Delovanje tlačne sile na bobnič

Ko se potapljamo, se tlak z globino povečuje in sicer za 1 bar vsakih deset metrov. Povečan tlak močno vpliva na votle, z zrakom napolnjene dele telesa in telesne organe: pljuča, obnosne votline, ušesa ter prebavila. Vpliv povečanega tlaka v globini potapljač najhitreje začuti na ušesnem bobniču, ki se upogne proti srednjemu ušesu. Če potapljač, kljub močni bolečini v ušesih, nadaljuje s potapljanjem, se lahko bobnič pretrga. V srednje uho vdre hladna voda, ki povzroči motnje v ravnotežju ter vrtoglavico. Potapljač izgubi občutek za orientacijo ali celo zavest. Pri spustu v globino mora zato potapljač skrbno izenačevati tlak zraka v srednjem ušesu s tlakom v okolici. To naredi npr. z manevrom Valsalva. S palcem in kazalcem si zatisne nosnici in poskuša pri zaprtih ustih pihniti zrak skozi Evstahijevo cev v srednje uho. Evstahijeva cev povezuje srednje uho z žrelom. Odpre se tudi med požiranjem ali med premikanjem čeljusti. Če potapljač pritiska ne more izenačevati, mora prenehati s potapljanjem, se dvigniti do globine, na kateri nima težav, nato pa z vmesnimi postanki splavati na površje.

Slika 1:
Model srednjega ušesa

S tem smo zapisali teorijo, ki jo vsak potapljač izve v začetnem tečaju. Pa vendar človeški možgani delujejo tako, da si stvari lažje predstavljamo, če jih vidimo ali jih celo preizkusimo v praksi. V praksi preizkušati, kaj se dogaja z bobničem pri povišanem zunanjem tlaku, ni najbolj pametno, zato za demonstracijo raje pripravimo model srednjega ušesa.

Model, ki ga bomo opisali v nadaljevanju, je preprost za izdelavo, z njim pa prikažemo delovanje povečanega tlaka na membrano, pokažemo, kako skozi Evstahijevo cev potuje zrak do srednjega ušesa in kako z izenačevanjem pritiska v ušesih zmanjšamo upogib bobniča.

Za model srednjega ušesa (slika 1) potrebujemo prozorno plastično posodo ali kozarec, membrano iz lateksa (del balona) ter elastiko za pritrditev membrane. Z membrano pokrijemo odprtino plastične posode, jo napnemo in pritrdimo z elastiko. Model bomo najbolje preizkusil, če se bomo z njim potopili na dno bazena in opazovali, kaj se bo zgodilo z membrano.

Plastična posoda ponazarja telesno votlino napolnjeno z zrakom, obdano s kostmi, v tem primeru srednje uho. Membrana predstavlja tanko opno (bobnič) v ušesu, ki loči sluhovod od srednjega ušesa. Tlak zraka v posodi (p0) je enak tlaku zraka v okolici (slika 2), zato sta tlačni sili, ki delujeta na membrano, zunaj in znotraj posode nasprotno enaki. Tlačna sila je enaka produktu tlaka in velikosti ploskve, na katero deluje sila. Ker se površina opne ne spreminja (pa tudi površina bobniča je vedno enaka), na slikah ne označujemo sil, temveč kar tlak. Na globini h je tlak za vrednost hidrostatičnega tlaka večji od zračnega tlaka. Ker se v vodi tlak poveča za 1 bar vsakih 10 m, je povečanje tlaka na globini h enako , kjer je s = 1 bar/10 m. Ko model potopimo, se poveča samo tlak v okolici modela, ne pa tudi v notranjosti. Zunanja tlačna sila na membrano je večja kot notranja, zato se membrana upogne navznoter. Opna se napne in če je razlika tlačnih sil prevelika, se lahko pretrga. Tega s tem modelom sicer ne moremo pokazati. Lahko pa za ponazoritev napihujemo balon. Balon se razteguje (sedaj je v notranjosti balona večji zračni tlak kot v zunanjosti), opna je vedno bolj napeta (uho vedno bolj boli), ko je napetost prevelika, pa naredi »bum« (bobnič poči).

Membrana se vrne v prvotni položaj, če model srednjega ušesa dvignemo na površje. Z zmanjšanjem hidrostatičnega tlaka se zmanjša tudi tlačna sila vode na membrano.

Slika 3: Model srednjega
ušesa z Evstahijevo cevjo

Da prikažemo izenačevanje pritiska, preprost model nadgradimo in pripravimo model srednjega ušesa z Evstahijevo cevjo (slika 3). Potrebujemo še plastično cevko, lepilo ali silikon ter plastično brizgalko. V posodo previdno zvrtamo luknjico in vanjo vstavimo konec plastične cevke. S silikonom zalepimo odprtino okrog plastične cevke, da ne bo puščala. Nato cevko povežemo s plastično brizgo.

Brizgo napolnimo z zrakom, nato pa model potopimo na dno bazena. V modelu srednjega ušesa z Evstahijevo cevjo (slika 4) so votline (plastična posoda, cev in brizga) napolnjene z zrakom. Skupna prostornina zraka v votlinah je enaka vsoti prostornine zraka v posodi, cevi in brizgi. Na dnu bazena je tlak v okolici membrane za sh večji od tlaka zraka v votlinah, torej je enak . Tlačna sila vode je večja od sile zraka in membrana se upogne navznoter.

Membrana se bo izravnala, če se bo tlak zraka v posodi povečal. Za ponazoritev Valsalva manevra iz brizge iztiskamo zrak po cevi v posodo. Skupna prostornina zraka v votlinah se zmanjšuje in gostota molekul zraka (molekul kisika in dušika) se povečuje. Tlak na membrano si predstavljamo kot molekule zraka, ki se zaletavajo v membrano in se od nje odbijajo. Če jih je več, je tudi tlak večji. S stiskanjem brizge tako povečujemo tlačno silo zraka v posodi. Membrana se izravna, ko je tlak v posodi (p1) enak tlaku v vodi (p0 + sh).

Ko izenačujemo pritisk v ušesu, seveda ne moremo zmanjšati volumna notranjih votlin. Povečanje gostote molekul zraka dosežemo tako, da v notranje uho preprosto pihnemo dodatne molekule zraka.

Model nam omogoča še naslednji poskus. Ko na dnu bazena potisnemo zrak iz brizge v posodo in izenačimo tlak (membrana je ravna), se dvignemo na površje. Opazimo, da je sedaj membrana izbočena. Seveda – zunanji tlak se je zmanjšal, tlak v posodi pa ne. Ko potegnemo za brizgo in večamo njeno prostornino, se veča tudi prostornina, ki jo lahko zavzema zrak, s tem se manjša gostota, tlak se zmanjšuje in membrana se ravna.