スキューバダイビングの物理学

昔はスキューバダイビングを必要以上にやっていました。オープンウォーターダイビング、​​テクニカルダイビング、​​スピアフィッシング、洞窟ダイビングなど、ほぼ何でもやりました。スキューバダイビングは素晴らしい景色が見られる楽しいスポーツですが、人間を安全に水中に沈めるプロセスには、膨大な科学的知識が関わっています。それでは、スキューバダイビングから物理学について何が学べるのか、見ていきましょう。

プレッシャー

スキューバダイバーが圧力について考える時、まず最初に思い浮かべるのはタンクの圧力でしょう。スキューバタンクは比較的小さな容積に大量の空気を含んでおり、これを実現するには空気を圧縮して高圧を発生させるしかありません。ダイバーは圧力計を使ってタンク内の空気残量を確認できます。通常、タンクが満タンの状態では、圧力は1平方インチあたり3,000ポンド（psi）です。200psiを下回ったら、水から出てください。

地球を覆う通常の空気は、主に窒素分子で、その約79%を占めています。残りは約21%の酸素です。これらの分子は、異なる速度と方向で運動する超小型のボールのようなものだと想像できます。もしこの気体が容器に入っていたら、分子の一部は壁に衝突し、跳ね返って方向を変えます。この運動の変化は、各分子が壁に小さな力を及ぼしていることを意味します。（壁や容器が大きいほど、衝突の回数が増え、全体的な力は大きくなります。）

気体分子の運動を説明する方法の一つは、単位面積あたりの力を考えることです。これは気体の圧力です。

力をポンドで、面積を平方インチで測ると、圧力は平方インチあたりのポンド数、つまりpsiで表されます。これは米国でタンク圧力を表す最も一般的な単位です。

もう一つの単位はバールで、1バールは14.5psiに相当します。1バールの値は地球上の空気の圧力に非常に近いです。今、あなたの周りの空気の気圧はおそらく14.5psiでしょう。（「おそらく」と言ったのは、あなたを批判したくないからです。もしかしたら、あなたはエベレストの頂上でこれを読んでいるかもしれません。そこでは、あなたの上に押し下げる空気が少ないため、圧力はわずか4.9psiです。もしそうなら、写真を送ってください。）力と面積で言えば、これは1平方メートルあたり10万ニュートンに相当します。

水もまた、ボールのように動く小さな分子でできており、それらの分子が水中の物体（人など）と衝突することで圧力を生み出します。水は同じ体積の空気よりもはるかに多くの分子で構成されているため、衝突回数が増え、より大きな圧力を生み出します。しかし、エベレスト山頂に登ると気圧が下がるのと同じように、水中に深く潜ると圧力は上昇します。これは、重力が水分子を下に引っ張るためです。水深10メートルごとに、圧力は1バール（14.5psi）増加します。つまり、海面下20メートル（約60フィート）への潜水では、水圧は43.5psiとなり、これは地球の表面の気圧の3倍に相当します。

（水深が深くなるほど圧力が増すため、海水全体が限りなく薄い層に崩れることはありません。深くなるほど圧力が高くなるため、上の水が押し下げる力よりも下の水が押し上げる力の方が大きくなります。この差が下向きの重力を補い、水位は一定に保たれます。）

43.5psiは人間には耐えられないほどの圧力に聞こえるかもしれませんが、実際にはそれほどひどいものではありません。人体は圧力の変化に非常に適応力があります。プールの底まで潜ったことがある人なら、この圧力の問題の原因はもうお分かりでしょう。それは耳です。鼓膜の外側にかかる水圧が内耳内の空気圧よりも高くなると、鼓膜が伸びてひどい痛みを感じることがあります。しかし、この問題を解決する良い方法があります。鼻をつまんで中耳腔に空気を送り込み、息を吐き出そうとすると、空気が中耳腔に押し込まれます。内耳内の空気が増えると、鼓膜の両側の圧力が等しくなり、正常に感じられます。これは「平衡化」と呼ばれています。理由は明らかでしょう。

実は、ダイビング中に気圧を均衡させる必要があるもう一つの空間があります。それはスキューバマスクの内側です。深く潜るにつれて、そこに空気を入れるのを忘れないようにしましょう。そうしないと、マスクが顔を不自然に押しつぶしてしまいます。

ダイバーが犯しがちな物理的なミスがもう一つあります。息を止めることで、肺の中に密閉された空間を作ってしまう可能性があるのです。例えば、水深20メートルで息を止め、その後10メートルまで上昇したとします。この浮上中、肺の容積と肺に含まれる空気の量は同じなので、肺内の圧力は変わりません。しかし、肺の外側の水圧は低下します。肺にかかる外圧が低下すると、肺は過剰に膨らんだ状態になります。その結果、肺組織に裂傷が生じたり、血流に空気が入り込んでしまう可能性があり、これは深刻な事態です。

浮力

水中にいるときには、浮くことと沈むことというもう一つの問題に対処しなければなりません。水中に留まりたいなら、浮かぶのではなく、ある程度沈む方が効果的です。二度と戻れないほど深く沈みたいと思う人はいないでしょう。また、水面にいるときに浮くことができれば便利です。幸いなことに、スキューバダイバーは状況に合わせて「浮力」を調整することができます。これは「浮力制御」と呼ばれています。

物体は、下向きの重力が上向きの浮力よりも大きいときに沈みます。この2つの力が等しい場合、物体は中性浮力となり、浮くことも沈むこともありません。これは水中でホバリングしているようなもので、スキューバダイビングで目指す動作と基本的に同じです。

水は実は中性浮力を持っています。そう、水は浮くのです！例えば、1メートル四方の立方体の水が、さらに別の水の中にあるとします。この水はそのままそこに留まることが分かっています。つまり、上向きの浮力と下向きの重力は等しくなければならないということです。

では、その1立方メートルの水を、同じ形と大きさの岩石に置き換えてみましょう。浮力は物体と周囲の水との相互作用によって生じるため、この岩石は立方体の水と同じ浮力を持ちます。しかし、岩石の質量（つまり重さ）は水よりも大きいため、岩石にかかる力は下向きになり、沈んでしまいます。

これを一般的な物体に拡張すると、何かに働く浮力は、それが押しのけた水の重さ（体積V）に等しいと言えます。水の単位体積あたりの質量について考えると便利です。これを密度と呼びます。（物理学者は密度を表す記号としてρを好みます。）

押しのけられた水の重さは水の密度 (ρ _w ) と重力場 (g) に依存するため、浮力については次の式が得られます。

物体の重さは密度にも左右されます。もし物体の密度が水より低い場合、浮力は自重よりも大きくなり、浮きます。ほとんどの木材は密度が水より低いので、浮きます。金属製の船が浮くのは、固体の金属ではないからです。船内の空気によって密度が水より低くなるのです。また、ごく小さな石、美味しいグレービーソース、サイダーなども浮くかもしれません。（この引用文を知らない方も、ご容赦ください。）一方、鉄の釘は密度が水より大きいので、沈んでしまいます。

しかし、スキューバダイバーが浮力をどのように制御できるかが分かりました。体積を増やすと（質量はそのまま）、密度が低下します。これにより浮力が増大し、ダイバーは浮上します。体積を減らすと浮力が低下し、ダイバーは沈みます。実は、水中では呼吸だけで体積を変化させることができるのです。スキューバレギュレーターから息を吸うと肺が膨張し、体積と浮力が増大します。息を吐くと逆の作用が起こります。

スキューバダイバーは、浮力を調整するために外部装置を装着します。これは基本的に、背中に装着する膨張式バッグで、（当然のことながら）浮力制御装置と呼ばれます。スキューバタンクに接続することで、空気を補充したり抜いたりして浮力を調整できます。

熱伝導率

気温が華氏72度だと、とても気持ちいいですよね。でも、同じ温度の水に入ったことはありますか？ああ、すごく冷たく感じますよね。実は、違いは温度ではなく、体から他の物体へ熱エネルギーが伝わる速さです。これは熱伝導率、つまり2つの物体（今回は体から冷たい水へ）の間で熱エネルギーが伝わる速さです。

もう一つ例を挙げましょう。木のブロックと金属のブロックが室温で置かれているとします。直射日光やヒーターの熱は受けていません。両方のブロックに触れると、実際には同じ温度であるにもかかわらず、木のブロックの方が金属のブロックよりも暖かく感じられます。これは、金属の熱伝導率が木よりも高いためです。金属に触れた手は熱エネルギーの減少が速いため、金属のブロックの方が冷たく感じられます。

スキューバダイビングでも全く同じことが起こります。水は空気よりもはるかに優れた熱伝導率を持つため、体温（ほとんどの場合、水よりも温かい）から水へ熱エネルギーが移動する速度は、空気中よりも速くなります。実際、エネルギーの損失が非常に速いため、体幹体温が下がる可能性が高く、筋機能の低下、さらには呼吸不全や心不全などの問題を引き起こす可能性があります。

この水の問題に対する最も一般的な解決策は、ウェットスーツを着ることです。ウェットスーツは通常、熱伝導率が非常に低いネオプレンなどの素材で作られています。これにより、人体から熱エネルギーが失われる速度が低下します。ウェットスーツと呼ばれるのは、濡れるから​​です。外側の水が肌とぴったりとしたスーツの間に閉じ込められ、体温で温められるのです。

水に濡れるのが苦手な方は、ドライスーツを着るという選択肢もあります。手首と首に防水シールがあり、ブーツも内蔵されているので、水が全く入りません（まあ、多少の漏れは許容できるかもしれませんが）。しかし、これはダイバーにとって負担が増えます。水圧が高くなると、スーツ内の空気量が減少し、体に「シュリンクラップ」効果が生じ、スーツ内で腕や脚を曲げるスペースがなくなります。深度が深くなるにつれてスーツ内に空気を入れることでこの問題は解決できますが、水面に戻る際には空気を抜く必要があります。

水中ビジョン

濁った水の中でダイビングをした経験があり、ほとんど何も見えませんでした。ネタバレ注意：あまり楽しくありませんでした。ダイビングの醍醐味は、水中のクールなものを見ることです。しかし、たとえ透明な水の中でも、何かを見るにはマスクが必要です。マスクは目と水の間に空気層を作り、それが焦点を合わせるために必要なのです。人間が本来いる陸上にいる時と水中で、目の水晶体の働きは次のようになります。

レンズは、その形状と、レンズ内部とレンズ外部における光速の差に基づいて光を曲げます。（物質内の光速は屈折率で表すことができます。）水中での光速は、空気中の光速のわずか66.7%です。これは問題です。目の水晶体が光を曲げて網膜に焦点を合わせる能力が低下するからです。その結果、視界がぼやけます。

マスクを装着すると、目の前に再び空気が入り、レンズが光を適切な量だけ曲げることができるようになります。しかし、水中を進む光は、空気中を進む光よりも遅い速度で進みます。光がある媒質（水など）から別の媒質（空気など）に入ると、光路は曲がります。これを屈折と呼び、水中にあるものが実際よりも近くに見えることがあります。

これはどのように機能するのでしょうか？私たちが物を見るのは、光が物体に反射して私たちの目に入るからであることを覚えておくことが重要です。ダイビング旅行で見かけた魚を例に考えてみましょう。光線は魚に反射し、水中を進み、スキューバマスク内の空気中に入ります。空気と水の屈折率の違いにより、光線は曲がります。しかし、私たちの目と脳は光が方向を変えたことを認識しません。空気中と同じように、光は直線的に進んだと想定するのです。そのため、光は魚の実際の位置よりも近い場所から来たように見えます。

この図は役立つはずです:

水中で魚（特にサンゴ）を見る際に、もう一つ問題があります。それは色です。私たちは水は透明だと思いがちですが、実際には「ある意味透明」という程度です。純水の場合、可視光線は水面を通過する際に吸収されます。水深300メートルを超えると、実質的に光は残っていません。つまり、どんなに透明度の高い水でも、水深300メートルでは夜のように暗いということです。（そもそも、そんなに深くスキューバダイビングをするべきではありません。）

光の吸収は色によって異なり、赤色光は水深5メートルでほぼ吸収されます。さらに深く潜るにつれて、赤色よりも青色が強い光しか見えなくなります。赤色光がなければ、魚やサンゴなどの赤いものは暗い灰色に見えます。

でも、簡単なコツでこの問題を解決できます。懐中電灯を持っていくのです。懐中電灯の光は、水面からの光ほど遠くまで届かずにきれいな魚に反射するので、赤い部分もはっきりと見えます。

気体の分圧

空気は通常、1気圧（1ATM）の圧力で窒素79%と酸素21%の混合物であることを思い出してください。しかし、酸素と窒素は体と異なる方法で相互作用するため、それぞれ異なる考え方で考える必要があります。混合気体は「分圧」という概念を用いて扱うことができます。1ATMの空気（酸素と窒素の混合物）は、0.21ATMの圧力（混合物の21%）の酸素と0.79ATMの窒素と同じです。

これら2つのガスが体にどのような影響を与えるかを見てみましょう。まずは酸素分圧、つまりPPO ₂と呼ばれるものから始めましょう。人は酸素を必要としますが、少なすぎても多すぎてもいけません。例えば、気圧が低い高高度を飛行機で旅行しているとします。PPO _{2 が}約0.17を下回ると、脳が機能するために必要な酸素が足りなくなります。まともに考えることができなくなり、失神してしまう可能性もあります。（高高度を飛ぶ飛行機には与圧された客室が備え付けられているのはそのためです。与圧されていない場合は、乗客は補助酸素マスクを着用する必要があります。また、民間航空機の客室乗務員が客室の気圧低下時の安全手順について説明するのもこのためです。）

しかし、水中では、圧力が高すぎることが問題となる可能性が高いです。酸素分圧が1.6気圧程度になると、けいれんを引き起こす可能性があります。

PPO _{2 を}そこまで高くするにはどうすればいいのでしょうか？次のケースを考えてみましょう。純酸素（窒素なし）のタンクを用意し、水深10メートルまで潜ります。スキューバレギュレーターで実際に呼吸するには、肺にかかる圧力が周囲の気圧と等しくなければなりません。そうでなければ、息を吸うことができません。つまり、純酸素の圧力は2 ATM になります。（水深10メートルごとに1 ATM の圧力がかかることを思い出してください。）この圧力で呼吸すると、PPO _{2 は}2.0 となり、1.6 ATM を超えてしまいます。ですから、このようなことは避けてください。

スキューバダイバーが純酸素ではなく、酸素濃度が21%しかない普通の空気を使用するのはそのためです。同じ深度でのPPO ₂は0.42 ATMなので、問題が発生する可能性は低いでしょう。また、普通の空気をタンクに注入する方がはるかに簡単です。他の混合ガスを使用する場合、圧迫や病院で見かけるような酸素タンクといった複雑な手順が必要になります。

さて、タンクにカスタム混合ガスを入れたとしましょう。酸素40%、窒素60%はどうでしょうか？（注：これは本物のガスで、ナイトロックスと呼ばれます。）これにより、酸素と窒素の比率が空気中よりも高くなります。このガスを水深20メートル（3気圧）で吸うと、酸素のPPO ₂は0.4 × 3気圧、つまり1.2気圧になります。これは1.6気圧のPPMに近づくので、この混合ガスではそれ以上深く潜らない方が良いでしょう。

それほど深く潜れない場合、タンクに酸素を追加するメリットは何でしょうか？答えは、酸素を増やすと窒素が減少することです。体は窒素ガスを利用しませんが、組織に吸収されます。水面上昇時など、低圧になると、この窒素が組織から放出されます。これをガス放出といいます。窒素が過剰に、かつ急速に放出されると、泡となって血液中に入り込み、深刻な健康問題を引き起こします。これは一般に減圧症、または「ベンド（潜行性低気圧）」と呼ばれます。窒素の使用量を減らすと、組織への窒素吸収量が減少し、減圧症のリスクが低下します。

減圧症を予防するには、浅い深度までゆっくりと移動することも有効です。レクリエーションダイビングの場合、水面に戻るまでの時間で安全に放出できる量の窒素だけを吸収することが目標です。

特定の深度に滞在できる時間の実際の計算は複雑で、平均的な人体の大きさに関する大まかな推定値に依存しています。そのため、現代のスキューバダイバーのほとんどは、深度と時間に基づいて残り時間を常に計算する小型のダイブコンピューターを使用しています。

実際にスキューバダイビングをするには物理法則だけでは不十分ですが、何が起こっているのかをある程度理解するには十分です。体験してみたい方は、スキューバダイビングショップのダイビングインストラクターに残りの部分を教えてもらいましょう。懐中電灯をお忘れなく。