с помощью которого производится замена внутреннего воздуха лодки. Внутреннее пространство лодки может вентилироваться, обогреваться, воздух может кондиционироваться или охлаждаться при помощи специально разработанных для подводных лодок вариантов оборудования, аналогичного используемого в современных зданиях.
Однако, когда судно находится под водой, внутренняя атмосфера должна поддерживаться достаточно длительное время, в течение которого лодка должна находиться в погруженном состоянии, чтобы не быть обнаруженной.
Теперь представим себе сложность выполнения этой задачи на такой субмарине, как «Seawolf». Она «забита» различными материалами и оборудованием поддержания тепловых параметров и удаления отработанных газов. Мы знаем, что имеющийся в ней воздух сильно загрязнен - 130 человек месяцами находятся в цилиндре длиной 108 м и шириной 12 м. Помимо этого, кроме загрязнений от оборудования разработчики систем ОВК должны учитывать образующийся мусор, пух от белья, загрязнения, вырабатываемые при приготовлении пищи, запахи человеческих тел, сточные воды и утечки химических веществ.
В научной литературе трудно найти сведения о тепловых нагрузках и расходе холода на «Seawolf», однако на основании опыта эксплуатации ядерных подводных лодок подобного класса могут быть сделаны некоторые предположения о размерах и типе установленного на этой лодке оборудования кондиционирования воздуха, а также о возможном расходе холода. На основании этих данных могут быть рассмотрены такие факторы, как тепловые нагрузки от электронного или электрического оборудования, параметры главной энергетической установки, численность команды и размеры корпуса.
При расчете тепловой нагрузки важно знать, охлаждается ли электрооборудование обычной или охлажденной водой. Должны учитываться такие непредвиденные аварийные факторы, как утечки пара или энергетические потери. При определении параметров вентиляторов и охлаждающих теплообменников для удовлетворения требований нормативов по уровню температуры и влажности должны учитываться факторы комфортности среды в машинном отделении и жилых помещениях. Для обеспечения здоровой среды обитания в замкнутом пространстве подводной лодки должны быть решены проблемы со всеми внутренними загрязняющими веществами.
Вероятнее всего, субмарина «Seawolf» оснащена двумя судовыми комплектами, каждый из которых включает два центробежных охладителя.
Когда лодка находится на ходу, обычный максимум расхода холода составляет от 528 до 703 кВт. Возможно, на лодке можно было бы обойтись и одним комплектом, но обычная нагрузка разделяется на два комплекта охладителей. Второй судовой комплект, скорее всего, служит в качестве резерва. Энергию для первичных двигателей охладителей обеспечивают судовые служебные генераторы. Устройство для обработки воздуха предоставляет различным центрам потребления электрической энергии воздух с контролируемой температурой для надлежащего регулирования влажности и температуры. Вероятнее всего, в значительной степени используется тепло, выделяемое электрооборудованием.
Вероятно, внутренний объем «Seawolf» составляет от 9 000 до 11 300 м 3 . Если показатель расхода холода равен 703,4 кВт, удельный расход холода составляет 0,07 кВт/м 3 .
Используемое оборудование
Так как пар и электроэнергия имеются в избытке, обогрев горячей водой, паром не представляет проблемы. Для охлаждения ранее широко использовались абсорбционные машины, работающие на бромиде лития, а также центробежные охладители. Другое используемое в промышленности оборудование, такое как ротационные винтовые компрессоры, спиральные компрессоры, насосы, вентиляторы и электронные фильтры, также заслуживает внимания разработчиков оборудования для подводных лодок. Важнейшей характеристикой такого рода оборудования является способность контролировать температуру и влажность во всех помещениях и отсеках, а также возможность поддержания необходимых параметров среды в изолированных отсеках при аварии. Это, в свою очередь, определяет необходимость использования централизованной системы управления при наличии избыточного резервного оборудования.
Так как в подводной лодке должна обеспечиваться рециркуляция воздуха и должно поддерживаться необходимое качество воздуха во внутреннем пространстве, чрезвычайную важность приобретают функции фильтрации и жесткого контроля загрязняющих веществ. Для этого требуется специальное оборудование, вырабатывающее кислород из морской воды, отделяющее углекислый газ от рециркулируемого воздуха и отфильтровывающее из него нежелательные газы.
На уровне моря сухой атмосферный воздух состоит приблизительно из 78 % азота, 21 % кислорода и небольшого количества углекислого газа, озона и инертных газов. Максимальное содержание воды составляет 4 % (в тропиках). На подводных лодках поддерживается указанный процентный состав внутреннего воздуха при помощи перечисленного ниже оборудования.
Установка удаления СО2
Системы обеспечения кислородом
Когда лодка находится в погруженном состоянии, кислород может пополняться в контролируемых объемах из таких источников, как кислородные установки, запасы кислорода, кислородные свечи. Кислородная установка представляет собой неограниченный источник безопасного кислорода для дыхания, вырабатываемого в процессе электролиза воды с использованием твердых полимерных электролитных ячеек. Насыщенная катализатором пластиковая диафрагма служит в качестве электролита и сепаратора. Установка имеет микропроцессорное управление, время ее цикла останова, промывки, повторного запуска и выхода на полную мощность составляет около 15 минут. Вырабатываемый установкой кислород может подаваться в отсеки лодки или собираться в кислородном хранилище, а получаемый попутно водород удаляется безопасным образом.
Система удаления углекислого газа (CO2)
В погруженном состоянии подводной лодки углекислый газ обычно удаляется газоочистителями СО2. В чрезвычайных ситуациях могут также использоваться контейнеры с гидратом окиси лития. В газоочистителях для удаления СО2 используется раствор моноэтаноламина (МЕА). Процесс очистки производится в поглотителе при соприкосновении воздуха с рециркулирующим МЕА, а также при контакте выделяемого пара и СО2 с ниспадающим МЕА в отпарной секции котла. Так как моноэтаноламин является коррозийным и токсичным веществом, необходимо соблюдать чрезвычайную осторожность, чтобы он не попал в воздух.
Аппарат для электростатического осаждения
Для удаления частиц размером в один микрон и меньше применяются аппараты для электростатического осаждения. Ионизированные пластины заряжают взвешенные частицы, которые затем собираются на пластинах заземления. Загрязненные пластины периодически очищаются ультразвуком или в очистных станциях. Так как аппараты для электростатического осаждения являются потенциальными источниками озона вследствие образования электрической дуги, для предотвращения искрения работа аппаратов электростатического осаждения должна производиться при надлежащем напряжении, при этом необходимо соблюдать все необходимые установочные параметры.
Аппараты осаждения масляного тумана
Присутствующий в воздухе масляный туман из поддонов машинного масла турбогенераторов и из выпускных отверстий корпусов подшипников удаляется аппаратом осаждения тумана. Так же как и аппарат электростатического осаждения, этот аппарат формирует на частицах масла подаваемого в него воздуха положительный заряд. После этого частицы осаждаются на заземленный проходной изолятор и стекают обратно в масляный поддон.
Предварительные фильтры
Предварительные фильтры используются для предотвращения попадания в аппараты осаждения крупных частиц (больших 10 микрон).
Топка для угарного газа и водорода (СО-Н2)
Существенной частью системы очистки воздуха в подводной лодке является топка СО-Н2, используемая для уменьшения содержания угарного газа, водорода и углеводородных загрязнений. В топке СО-Н2 используется каталитическое горение, в результате которого угарный газ преобразуется в углекислый газ и воду. Нагретый воздух пропускается над слоем материала, называемого гопкалит. Если на борту произойдет утечка хладагента, топка СО2 среагирует на эту утечку. Однако частичное окисление углеводородов, проходящих над катализатором, а не через него, может привести к образованию токсичных побочных продуктов. Хлорированные хладагенты, такие как R-12 и R-114, образуют токсичные компоненты HF и HCl допустимого уровня концентрации, а нехлорированные хладагенты, например R-134a и R-236fa, образуют токсичные компоненты при температуре 316 °C, хотя до температуры 260 °C уровень их концентрации можно признать допустимым. На рис. 3 показана схема потока воздуха через типичную топку СО2.
Топка угарного газа и водорода
Фильтры из карбоната лития
Для дальнейшего поглощения продуктов разложения кислотами (HF и HCl) далее по потоку СО2 расположен фильтр из карбоната лития. Часто слой карбоната лития возобновляется благодаря образованию на подводной лодке этого вещества при прохождении углекислого газа над контейнером с LIOH. Имеющийся на рынке карбонат лития не используется.
Фильтры с активированным углем
Активированный уголь из скорлупы кокосовых орехов используется для удаления загрязняющих газов в процессе капиллярного притяжения и поглощения. Поглощение является доминирующим процессом для органических компонентов, например углеводородов. Пределом задерживающей способности угля в обычных условиях вентиляции является практический предел насыщения. Так как процесс поглощения в угле приводит к замещению газа или пара с меньшим молекулярным весом газом или паром с большим молекулярным весом, основной слой угля может утрачивать свою способность удалять из атмосферы подводной лодки нежелательные компоненты с меньшими молекулярными весами. Когда устанавливается, что уголь достигает насыщения, он должен быть заменен на имеющийся в запасе свежий угольный фильтр. Активированный уголь используется в главной вентиляционной системе, в фильтрах туалетных помещений, гигиенических вентиляционных каналах, в фильтрах санитарно-технических каналов.
Система вентиляции
На подводной лодке система вентиляции выполняет также функции обогрева и кондиционирования воздуха. Она распределяет кондиционированный воздух по всем отсекам подводной лодки. В системе циркулирует охлажденный, нагретый и осушенный воздух. Система вентиляции выводит из помещений воздух, подает загрязненный воздух на механические фильтры, аппараты электростатического осаждения, фильтры с активированным древесным углем, в систему удаления СО2 и в топки СО-H2. Она выравнивает концентрацию атмосферных газов и осуществляет циркуляцию воздуха с восстановленными параметрами. Когда подводная лодка находится в надводном или полупогруженном состоянии, система вентиляции поставляет воздух для дизельного двигателя, приточного вентилятора низкого давления и для возобновления воздуха для дыхания. Она вентилирует отсек аккумуляторных батарей, производит циркуляцию холодного осушенного воздуха в отсеках управления ракетным оружием и навигационного оборудования, производит аварийную вентиляцию с выводом отработанного воздуха за борт и снижает концентрацию кислорода на устройствах подачи кислорода, распределяя его по всем помещениям подводной лодки.
Контроль источников загрязнения
Несмотря на наличие надлежащего оборудования, наиболее эффективным способом уменьшения или устранения токсичных загрязнений в атмосфере подводной лодки является применение детально разработанной программы контроля источников загрязнений. Такая программа должна включать проверку и контроль материалов, а также неукоснительное соблюдение внутреннего распорядка. Например, летучие углеводороды, такие как разлитое машинное или гидравлическое масло, либо утечки дизельного топлива должны немедленно устраняться для уменьшения количества веществ, которые могут распространяться по воздуху.
Заключение
Опыт использования на подводных лодках описываемого выше оборудования показывает, что концентрация углеводородов может быть обеспечена на уровне одной или двух частей на миллион. Это может быть реализовано при надлежащей дисциплине ведения внутреннего распорядка, контролировании использования растворителей, при отказе от использования масляных красок и при неукоснительном выполнении требований к процедуре окраски перед началом работы в герметичной среде лодки. Должны применяться превентивные меры, включающие строгий надзор и учет всех приносимых на борт материалов, учет времени и места использования материалов, контроль количества применяемых материалов.
Это только некоторые из инструментов, имеющиеся у разработчиков и создателей безопасной и здоровой среды на подводной лодке.
Качество внутреннего воздуха на подводной лодке может контролироваться при помощи инфракрасных спектрофотометров, приборов масс-спектроскопии, устройств определения парамагнитных свойств, теплопроводности, фотоионизации, колориметрических данных. Результаты анализов могут сравниваться с ранее полученными данными и использоваться для определения надлежащих процедур технического обслуживания, таких, например, как замена фильтров с активированным углем. Для проведения замеров на борту используется множество приборов, основанных на указанных принципах.
Применяются следующие приборы: центральный монитор контроля атмосферы, анализатор газовых примесей, водородный детектор, портативное устройство контроля параметров атмосферы, портативный кислородный анализатор, шахтный индикатор безопасности, трубки колориметрического анализа, насосные тестеры. Эти приборы могут использоваться как перед погружением, так и во время погружения лодки. Они могут применяться во время пожара для обнаружения мест, которые не затронул огонь, или для контроля мест, в которых производится работа с хладагентом.
В настоящее время имеется множество типов специализированных подводных лодок. Их предназначением может быть не только выполнение патрулирования и других специальных задач для сохранения мира. Однако, по крайней мере, часть описанного выше оборудования или его видоизмененные варианты должны использоваться на борту, чтобы экипаж подводной лодки мог выполнять свою работу в безопасной среде. И применение этого оборудования будет расширяться, т. к. человечество будет продолжать проводить исследования и расширять использование глубин мирового океана.
Литература
1. Foltz D. The design of air conditioning and ventilating systems for nuclear submarines since Nautilus. 1990. (Описывается история разработок систем кондиционирования воздуха на подводных лодках, начиная с «Наутилуса», рассматриваются факторы, влияющие на выбор оборудования.)
2. Smith D., Ung K. Leveraging active submarine force and new attack submarine hazardous material control and minimization programs. (Описываются и оцениваются материалы, предлагаемые для использования в замкнутой среде подводной лодки: клеи, краски, растворители и изоляционные материалы.)
3. Weathersby P. K., Lillo R. S. Assumptions in setting air quality standards for naval undersea environments. 1996. (Дается описание безопасных уровней воздействия многих токсических веществ.)
4. Jones L. B. The tourist submarine industry. (Дается сводка разработок средств погружения. В список таких средств включены 48 специально построенных туристических подводных лодок и семь коммерческих глубоководных аппаратов, перестроенных для взятия на борт пассажиров. Каждый год эти подводные лодки и аппараты обслуживают около двух миллионов пассажиров, желающих наблюдать подводный мир из среды с кондиционированным воздухом.)
Потребление кислорода при мышечной деятельности
При переходе от состояния покоя к интенсивной мышечной деятельности во много раз возрастает потребность в кислороде. Скорость доставки кислорода является одним из важнейших факторов, определяющих возможности энергообеспечения работающих мышц.
Кислород воздуха через стенки легочных альвеол и кровеносных капилляров попадает в кровь путем диффузии вследствие разницы парциального давления в альвеолярном воздухе и крови. Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе составляет 100 - 106 мм рт. ст., а в крови, притекающей к легким в покое, - 70 - 80 мм рт. ст., при мышечной работе парциальное давление кислорода в крови еще ниже.
Большая часть вдыхаемого кислорода связывается в эритроцитах с гемоглобином, который превращается в оксигемоглобин; причем, как было показано выше, каждая молекула гемоглобина способна связать четыре молекулы кислорода:
| Нb + 4О2 | → | Нb4О2 |
| Гемоглобин | Окскигемоглобин |
В крови взрослого человека содержится около 16 г гемоглобина. Подсчитано, что 100 г гемоглобина могут связать 134 мл кислорода (при 0°С и при атмосферном давлении), отсюда нетрудно определить кислородную емкость крови - общее количество связанного кровью кислорода. Она составляет 21 - 22 мл кислорода на 100 мл крови (при условии полного насыщения крови кислородом). На способность гемоглобина связывать кислород оказывает влияние температура и рН крови: чем ниже температура и выше рН, тем больше кислорода может связать гемоглобин.
Обогащенная кислородом кровь поступает в большой круг кровообращения. Сердце в покое перекачивает 5 - 6 л крови в минуту, следовательно, переносит от легких к тканям 250 - 300 мл кислорода. Во время интенсивной мышечной работы объем переносимой крови возрастает до 30 - 40 л/мин, а количество переносимого кровью кислорода - до 5 - 6 л/мин, т.е. увеличивается в 20 раз.
Увеличение содержания углекислого газа и повышение температуры крови в капиллярах мышечного волокна создают условия для освобождения кислорода из оксигемоглобина. Поскольку концентрация свободного кислорода в тканевых капиллярах выше, чем во внутриклеточном пространстве, происходит его диффузия в мышечные клетки, где обмен кислорода осуществляет миоглобин. Миоглобин связывает кислород и переносит его к митохондриям, где он используется в процессах, протекающих в аэробных условиях. Кроме того, миоглобин может депонировать кислород, а при интенсивной мышечной работе - отдавать свой кислородный запас.
При равномерной работе, если частота сердечных сокращений (ЧСС) не превышает 150 ударов в минуту, скорость потребления кислорода возрастает до тех пор, пока не наступит устойчивое состояние метаболических процессов, при котором потребление кислорода достигает постоянного уровня и в каждый данный момент времени точно соответствует потребности организма в нем. Такое устойчивое состояние называется истинным. Химически оно
характеризуется резким преобладанием дыхательного ресинтеза АТФ над анаэробным. При более интенсивной работе (ЧСС - 150- 180 ударов в минуту) не наблюдается установления устойчивого состояния, и потребление кислорода может возрастать до достижения максимального потребления (МПК). При достижении МПК может наблюдаться ложное устойчивое состояние, характеризующееся тем, что некоторое время потребление кислорода поддерживается на постоянном (максимальном) уровне. Это происходит не потому, что потребность организма в кислороде полностью удовлетворяется, а потому, что исчерпаны возможности сердечнососудистой системы по доставке кислорода к тканям. Максимальный уровень потребления кислорода не может поддерживаться долгое время. При длительной работе он снижается из-за утомления. Остановимся на определениях некоторых терминов, которые будем использовать при дальнейшем изложении материала.
· Кислородный запрос - количество кислорода, которое необходимо организму для полного удовлетворения энергетических потребностей за счет аэробных процессов.
· Кислородный приход - реальное потребление кислорода при интенсивной мышечной деятельности.
· Кислородный дефицит - разность между кислородным запросом и кислородным приходом.
Как видно из определений, кислородный приход всегда меньше кислородного запроса; в этом и состоит причина кислородного дефицита организма. В условиях кислородного дефицита происходит активация анаэробных процессов ресинтеза АТФ, что приводит к накоплению в организме продуктов анаэробного обмена. При установлении устойчивого состояния уровень метаболитов анаэробного обмена может снизиться за счет аэробных реакций; оставшаяся часть метаболитов устраняется в восстановительный период. Подводя итог сказанному, можно констатировать, что степень обеспечения организма кислородом - важнейший регулятор путей ресинтеза АТФ, расходуемой при мышечной деятельности.
В физиологии спорта принято различать и подразделять мышечную деятельность по зонам мощности: максимальная, субмаксимальная, высокая и умеренная. Существует и другое подразделение работы: в анаэробной, в смешанной и в аэробной зоне энергообеспечения.
Во всякой мышечной работе прежде всего следует различать начальную (пусковую) ее фазу и следующее за тем продолжение. Время пусковой фазы зависит от интенсивности работы: чем интенсивнее работа, тем продолжительнее пусковая фаза и тем резче
выражены вызываемые ею биохимические изменения в мышцах. В первые секунды работы мышцы получают меньше кислорода, чем им необходимо. Создавшийся кислородный дефицит тем больше, чем выше интенсивность работы, чем в большей мере возрастает потребность в кислороде (кислородный запрос). Поэтому в пусковой фазе ресинтез АТФ происходит исключительно анаэробными путями (креатинкиназная реакция, гликолиз).
Если интенсивность мышечной работы максимальна (а длительность, естественно, кратковременна), то на этой пусковой фазе она и заканчивается; следовательно, кислородный запрос будет неудовлетворен.
При работе субмаксимальной интенсивности, но большей длительности, биохимические изменения в пусковой фазе станут менее резки, а сама пусковая фаза укоротится. Потребление кислорода достигает предельно возможных величин (МПК), но и этих количеств кислорода недостаточно для удовлетворения кислородного запроса организма, который очень велик; в этих условиях организм испытывает кислородный дефицит. Значение креатинкиназного пути уменьшится, гликолиз будет еще достаточно интенсивен, но в известной мере начнет включаться и дыхательное регенерирование АТФ. Субстратом гликолиза будет не столько глюкоза, полученная от распада гликогена мышц, сколько глюкоза, приносимая кровью из печени.
При мышечной деятельности еще меньшей интенсивности и большей длительности после кратковременной пусковой фазы преобладающее значение получает ресинтез АТФ по аэробному механизму, поскольку постепенно устанавливается равновесие между кислородным запросом и кислородным приходом. Уровень АТФ в мышцах повышается (но не до исходных величин) и стабилизируется; повышается и уровень креатинфосфата, но в меньшей степени, чем АТФ.
Если при продолжении мышечной работы резко увеличить ее мощность, то в известной мере повторится то, что наблюдалось в пусковой фазе. Поскольку увеличение мощности работы влечет за собой и увеличение кислородного запроса, а он не может быть моментально удовлетворен, в энергообеспечение мышечной деятельности снова включатся анаэробные механизмы ресинтеза АТФ.
И еще раз рассмотрим последовательность включения различных путей ресинтеза АТФ уже с позиций удовлетворения потребности организма в кислороде: первые 2 - 3 сек энергообеспечение мышечной деятельности осуществляется за счет расщепления АТФ мышц; затем начинается ее ресинтез (от 3 до 20 сек) -
преимущественно за счет расщепления креатинфосфата, через 30 - 40 сек максимальной интенсивности достигает гликолиз; далее постепенно все больше превалирует аэробный механизм ресинтеза АТФ - окислительное фосфорилирование (рис. 38).
Рис. 38. Участие различных источников энергии в энергообеспечении мышечной деятельности в зависимости от ее длительности (по Н.Н. Яковлеву, 1983): 1 - расщепление АТФ; 2 - распад Кф; 3 - гликолиз; 4 - аэробное окисление
Мощность аэробного энергообразования оценивается величиной МПК. В таблице 14 представлены МПК спортсменов и спортсменок различных специальностей, при анализе которых можно сделать заключение о вкладе аэробного механизма ресинтеза АТФ в энергообеспечение мышечной деятельности в процессе выполнения различных по продолжительности и мощности упражнений.
МПК спортсменов и спортсменок (мл/мин·кг)
| Вид спорта | Спортсмены | Спортсменки |
| Лыжи | ||
| Бег (3000 м) | - | |
| Бег (800 - 1500 м) | ||
| Велосипед | 69 - 70 | |
| Горные лыжи | ||
| Плавание | ||
| Гимнастика | ||
| Нетренированные люди | 42 - 43 | 37 - 38 |
Систематическая физическая нагрузка приводит к увеличению числа и относительного объема митохондрий в мышечной клетке, а также к существенным изменениям в их внутренней мембране: в ней увеличивается количество крист и составляющих их ансамблей дыхательных ферментов; повышается активность дыхательных ферментов, что создает преимущества тренированному организму в отношении более полного использования поступающего в клетки кислорода и накопления энергии.
Прямо сейчас студенты читают про:
Самый сильный аргумент, почему эволюция человека не могла быть. Эволюционная теория происхождения человека В ИНТЕРЕСАХ СТАИ Идея животного происхождения человека игнорирует явную разницу между человеком и любым другим одушевленным.
Виды статистических группировок Группировкой называется разбиение общей совокупности единиц объекта наблюдения по одному или нескольким существенным.
Понятие,виды и функции социального обеспечения Социальное обеспечение — форма выражения социальной политики государства.
Политология как наука: объект, предмет, функции, методы. Западный и отечественный подход к определению политической науки Политология - это наука о политике, о конкретно-исторических политических системах, об их структуре и механизме их.
Крестьянская реформа 1861 г, ее содержание и значение. Крестьянская реформа 1861 г., отменившая крепостное право, положила начало капиталистической формации в стране. Основной причиной.
Максимальное потребление кислорода (VO2 max)
VO2 рекомендует использовать в качестве одного из наиболее надежных показателей физической работоспособности человека величину максимального потребления кислорода (МПК или VO2Max), которое является интегральным показателем аэробной производительности организма.
Потребление кислорода при мышечной работе увеличивается, как известно, пропорционально ее мощности. Однако такая зависимость имеет место лишь до определенного уровня мощности. При некоторых индивидуально предельных ее значениях (так называемой критической мощности) резервные возможности кардиореспираторной системы оказываются исчерпанными и потребление кислорода более уже не увеличивается даже при дальнейшем повышении мощности мышечной работы. Таким образом, максимальное потребление кислорода можно зарегистрировать только при нагрузках критической или надкритической мощности, когда функциональная мобилизация системы транспорта и утилизации кислорода достигает максимума (так называемого кислородного потолка). О максимизации аэробного обмена свидетельствует плато на графике зависимости потребления кислорода от мощности мышечной работы.
Каждое звено кардиореспираторной системы, которая объединяет комплекс систем и органов, может определять достаточность транспорта кислорода при нагрузке и, следовательно, играть лимитирующую роль. Однако в реальных условиях главным лимитирующим звеном в системе транспорта кислорода при интенсивной мышечной работе является система кровообращения.
Максимальное потребление кислорода — это то наибольшее количество кислорода, выраженное в миллилитрах, которое человек способен потреблять в течение 1 мин. Для здорового человека, не занимающегося спортом, МПК составляет 3200 — 3500 мл/мин, у тренированных лиц МПК достигает 6000 мл/мин.
Абсолютным критерием достижения испытуемым уровня максимального потребления кислорода(кислородного «потолка»), как уже было отмечено, является наличие «плато» на графике зависимости величины потребления кислорода от мощности физической нагрузки.
Наряду с абсолютным критерием существуют и косвенные критерии достижения МПК. К их числу относятся:
увеличение содержания лактата в крови свыше 100 мг;
увеличение дыхательного коэффициента (отношения количества выделенного углекислого газа к количеству потребленного кислорода в единицу времени) свыше 1;
повышение ЧСС до 180—200 уд/мин.
Максимальное потребление кислорода зависит от массы работающей мускулатуры и состояния системы транспорта кислорода и отражает общую физическую работоспособность (теснейшим образом связано с изменением уровня физической подготовленности человека).
До 20 лет происходит увеличение величины МПК, с 25 до 35 лет — стабилизация и с 35 лет — постепенное снижение МПК. К 65 годам максимальное потребление кислорода уменьшается примерно на треть.
МПК зависит от генетических факторов, возраста и пола. У женщин в зрелом возрасте МПК в среднем ниже, чем у мужчин, на 20—30 %; эта разница несколько сглаживается в юном и пожилом возрасте. Диапазон вариаций величин МПК у женщин значительно меньше, чем у мужчин.
И у мужчин, и у женщин МПК тесно связано с уровнем тренированности, возрастом и массой тела (в еще большей степени с мышечной массой), поэтому его измеряют также и в относительных единицах — мл/кг/мин. Если сравнивать МПК, отнесенное на единицу мышечной массы, у мужчин и женщин одного возраста и уровня тренированности, то различия могут оказаться несущественными.
Определение МПК в настоящее время используется для решения вопросов профессиональной пригодности, оценки тренированности спортсменов, диагностики состояния сердечно-сосудистой системы и органов дыхания. Считается, что в течение рабочего дня энерготраты на физическую активность не должны превышать 25—35 % от уровня максимальной аэробной мощности. Превышение допустимо лишь на некоторый ограниченный период времени, длительность которого обратно пропорциональна интенсивности энергообмена. Например, при нагрузках на уровне около 50 % от МПК в течение полного рабочего дня работа может продолжаться без ущерба для здоровья не более 12 нед, а при нагрузках на уровне 65—70 % от МПК — не более 2—3 дней. Поэтому, если известна индивидуальная величина МПК, можно с достаточной надежностью рассчитать допустимые уровни интенсивности нагрузок (трудовых, тренировочных и т. п.). С этой целью используются таблицы энерготрат при разных видах деятельности и таблицу предельно допустимого времени для нагрузок разной интенсивности.
Физическая нагрузка под водой. Потребление кислорода и удаление двуокиси углерода
О том, что дыхание - жизнь, мы слышим часто. А вот идея о том, что "недышание" - это тоже жизнь или, как минимум, полезная для здоровья практика, может удивить и заставить задуматься. Фридайверы на своем опыте убеждаются в этом регулярно. Дело в том, что занимаясь фридайвингом, мы испытываем ту самую гипоксически-гиперкапническую нагрузку. Во время ныряния на задержке дыхания в организме практически одновременно происходит снижение уровня кислорода и повышение уровня углекислого газа. Чем это полезно читайте в материале ниже.
Более ста лет назад российский учёный Вериго, а затем и датский физиолог Христиан Бор открыли эффект, названный их именем. Он заключается в том, что при дефиците углекислого газа в крови нарушаются все биохимические процессы организма. А значит, чем глубже и интенсивней дышит человек, тем больше кислородное голодание организма.
Чем больше в организме (в крови) С02 , тем больше 02 (по артериолам и капиллярам) доходит до клеток и усваивается ими. Переизбыток кислорода и недостаток углекислого газа ведут к кислородному голоданию. Было обнаружено, что без присутствия углекислоты кислород не может высвободиться из связанного состояния с гемоглобином (эффект Вериго-Бора), что приводит к кислородному голоданию организма даже при высокой концентрации этого газа в крови. Чем заметнее содержание углекислого газа в артериальной крови, тем легче осуществляется отрыв кислорода от гемоглобина и переход его в ткани и органы, и наоборот - недостаток углекислого газа в крови способствует закреплению кислорода в эритроцитах. Кровь циркулирует по организму, а кислород не отдает! Возникает парадоксальное состояние: кислорода в крови достаточно, а органы сигнализируют о его крайнем недостатке. Человек начинает задыхаться, стремится вдохнуть и выдохнуть, пытается дышать чаще и еще больше вымывает из крови углекислый газ, закрепляя кислород в эритроцитах.
Общеизвестно, что во время интенсивных занятий спортом в крови спортсмена увеличивается содержание углекислого газа. Оказывается, именно этим спорт и полезен. И не только спорт, а любые зарядка, гимнастика, физическая работа, одним словом - движение. Повышение уровня СО2 способствует расширению мелких артерий (тонус которых определяет количество функционирующих капилляров) и увеличению мозгового кровотока. Регулярная гиперкапния активирует выработку факторов роста сосудов, что приводит к формированию более разветвленной капиллярной сети и оптимизации тканевого кровообращения мозга. Можно также подкисливать кровь в капиллярах молочной кислотой и тогда возникает эффект второго дыхания при физических длительных нагрузках.
Для ускорения появления второго дыхания, спортсменам рекомендуют задерживать дыхание на сколько можно. Спортсмен бежит длинную дистанцию, сил нет, все как у нормального человека. Нормальный человек останавливается и говорит: ”Все, больше не могу”. Спортсмен задерживает дыхание и у него открывается второе дыхание, и он бежит дальше. Дыхание до некоторой степени контролируется сознанием. Мы можем заставить себя дышать чаще или реже, а то и вовсе задержать дыхание. Однако как бы долго мы ни старались сдерживать вдох, наступает момент, когда это становится невозможным. Сигналом для очередного вдоха служит не недостаток кислорода, что могло бы показаться логичным, а избыток углекислого газа. Именно накопившийся в крови углекислый газ является физиологическим стимулятором дыхания.
После открытия роли углекислого газа его начали добавлять в газовые смеси аквалангистов, чтобы стимулировать работу дыхательного центра. Этот же принцип используют при наркозе. Все искусство дыхания заключается в том, чтобы почти не выдыхать углекислый газ, терять его как можно меньше. Дыхание йогов как раз соответствует этому требованию. Дыхание обычных людей — это хроническая гипервентиляция легких, избыточное выведение углекислого газа из организма, что обусловливает возникновение около 150 тяжелейших заболеваний, именуемых нередко болезнями цивилизации.
Между тем, утверждение о том, что первопричина гипертонии именно недостаточная концентрация углекислого газа в крови, проверяется очень просто. Нужно всего лишь выяснить, сколько углекислого газа находится в артериальной крови гипертоников и здоровых людей. Именно это и было сделано в начале 90-х годов российскими учеными-физиологами. Проведенные исследования газового состава крови больших групп населения разных возрастов, о результатах которых можно прочесть в книге "Физиологическая роль углекислоты и работоспособность человека" (Н. А. Агаджанян, Н. П. Красников, И. Н. Полунин, 1995) позволили сделать однозначный вывод о причине постоянного спазма микрососудов — гипертонии артериол. У подавляющего большинства обследованных пожилых людей в состоянии покоя в артериальной крови содержится 3,6-4,5 % углекислого газа (при норме 6-6,5%). Таким образом были получены фактические доказательства того, что первопричина многих хронических недугов, характерных для пожилых людей, - утеря их организмом способности постоянно поддерживать в артериальной крови содержание углекислого газа близкое к норме. А то, что у молодых и здоровых людей углекислого газа в крови 6 — 6,5 % - давно известная физиологическая аксиома.
От чего же зависит концентрация углекислого газа в артериальной крови? Углекислый газ С02 постоянно образуется в клетках организма. Процесс его удаления из организма через легкие строго регулируется дыхательным центром - отделом головного мозга, управляющим внешним дыханием. У здоровых людей в каждый момент времени уровень вентиляции легких (частота и глубина дыхания) таков, что С02 удаляется из организма ровно в таком количестве, чтобы его всегда оставалось в артериальной крови не менее 6%. По-настоящему здоровый (в физиологическом смысле) организм не допускает снижения содержания углекислого газа менее этой цифры и повышения более 6,5%. Интересно заметить, что значения огромного числа самых разных показателей, определяемых при исследованиях, проводимых в поликлиниках и диагностических центрах, у людей молодых и пожилых отличаются на доли, максимум на единицы %. И только показатели содержания углекислого газа в крови отличаются примерно в полтора раза. Другого настолько яркого и конкретного отличия между здоровыми и больными не существует.
Углекислый газ является мощным вазодилататором (расширяет сосуды). Он действует непосредственно на сосудистую стенку, в связи с чем при задержке дыхания наблюдаются теплый кожный покров. В настоящее время на углекислый газ ученые-медики смотрят как на мощный физиологический фактор регуляции многочисленных систем организма: дыхательной, транспортной, сосудодвигательной, выделительной, кроветворной, иммунной, гормональной и др. Доказано, что локальное воздействие углекислого газа на ограниченный участок тканей сопровождается увеличением объемного кровотока, повышением скорости экстракции кислорода тканями, усилением их метаболизма, восстановлением рецепторной чувствительности, усилением репаративных процессов и активацией фибробластов.
К общим реакциям организма на локальное воздействие углекислого газа можно отнести развитие умеренного газового алкалоза, усиление эритро- и лимфопоэза. Подкожными инъекциями CO2 достигается гиперемия, которая имеет резорбтивное, бактерицидное и противовоспалительное, обезболивающее и спазмолитическое воздействие. Углекислота на продолжительный период улучшает кровоток, кровообращение мозга, сердца и сосудов. Карбокситерапия помогает при появлении признаков старения кожи, способствует коррекции фигуры, устраняет многие косметические дефекты и даже позволяет бороться с целлюлитом. Усиление кровообращения в зоне роста волос позволяет разбудить «спящие» волосяные фолликулы, и этот эффект позволяет использовать карбокситерапию при облысении. А что происходит в подкожной клетчатке? В жировых клетках под действием диоксида углерода стимулируются процессы липолиза, в результате чего уменьшается объем жировой ткани. Курс процедур помогает избавиться от целлюлита или, по меньшей мере, снижает степень выраженности этого неприятного явления. Пигментные пятна, возрастные изменения, рубцовые изменения и растяжки — вот еще некоторые показания для данного метода. В области лица карбокситерапия используется для коррекции формы нижнего века, а также для борьбы со вторым подбородком. Назначается методика при куперозе, при угревой болезни.
Итак, становится понятным, что углекислый газ в нашем организме выполняет многочисленные и очень важные функции, а кислород при этом оказывается лишь окислителем питательных веществ в процессе вырабатывания энергии. Но мало того, когда "сжигание" кислорода происходит не до конца, то образуются очень токсичные продукты - свободные активные формы кислорода, свободные радикалы. Именно они являются основным пусковым механизмом в запуске старения и перерождения клеток организма, искажая очень тонкие и сложные внутриклеточные конструкции неуправляемыми реакциями.
Из сказанного следует необычный вывод: искусство дыхания заключается в том, чтобы почти не выдыхать углекислый газ и терять его как можно меньше. Что касается сути всех дыхательных методик, то они в принципе делают одно и то же - повышают содержание в крови углекислого газа за счет задержки дыхания. Разница только в том, что в разных методиках это достигается по-разному - или за счет задержки дыхания после вдоха, или после выдоха, или за счет удлиненного выдоха, или за счет удлиненного вдоха, или их комбинаций.
Если добавить к чистому кислороду углекислый газ и дать подышать тяжелобольному человеку, то его состояние улучшится в большей степени, чем если бы он дышал чистым кислородом. Оказалось, что углекислый газ до известного предела способствует более полному усвоению кислорода организмом. Этот предел равен 8 % СО2. С повышением содержания СО2 до 8 % происходит повышение усвоения О2, а затем с еще большим повышением содержания СО2 усвоение О2 начинает падать. Значить, организм не выводит, а «теряет» углекислый газ с выдыхаемым воздухом и некоторое ограничение этих потерь должно оказать на организм благотворное воздействие. Если еще больше уменьшить дыхание, как это советуют йоги, то у человека разовьется сверхвыносливость, высокий потенциал здоровья, возникнут все предпосылки к долголетию. При выполнении таких упражнений мы создаем в организме гипоксию — недостаток кислорода, и гиперкапнию — избыток углекислого газа.
Надо заметить, что даже при самых длительных задержках дыхания содержание СО2 в альвеолярном воздухе не превышает 7 %,так что бояться вредного воздействия чрезмерных доз СО2 нам не приходится. Исследования показывают, что воздействие дозированными гипоксически-гиперкапническими тренировками в течение 18 дней по 20 минут ежедневно сопровождается статистически значимыми улучшением самочувствия на 10%, улучшением способности к логическому мышлению на 25% и увеличением объёма оперативной памяти на 20%. Нужно стараться все время дышать неглубоко (чтобы дыхания не было ни заметно, ни слышно) и редко, стремясь максимально растянуть автоматические пуазы после каждого выдоха. Йоги говорят, что каждому человеку от рождения отпущено определенное число дыханий и нужно беречь этот запас. В такой оригинальной форме они призывают уменьшить частоту дыхания.
Напомним, что Пранаямой патанджали называл «остановку движения вдыхаемого и выдыхаемого воздуха», то есть по сути - гиповентиляцию. Следует также вспомнить, что согласно этому же источнику, Пранаяма «делает ум пригодным к концентрации».
Действительно, каждый орган, каждая клетка имеет свой жизненный запас — генетически заложенную программу работы с определенным пределом. Оптимальное выполнение этой программы принесет человеку здоровье и долголетие (насколько позволит генетический код). Пренебрежение ею, нарушения законов природы ведут к болезням и преждевременной смерти.
Содержание углекислого газа в помещении: основные нормативы
В этой статье мы рассмотрим основные нормативы, которые регулируют концентрацию углекислого газа в помещениях, приведём оптимальные и допустимые значения в зависимости от класса помещений.
На примерах покажем, какое на самом деле может быть содержание углекислого газа в разных ситуациях и ответим на вопрос, как обеспечить оптимальный уровень CO2 в помещении.
СО2 — основной показатель свежести воздуха
Свежесть воздуха — это эмпирическая величина, которая показывает, насколько хорошо воздух насыщает организм кислородом, насколько им легко и приятно дышать. Но содержание кислорода трудно измерять: датчики сложные и дорогостоящие. Поэтому изначально в индустрии климата так сложилось, что свежесть воздуха стали оценивать по уровню CO2.
Углекислый газ выбрали для оценки качества воздуха из-за того, что его можно измерить с высокой точностью и из-за его сильного влияния на состояние организма человека. По его концентрации судят также о содержании в воздухе других вредных веществ.
CO2 — углекислый газ или диоксид углерода — бесцветный газ, который не имеет запаха при малых концентрациях. Углекислый газ выделяется людьми, животными и растениями, например, организм человека способен выделить около 1 кг углекислого газа в сутки. Существует прямая связь между концентрацией CO2 и ощущением духоты. Это ощущение возникает у здорового человека уже на уровне 0,08% (т. е. 800 ррm).
В высоких концентрациях углекислый газ токсичен, его относят к удушающим газам и IV классу опасности. При повышении концентрации CO2 в воздухе (0,15%—0,2% или 1500—2000 ppm), возникает общая вялость, снижается работоспособность и концентрация внимания, появляется сонливость и слабость. Содержание CO2 свыше 0,7% или 7000 ppm считается опасным для здоровья человека.
Концентрацию углекислого газа оценивают в PPM (частей на миллион) — количество кубических сантиметров CO2 на 1 кубометр воздуха. То есть, когда говорят уровень CO2 в помещении составляет 800 ppm — это означает, что в 1 м³ воздуха содержится 800 см³ CO2.
Нормы концентрации углекислого газа в помещении по ГОСТ
Оптимальные и допустимые значения содержания углекислого газа в помещении установлены в ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».
Хотите узнавать о новых статьях, акциях и закрытых распродажах первыми? Подписывайтесь на нашу рассылку или канал в Telegram ⚡
Оптимальным содержанием углекислого газа в помещении называются показатели, которые обеспечивают нормальное состояние организма и ощущение комфорта. Допустимые показатели — это значения, которые при длительном воздействии на человека могут привести к ощущению дискомфорта, ухудшению самочувствия и понижению работоспособности, но при этом не вызывают ухудшение здоровья.
Согласно ГОСТ, оптимальное содержание углекислого газа для жилых помещений — до 400 ppm. Но в поступающем с улицы воздухе уже содержится СО2, поэтому для расчётов допустимых норм показатели качества воздуха в помещении суммируются с показателями содержания загрязнений в наружном воздухе.
Таким образом, для жителей больших городов оптимальным содержанием CO2 в помещении является 800 ppm. Это считается высоким качеством воздуха. Допустимая концентрация углекислого газа находится в пределах 1000-1400 ppm. Концентрация свыше этих показателей говорит о низком качестве воздуха, что негативно влияет на организм человека.
Согласно ГОСТ, допускается превышение нормы СО2 до 1400 ppm, но физиологи рекомендуют считать верхние допустимые значения в 800-1000 ppm.
Ещё в 60-х годах 20-го века изучением влияния углекислого газа на человека занималась Елисеева О.В. — отечественная учёная, которая провела исследования по допустимой концентрации СО2 в помещении. В своей диссертации «Биологическое действие двуокиси углерода на организм человека и гигиеническая оценка её содержания в воздухе общественных зданий» она исследовала влияние углекислого газа на человека в концентрации 1000-5000 ppm.
Она отметила, что при таких показателях нарушается работа дыхательной системы и системы кровообращения, а также значительно ухудшается активность головного мозга. Согласно её выводам, уровень CO2 в помещении не должен превышать 0,1% (1000 ррm), а среднее содержание CO2 должно быть около 0,05% (500 ррm).
Нормы концентрации CO2 для разных помещений
Оценивая качество воздуха в помещении, стоит учитывать его категорию. Так как для квартир и жилых помещений требования более жёсткие, чем для офисных или производственных. Это связано с тем, что жилые помещения предназначены, в том числе и для отдыха, а для полноценного восстановления организма необходимо обеспечить высокое качество воздуха.
Помещения 1-й категории — это помещения, в которых люди находятся в состоянии покоя и отдыха, то есть жилые помещения, отели;
Помещения 2-й категории — это помещения, в которых люди заняты умственным трудом, учёбой, сюда можно отнести как учебные заведения, так и офисы;
Помещения 3-й категории — это помещения с массовым пребыванием людей, сюда относятся офисы, производственные предприятия и все общественные заведения;
Помещения 4-й категории — помещения для занятий подвижными видами спорта, то есть все спортивные залы, фитнес-центры и клубы, спортивные секции и т.д.
Нормы содержания углекислого газа для жилых помещений
Жилые помещения относятся к 1-й категории. Для того чтобы добиться высокого качества воздуха в квартире в большом городе, уровень CO2 не должен превышать 800 ppm. Для загородных домов требования выше — воздух будет считаться качественным, если содержание CO2 ниже 750 ppm.
Оптимальную концентрацию можно соблюсти, если в помещении находится 1 человек, открыта форточка и хорошо работает вытяжная вентиляция. Если в комнате будет находиться 2-3 человека, то уровень углекислого газа начнёт нарастать до 1000-1200 ppm и форточка уже не спасёт, нужно полноценное проветривание через открытые окна. А за одну ночь в помещении с закрытыми окнами при нахождении в нём 2-х человек, уровень CO2 с допустимого повышается до 2000 ppm. Если оставить окно на микропроветривание (щель), то уровень CO2 будет держаться на значениях в 1200-1300 ppm., что превышает норму на 400-500 ppm.
Таким образом, для поддержания оптимального уровня углекислого газа в помещении, где находится несколько человек, необходимо регулярное проветривание или система приточной вентиляции.
Рассмотрим на примере:
Измерения показывают, что в среднем за 1 час человек вырабатывает около 20 л. углекислого газа или 0,02 м³. Предположим, что в комнате 18 м² находится семья из 3-х человек, за 1 час при закрытых окнах они выдохнут 0,06 м³ CO2 в воздух (0,02 м³/ч на 1 человека). Объём комнаты — 54 м³. В процентном соотношении объём CO2 в комнате — 0,1111%. Переводим проценты в ppm (частей на миллион) и получаем 1111 ppm. То есть семья из 3-х человек за час вырабатывает количество углекислого газа, которое превышает оптимальные значения по ГОСТ.
Читайте также: