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水下光学基础 水和空气对光的传播来说，是不同的媒质，所以人在水下的视觉不同，一般产生视力减弱、 视野缩小 和色觉改变等。此外，由于水的混油、透明度差，能见度也会呈不同程度的降低。所有这些都会造成潜水 员的水下视觉困难。 但不论是在空气中，还是在水中或是其它媒质中，光的传播规律都是相同的。一、光的直线传誉 光是从物体发出来的，能经发出光的物体叫光源。例文太阳和气行等都是光源。如果光源本身的尺可 比到光源到观察点的距路小得很多时，这样的光源叫城台光源。能梦传播光为动质叫無光約建质。刨起： 空气、水和玻璃等都是光的蝶质。 在点光源的照射下，在不透明的物终背后会出现清济的彩子。 影子为老状与光源为中心食出的直线所 构成的几何投影形狀一致，在黑夜。我们可以观察到手电简发出的光，其路线是直的。这兰现余表明光在 空气中沿直线传播。 实验证明：光在任何一种均匀業质里都沿直线传福。这就是光的直线传播定锋。 应注意的是，光线只在均匀的媒质中沿直线传语。在丰均匀媒质中光线装医折封而考三， 单位时间内光传播的更高叫光遠。光遠与煤质的密度有关。媒质玄度起小，光遠这大。光在真空中的 速度为3×10"km /s。光在真空中的遠度 ，在空气中的速皮比在真空中路小，可运飲为 3x0m/s.光 在水中的速度大约是空气中的四分之三。在交旁中比水中还小很多。 光在真空中的传播遠度是一切物质运动遠度的聂大校限。 二、光的反射和折射定律 （一）光的反粉定律 光在均匀媒质中是直线传播的。兰光从一科媒质信指到另一業质时，在两科蝶质的分界面上，一部分 光返回原来的媒质，这种现象叫光的反射。 如图2.5所示，工是空气，I是平面镇，A0是入射光线。0日 是反时光线。我们把通过光的入射点。 垂直于镜面的直线 ON 叫法线。入射光线 A0 与法线 ON 的交角上AON 叫獄入射角，反射光线 08 与法錢 ON 的夹角??BON 叫微反射角。 实验证明：反射光线与入射光线和法线在同-平面上，反射光线和入射光錢分居在法钱两侧，反射角 等于入射角。这就是反射定律 如奥让光逆者原来的方向投射到界面上，那它就要逆者原来人射光的方向反射出去。可见，在光的反 射现象中，光路是可逆的。 光的反射 光线在任何两种媒质的界面上都会发生反射，但不同的界面对光的反射是不同的。平滑的界面，如镜 面、平静的水面等，能使平行的入射光线沿着同一方向反射出去，即反射光线也是平行的，这种反射叫做 镜面反射。如果界面租糙不平，即使入射光线是平行的，反射后的光线也不平行，而是射向各个方向，这 种反射叫做漫反射。必须注意，发生漫反射时，每一条光线还是遊守反射定律的。 （二）光的折射定律 光线从一种媒质进入到另一种媒质时，它的传播方向会改变，这种现象叫做光的折射。让一束光从空气中斜者射向水面，我们会看到， 除了一部分光反射回空气，改变了传播方向以外， 还有一部分光进入水中，也改变了传播方向。如图 反射伯 2-6 所示。 为光的入射点，NN’为法线，AO 为入 入射伯 射光，OB 为折射光，0C 为反射光，
潜水器的发展情况 港水器是各种水下运行器的统称。通花分为執人潜水器和无人灣水器两大类。 數人灣水器是在水下有人探纵，并可提带源贸的一种灣水器。根据胎室压力的不同，可分为路压數人 潛水器、闸式潜水器和湿式潜水器三种。湿 式潜水器，其舱室是非耐压的，驾驶员和乘 员需戴水下呼吸器，主要用于潜水观光和运 送潜水员。闸式潛水器是一种组合式（常压 ，高压）载人潜水器，可在水面及水下航行 （图 1-8)。早的一艘闸式潜水器于 1895 年是根据 “沉箱”的气闸原理制成的。 闸式 潜水器首部的驾驶舱内为常压，驾驶员可利 用仪器设备对舷外目标物进行水下观察和 Gof 00: 录像，可监视舷外潜水员的活动，并能及时 营救。潜水器中部为一可调压的潜水舱。当 舱室内外压力平衡时，打开底门，潜水员可 出潜作业。作业结束，返回舱室。潜水员可 在高压下与母船上的甲板减压舱对接后，进 图1-8 闸式潜水器 入甲板减压舱再实施减压。闸式潜水器在水下有很大的灵活性，是一种新型的多功能的潜水器，但它的投 资和使用费用均较高。我国在20 世纪 80 年代曾从法国进口过 SM358 和 SM360 两种闸式潜水器，其 潜 水深度为 300 m。 常压潜水是人在潜水过程中始终处于常压环境下的一种潜水技术。人在水中直接潜水的 深度在 500~600口范国，而人在窗南的第达村达龙体中，时以到忑灣计的取休短。 人港水器创造了深灣 10 911. S4 四 的世界纪录。 诺压潜水版，是近年*才发展起来的一种作业型潜水器，主要由坚固耐压的轻顾合金數光、机城手和 生金支持系统每部分组成。操作者時吸滿压空气，因而没有年语音失真及保暖问题，潜水作业后也无需發 压。20 世纪70 年代初的产品型号有“吉姆” 和“山婚”，外形权人， 四肢有活动关节，水下活动不够灵活。后来的“黄蜂”、 “蜘蛛”和“蟺 婷。型，下肢改为桶形，设 6~8个小型推进器，可上下、左右、路后 移动，也可悬停作业，潜水深度达 610四。因不再星人形，故改称为单 人常压潜水器，英文缩写名仍为 OMAS(图 1-9)。 OMAS 的主要优点是操 作使用方便、可靠，尤其是在紧愈情况下可迅速投入使用，不足 的是在水中停留时间受到海况和人的耐受力限制。因内有代表性的 osz-11型常压潜水服派有观察和作业等功能，既是常压執人潜水器， 又可作为简单的過控潜水器，其 工作深度为 300m，水下巡航半径 50m，生命支持力 80 h，可以在海况不大于4 级的海区进行作业。 遥控潜水器和水下机器人足两种典型的无人潜水器。遛控潜水器 常按英文名缩写称其为 ROV，是一种依靠水面遥控而运行的潜水器。按 逼拉方式不同，ROV 可分为系缆和无缆两种类型。前者通过电统可把水 下获得的水深、水温、航向、航速等各种参数传回水面控制台上。操 因1-9 单人常压潜水器 纵人员可监视 ROV 的活动，并进行遥控指挥，指令它在水下完成一定 的任务。后者由水面通过声波指令对 ROV 实现邏控。目前，ROV 的 深度已达 7000m，但其工作深度多半在600 m 以浅。ROV 由于不需要人员下海而无生命危险和可以不必自 行携带动力源等，因而尺寸小、重量轻、造价低，近年来国内外发展迅速。 我国 ROV 研制开发工作始于 20 世纪 70年代末。 台 HR-I 型 ROv 属水下观察型 ROV，其 工作深度为 300 m，水下巡航半径 120元, 航速 2.5 k。之后，国内又研制出 Yg2 型等几种作业型的 ROV，具有水下搜素、水下观察和水下作业等功 能。 水下机器人，又称海洋机器人，是一种代替潜水员在水下作业的自控的潜水器。能在水下游动或行走, 能模仿人的手和臂运动，完成水下作业所需动作。国际上，水下机器人品种繁多。国内，1994年研制出落 一台潜水深度为 1000 m 的探素者号水下机器人。1996年又研制成 6000 m 的 CR-01 型水下机器人。目煎， 我国在无缆智能型水下机器人的研究方面也取得了一定的成果。 潜水技术发展多元化的今天，有统计资料表明，ROV、OMAS 和饱和潜水 系统的初始投资费之比约为 1:1:10，苦运费约为 0.5:1:10，重量约为 1:1:12。所以，当今人们普追认为：在潜水作业深度超过 150 之后，尽管可采用饱和潜水进行作业，但是由于它的投资和营远费用品贵及医务保障的复杂性，因此都饭 向于选用 ROV 或 OMAS 以取代潜水员直接潜水。在水深 150n 以浅的水下作业，由于潜水员的手比机械手作 业效率高，可完成许多复杂的任务，因此，仍基本采用承压潜水技术。具体地说，60m 以浅，水下作业货 间短，主要采用水面供气式轻装空气潜水，但在寒冷和/ 或海流较大的水城，也可采用新型的重装空气楼 水：水下作业时间及整个作业周期较长，宜采用空气饱和潜水或氮氧饱和一空气巡回潜水：60~120口道 围，水下作业时间较短，可采用瓜氧常规潜水：60~150m 范围，水下时间较长，则应采用氢氧饱和港本 当然如果需要，150~300m 范围，也可采用饱和潜水技术。
水的阻力 物体在地面运动时，需不断施加动力，否则物体就会停下来，这是因为物体和地面间存在着摩擦阻力。 同样的道理，潜水员在水中运动时，也会受到水的阻力。 在水中运动的物体，所受到的与运动方向相反，阳码物体运动的力，叫做水的阻力。水的阻力消耗漕 水员的体力。凭经验我们知道，游泳时慢慢游不会很费劲，但快速游时会很累。这说明水的阻力与相对运 动速度有关，速度快时，阻力大，反之则小，当然速度和阳力间不是简单的线性正比关系。 为什么在水中运动的物体会受到阻力？ 这因为水的内部存在粘滿性。潜水员入水后，潜水服被水没湿， 港水员运动时，这部分水就和潜水员一起运动。此时，周国的水必然与这部分水相分商。由于水本身所具 有的粘湍性，潜水员运动时就要克服这种粘着力，才能使附者在潜水服上的水与周国的水相分高。潛水员 要游动就必领付出一个力来克服水的粘着力，即水的粘着阻力。 水中物体所受的阻力可用2-5 式计算： R=p vZCA (2-5) 式中：R一水的阻力 V一水流速度 C一水的摩擦系数 A一运动物体迎水面积 p一水的密度 从上式可以看出：水中运动的物体，所受到水的阻力，与水的摩擦系数（粘滞度）有关；与迎水面积 有关，迎水面积大，阻力也越大；与运动速度有关，速度越大，阻力亦随之增大。 除此之外，阻力还与物 体的形状有关。 实验证明，当相对运动速度增大到一定值时，水的阻力会急剧增大，这时又增加了一个阻力因素，即 湍流阻力。 19世纪末，英国物理学家雷诺证明液体的运动存在层流和湍流(又叫紊流〕两种流态。所谓层流指液 体质点作有秩序的线性运动，彼此互不掺混的流动状态；而充满旋涡、质点相互混掺的流动状态则称为湍 流。流速是决定流态的主要因素之一。 潜水员在静止(或流速很小）的水中慢速运动，水的流态属于层流。 而潜水员在静止水中快速游动或在急流中运动时，水的流态属于湍流，这时水的阻力随相对运动速度增加 而呈几何级增加。 综上所述，水的阻力包括粘滞阻力和湍流阻力。在相对运动速度较小时，阻力的大小主要是粘滞阻力， 在相对运动速度较大时，阻力的大小主要是湍流阻力。为了减少阻力，可以设法减小迎水面积及降低运动 速度。 二、水的阻力与潜水员的关系 我们知道，水下环境从动态意义上可分为静水环境和流水环境两种。因此潜水员在水中所受阻力也可 以分为两种情况来研究，即运动阻力和水流阻力。 1运动阻力 潜水员在静水环境中，与水做相对运动所受到的水的阳力称做运动阻力。根据 2-5 式可知，这个阻力 的大小与迎水面积的大小成正比，并随运动速度增大而增大，这时潜水员与水作相对运动时水的流态，可 视为层流，阻力较小，主要为牯滞阻力，只要运动速度不过快，一般不会产生湍流阻力。潜水员可适当减 慢运动速度，或尽量减小迎水面积，比如侧身运动等都可有效减少运动阻力。 2. 水流阻力 潜水员在流水环境，水流与潜水员相对运动所受到的阻力称做水流阻力。 如果水流速度很慢，水的流 态仍可看做层流，潜水员所受到的阻力与静水时相差不大，主要还是牯滞阻力但是水流较急时，水的流态 为湍流，水的阻力除粘滞阻力外，还会产生湍流阻力，而且湍流阻力比粘滞阻力大得多，对潜水员造成很 大的体力消耗，甚至无法进行水下作业。因此在急流的江河和潮流较大的海区作业，潜水员将受到比静水 环境大得多的水流阻力。在这种环境作业，应采取各种手段才能保证水下作业。例如，根据湖汐运动 规律，在平潮期间作业：在急流中使用挡流板等。
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