Объем газа изменяется в зависимости от давления. Роберт Бойль (1627–1691) описал этот феномен в своем знаменитом законе, который он сформулировал в оксфордской лаборатории, расположенной неподалеку от той, где работаю я. Он доказал, что (при заданной температуре) произведение давления и объема всегда постоянно, то есть объем, помноженный на давление, дает константу. Таким образом, на глубине 30 м, где давление в четыре раза превышает атмосферное, объем газа сократится до четверти объема на поверхности. Как мы увидим позже, подобное сокращение объема газа на глубине и расширение при подъеме на поверхность, где давление вновь снижается, имеет огромное значение для ныряльщиков.
Первые ныряльщики
Нырять под воду за пропитанием, в поисках спасения или в военных целях люди начали еще в древности. Одно из первых погружений описано в «Илиаде», где греческий воин Патрокл в саркастическом ключе сравнивает возничего колесницы Гектора, который от удара камнем кубарем катится на землю, с ныряльщиком за моллюсками. Другие древнегреческие источники упоминают ныряльщиков за губками, которые пользовались для ускорения спуска и подъема свинцовыми грузами и веревками. Украшения с перламутром свидетельствуют, что в Месопотамии еще в 4500 г. до н. э. добывали со дна перламутровые раковины, а в Японии и Корее профессия ныряльщиц за жемчугом, морскими водорослями и раковинами существует уже около 2000 лет, судя по упоминанию в хронике «Гиси-Вадзин-Ден», написанной, предположительно, около 250 г. до н. э. Кроме того, известно, что греки обучали ныряльщиков для военно-морских действий еще в 400–333 гг. до н. э. Самым знаменитым из них был Сциллий, который, согласно Геродоту, служил персам, поднимая сокровища с затонувших кораблей, но затем переметнулся к грекам и помог им в сражении с персидским флотом, снабдив необходимыми сведениями о противнике и перерезав под водой якорные канаты вражеских кораблей.
Водолазный колокол и герметичный водолазный сосуд – тоже достаточно древние изобретения. Примитивные водолазные колокола были изобретены в XVI в., но лишь после появления ручного насоса, сконструированного Германом Отто фон Герике в 1654 г., стало возможно пополнять запасы воздуха внутри колокола и использовать колокол в практике. Принцип действия такого колокола легко проиллюстрировать на примере пустой стеклянной банки. Переверните ее и погрузите в емкость с водой – вы увидите, что находящийся внутри воздух не дает проникнуть воде внутрь. Однако тут есть подвох. Во-первых, если равновесие банки нарушить, воздух выйдет из-под края, и на его место просочится вода (попробуйте наклонить банку). И во-вторых, объем воздуха под колоколом будет, согласно закону Бойля, сокращаться с увеличением давления: на глубине 10 м от изначального объема останется лишь половина. Поэтому в колокол необходимо подкачивать дополнительный воздух с поверхности.
Водолазные костюмы разрабатывались для морских поисковых работ. В числе первопроходцев было два брата, Джон и Чарльз Дины, организовавшие примерно в 1832 г. собственное «подводное инженерное» дело в районе английского Портсмута. Получилось это очень неожиданно. Спасая лошадей из горящей конюшни, они придумали использовать в качестве дыхательного аппарата шлем от рыцарских доспехов, куда через шланг подкачивался воздух с помощью ручного насоса. Случайное изобретение оказалось настолько эффективным, что было запатентовано для борьбы с пожарами. Вскоре братья поняли, что его можно использовать и для погружения под воду, и к 1828 г. создали усовершенствованный аппарат, состоящий из открытого тяжелого шлема, куда воздух закачивался через кожаный шланг насосом, стоящим на палубе судна. Шлем, при условии что водолаз держит голову прямо, действовал как переносной водолазный колокол, доступ воды в который снизу преграждался накачиваемым сверху воздухом.
Это приспособление с успехом использовалось в течение многих лет для погружений на глубину до 10 м сроком до 30 минут. Однако у него имелся серьезный недостаток: стоило водолазу споткнуться или упасть, в шлем просачивалась вода, и человек мог захлебнуться. Создание герметичного водолазного комплекта, где шлем накрепко соединялся с водонепроницаемым костюмом, решило эту проблему, одновременно создав другую. Теперь закачиваемый с поверхности воздух заполнял не только шлем, но и костюм. Если водолаз погружался слишком быстро или неожиданно, его помощник мог не успеть сравнять давление воздуха с давлением окружающей водолаза воды, и объем воздуха в костюме падал (напомним, что давление, помноженное на объем, есть константа). Голове водолаза в медном шлеме ничего не грозило, а вот костюм угрожающе сжимался, иногда сдавливая грудную клетку так сильно, что повреждались легкие. Водолаз чувствовал себя так, будто его целиком пытаются втиснуть в шлем. В самом худшем случае, если из-за сильного давления отказывал клапан между шлангом и костюмом, «всю кровь и плоть засасывало в шланг, а в костюме оставались лишь кости и ошметки».
Количество воздуха в костюме влияло на плавучесть водолаза и могло плавно регулироваться в меньшую (чтобы облегчить спуск) или большую (чтобы облегчить подъем) сторону. Регулировалось оно самим водолазом, который подкручивал специальный односторонний клапан на боку шлема, определяя, с какой скоростью будет выпускаться воздух, накачиваемый в постоянном ритме через шланг. Опасен был не только недостаток воздуха в костюме, приводящий к «сдавливанию», но и избыток. Если штанины костюма раздувались, что нередко происходило, когда водолаз ползал по дну, его тут же переворачивало вниз головой. Тогда избыток воздуха оказывалось трудно стравить, и водолаз беспомощно всплывал на поверхность. Опытные водолазы и их помощники умели справляться с этими неприятностями и избегать их. К тому же водолазов все чаще задействовали не только для военных и поисковых нужд, но и на строительстве.
Изобретение паровоза в середине XIX в. ознаменовало начало великой железнодорожной эпохи. Железнодорожные пути, протянувшиеся через всю страну из конца в конец, кардинально изменили пейзаж; существующие города разрослись до немыслимых прежде размеров, возникали и строились новые. Пассажиров и грузы стало вдруг возможно перевозить гораздо быстрее и в больших количествах. Для людей того времени это внезапное увеличение скорости сообщения было чем-то сродни росту популярности Интернета в наши дни. Бум, начавшийся в Британии, распространился затем на всю Северную Европу, и к 1850 г. разветвленная железнодорожная сеть уже связала между собой крупные города Франции, Германии, Бельгии и Британии. Целеустремленные инженеры прокладывали тоннели в горах и под речными руслами, перекидывали мосты через реки и устья. И вот тогда-то, при строительстве мостов и тоннелей, рабочие столкнулись с болезнью, которую прозвали «водолазной» или «кессонной».
