【搞懂秘笈】「中性浮力」和「浮力控制」

說起浮力,可能是每個剛開始學習自由潛水的人都在意的問題。有些人像救生圈似的一直浮在水面,有些卻如同巨石一樣死沉死沉,為什麼呢?是什麼問題呢?又該如何去改善和控制呢?一起來探討一下。

是什麼決定浮/沉?

浮力 Buoyancy」可以根據「阿基米德原理」來解說,該原理是這樣說的:

浸在流體中的物體(全部或部分)受到豎直向上的浮力,其大小等於物體所排開流體的重力。

光看以上句子可能不太明白,先以它的典故來說說概念是怎麼樣。

『相傳敘拉古的赫農王讓工匠替他做了一頂純金的王冠。但是在做好後,遭人密報國王,金冠並非純金製作,因為工匠偷工減料,用白銀代替了黃金來打造王冠,但奇怪的是這頂王冠確與當初交給金匠的黃金一樣重,懊惱的國王於是請來阿基米德,為這頂王冠進行檢定。

由於不能毀壞王冠,阿基米德冥想多日,卻無計可施。一天,他在家洗澡,當他跳進澡盆時,看到水往外溢,這刻的他突然靈機一觸,想到可以用測定固體在水中排水量的辦法,來確定金冠的比重。他興奮地跳出澡盆,連衣服都顧不得穿上就跑了出去,大聲喊著「「尤里卡,尤里卡!」(希臘語:εύρηκα,意即「發現了」)」

阿基米德來到了王宮,把王冠和同等重量的純金,放在兩個水盆中,比較兩盆溢出來的水,發現放王冠的盆中溢出來的水比另一盆多。這就說明王冠的體積,比相同重量的純金的體積大,即密度不相同,證明了王冠並非純金,揭露了金匠的欺君之罪。』

這次試驗的意義非常重大,阿基米德從中發現了浮力定律(阿基米德原理):物體在液體中所獲得的浮力,等同於物體所排出液體時所受的重力,這發現影響後世至深,遠勝揭露金匠的舞弊。

對初學者來說,它的公式可能有點複雜,所以這次跳過深究阿基米德原理的公式,以再簡單一點的方式來分享一下今天的主角”浮力先生”是個怎樣的人,往後對公式計算有興趣的,再去了解也不遲。

浮力是一種很微妙的東西,它是既固定的存在,但也是可以任意改變的一種物理現象,而這關建的是「密度」這個神奇東西,物件在水中是上浮還是下沉,關乎的就是它所帶的密度有多少。

什麼是密度?!可以想像成一個錢罐在海裡的模樣,當錢罐裡的硬幣越多,硬幣佔有罐子的空間就越多,重量就越重,浮力便越低。反之當錢罐裡的硬幣越少,硬幣佔有罐子的空間就越少,重量就越輕,浮力便越高,而密度就是指「罐裡硬幣的多少」的意思。

什麼東西都有密度的存在,比如你的頭髮、你的指甲、你的血液,你身體裡的空氣等,它們都有自己的密度,也就是說它們都有代表自己的浮力值。

正浮力、中性浮力、負浮力

浮力」的分類有三種:「正浮力 Positive buoyancy」、「中性浮力 Neutral buoyancy」和「負浮力 Negative buoyancy」。

三種代表的,正正就是當密度在水中改變時,所產生的上升或者下沉動向,了解三種浮力的含意,有助製定浮力控制。

首先要知道水的密度不會因為深度而改變,會隨著深度改變密度的而是我們的肉體和裝備。

  • 正浮力:物體密度低於水的密度,物體向上浮。
  • 中性浮力:物體密度與水的密度相若,物體不上浮,也不下沉。
  • 負浮力:物體密度高於水的密度,物體向下沉。

來個下潛例子:

  1. 如果在下潛的頭-9米,一旦身體不動了就會浮回水面上,那身體在這-9米以內就是處於正浮力
  2. 如果下潛到-10米,即使身體不動了,身體也不會上浮或下沉,並靜止在水中,那麼身體在-10米就是處於中性浮力
  3. 而當潛到-11米,身體還是不動,但身體會慢慢繼續往水下沉去,那麼身體在-11米或以外,就是處於負浮力

原因是:在水越深的地方,大氣壓力越大,當持續下潛,身體裡的空氣會因為大氣壓的持續增加而不斷被壓縮,空間經過壓縮後,空氣密度便會相對提高,令浮力逐漸減少,隨著深度增加,正浮力慢慢轉為中性浮力,再轉為負浮力。

水中『大氣壓』與『氣體壓縮比例』對照表:

 

深度 大氣壓 氣體體積 氣體密度
0m
1atm
1
100%
-10m
2atm
½
150%
-20m
3atm
166.7%
-30m
4atm
¼
175%
-40m
5atm
180%
-50m
6atm
183.3%
-60m
7atm
185.7%
-70m
8atm
187.5%
-80m
9atm
188.9%
-90m
10atm
190%
~如此類推~

浮力調整

內在調整

從以上的理論,如果我們現在裸體的趟在海面上保持不動,唯一控制身體浮沉的關鍵就是「身體內的密度」,當身體的整體密度大於水的的密度,我們就會浮在水面上,反之。所以只要改變體內的密度,我們也可以不費吹灰之力讓身體下沉,但身體裡那個部位的密度是我們最好控制的呢?沒錯,就是你的「」。

肺部就有如一個正浮力裝置,你填多少空氣進去,它就能為身體產生多少浮力,在水裡當肺部存有的空氣浮力高於身體重量,身體就會產生正浮力,在水中向上升;而當肺部存有的空氣浮力低於身體的重量,身體就會產生負浮力,在水中向下沉去。這意味只要透過改變吸氣量的多寡,就可以直接、快速的改變身體的浮力值。

初學者可以在平靜的水域驗證一下這個方法。垂直的浮在水上,在吸滿氣後讓身體保持不動,簡單測量一下自己下巴與水面的距離,然後緩慢的一直從嘴裡呼出空氣,再觀察身體的浮力變化,你會發現身體不斷下沉着,水慢慢蓋過你的嘴巴、鼻子、眼睛,然後頭頂也浸沒在水中,這就是控制肺裡空氣量所造成的浮力變化。

放出空氣來達到你的中性需求

外在調整

但我們總不能為了產生負浮力,而一直清空肺裡的空氣,因為這一來會影響我們在水下的停留時間,二來少了空氣支撐的肺部,會對水壓變得非常敏感和難以抵抗,容易造成肺擠壓傷。【不懂擠壓傷的看這

所以假如今天不以控制肺部空氣作下潛,那可以怎麼把身體的浮力減低呢?唯一辦法就是增加身體的重量,只要讓重量大於肺裡的空氣浮力,那麼不用呼氣也能實現出負浮力的效果。也就是說為身體加上額外的配重,利用額外增加的重量來抵消身體的正浮力,令身體產生負浮力而下沉。

鉛塊,配戴鉛塊能瞬間改變身體的重量,以對抗不必要的浮力,是自潛者在控制外在浮力時最常用的工具。透過配重腰帶我們可以為身體繫上任意的鉛塊在腰間,但在調整配重時,建議以每0.5~1kg 來增加或減少,以避免浮力的變化過大,讓控制來不及適應而發生弱水意外。

有時候你可能需要很多鉛塊來對抗正浮力

自身浮力

如果有兩個等同重量的人,吸入同量的空氣後,卻出現不一樣的浮力表現,這裡又那裡出了問題呢?這沒有出什麼問題,這只是身體的自身浮力不同而己。因為除了氣體外,身體中還有兩位對浮力有相當大影響的大咖-「脂肪 Fat」和「肌肉 Muscle」。

先說說脂肪,水的密度為1g/cm3,脂肪的密度則約莫為0.9g/cm3,脂肪的密度比水的密度低,亦即是脂肪在水中時必然是正浮力的。當身體含有的脂肪組織越多,整體的浮力便越大。

而來到肌肉,水的密度繼續為1g/cm3,肌肉的密度約莫為1.06g/cm3,肌肉的密度比水的密度高,也就是說肌肉在水中必然是負浮力的。當身體含有的肌肉組織越多,整體的浮力便越小。

而每個人身體含有的脂肪和肌肉組織量都不一樣,這就可以解釋為什麼兩人即使同重量,在吸入同量的空氣下,卻有不一樣的浮力強度。值得留意的是,海水中的密度一般比淡水的密度略為高,約在1.02~1.07g/cm3之間,導致肌肉在泳池中呈現的是負浮力,但在海水中則可能變成中性、正浮力,或者仍然是負浮力,視乎海水含鹽量的多與少(鹽會改變水的密度),而在「死海」因為含鹽度極高,就令海水的密度高達1.3g/cm3,使每個在那裡下潛的人的整體浮力值都變得很大。

脂肪肌肉影響着浮力

設定與控制中性浮力

對浮力有了基本認識和了解後,可以開始學習怎樣去應對它們來幫助下潛。

設定中性浮力

深度練習:

要設定中性浮力前,理應先了解當天的下潛目的是什麼,如果是以練習深度為目的,建議中性浮力設定在水下15-20m之間,如果中性浮力設在過於深的位置,會使下潛時為擺脫更多正浮力而消耗過多體力,同樣理由,如果中性浮力設定於過淺的位置,會令上升時為擺脫更多的負浮力而消耗更多體力。但中性浮力沒有固定設置標準,你亦可以根據個人的練習需要而作出適當的變動,不過如果沒特別需要,建議設在水下15-20米,算是一個較為安全的合理範圍。

休閒自潛:

而如果今天下潛是休閒玩樂為主,那麼把中性浮力設定在任何一個目標深度也屬合理,因為在該深度作停留是你最終的目的,比如要拍照、觀賞珊瑚或橫潛等,不過為安全建議,最好還是設定在不低於5米。

其實初學者一般休閒下潛的深度都比較淺水,約莫在-10米內,深度的大氣壓力徘徊在1-2atm之間,浮力的表現相對比較大,如果沒有概念要把中性浮力設在較為淺水的深度,那麼要停留在此深度活動,對初學者可能是一件非常困難的事,因為身體每分每秒都處於強大的正浮力當中,需要不斷踢腿調整,讓下潛變得由其吃力。

控制中性浮力|① 減少浮力

要在水中即時調整到中性浮力,只有「内在浮力調整」能做到,但我們的肺不像 氣瓶潛水Scuba Diving 的BCD一樣,既能在水中充氣,亦能在水中放氣,因為在自由潛水中的我們並沒有「吸氣」這項選擇,只能以「呼氣」來調整中性浮力,換言之只可以在下潛時減少浮力,而不能增加浮力,引至中性浮力的深度在調整中只可向着越來越淺的方向移動。

而在水面上調整中性浮力,則可以利用「外在浮力調整」來幫忙。但同樣地,配重的增加只會減少浮力,亦即是中性浮力的深度在配重調整中,只能向越來越淺的方向,而不會越來越深。另外「外在浮力調整」難以在水中作調整,除非你願意在下潛中捨棄你的鉛塊,讓它直沉大海,不然一天手握着配重,一天都處於在負重的狀態下。【但在緊急情況時,就不要留戀了,當機立斷解下配重!

既然都是同樣的功效,一些聰明的潛友或者已經立即聯想到兩者可以混合使用。沒有錯,如果運用配重,我們可以把中性浮力輕鬆的控制在某個深度,而不用減少過多肺中的氣量,只是這不能即時在水中調整;而調整肺中的空氣,可以即時在水中彈性調整和改變中性浮力的深度,只是這會影響身體可作氣體交換的氣量,也就是影響水下停留時間。

只有兩者同時配合,才可以做到互補長短,相副相成,透過不同的組合方式,可以創造出多個中性浮力深度,形成一個出色的「中性合作團隊」。

概念示意圖:

  • 二素仔停留的深度是身體中性浮力的深度。
  • 人頭裡的數字代表肺中有幾成空氣:4成、7成、8成、9成、10成。
  • 腰間的配置為鉛塊:0塊、1塊、2塊。

圖中的比例緊作例子,並非實質數據。

呼出越多空氣,中性浮力深度越淺
配重繫戴越多,中性浮力深度越淺
兩者混合調整中性浮力深度

控制中性浮力|② 增加浮力

上面的浮力調整都是向淺水方向調整,那要怎麼才能把中性浮力推深一點?!目前只有一個方法,穿厚一點的防寒衣。要把中性浮力設定在更深一點的位置,就要增加身體的浮力,但肺部的空氣容量有限制,吸飽吸滿氣後只能停止,否則推更多空氣入去只會傷及肺部組織,所以只可以在身體以外增加額外的浮力,而防寒衣普遍由橡膠製成,自帶浮力,能為身體提供一定的額外浮力,至於浮力增加的多少則視乎防寒衣的厚度,但拿捏的厚度需要有個限度,不然會因為防寒衣太厚或橡膠彈性過強而阻礙了胸腔的擴張,令可吸入的氣量受到影響,得不償失。

沒配重,那他絕對是用吐氣來達到中性或負浮力的。

浮力的姿勢平衡

我已經掌握好中性浮力的調整,讓我可以停留在目標深度,但為什麼我在水中還是東歪西倒,不能保持水平?

那是因為你在水中的姿勢影響到「浮心」的平衡了。

浮心

所謂浮心,在科學的解釋為:浮力的合力點。由於身體各部位的浮力都不一樣,對身體所佔的浮力比重也不一樣,而浮心就是當這些不同比重的浮力連接起來後,所產生浮力最大的位置。肺的浮力在全身佔的比重最大,所以身體在水中呈水平時,一般浮心會傾向在胸部/背部的位置,視乎你是仰臥還是俯臥。

但如果身體的某個部位浮力特別大,比如臀部(含脂肪組織較多),那麼浮力在比重的分散下,浮心則會向腰部的位置靠近多一點。

能看得到她浮心大概在盤骨的位置

重心

浮心還有個撘檔叫-「重心」,重心則是指:重量的合力點。同樣,身體各部位的重量都不一,對身體所佔的重量比例也就不一,重心就是指這些不同比重的重量連接起來後,所形成重量最大的位置。由於腿部的肌肉組織較為多,所以在水中水平時,一般人的重心都會在下身位置,但如果你是個健身人士,上身的肌肉較為多,那在比重分佈下,你的重心就會移到去較上身的位置。重心的向下力有多大就得看重量有多重來定。

如果對重心還是不太明白,可以把一支筆水平的放在一隻手指頭上,當筆頭和筆尾得到水平平衡時,手指所停留的位置就是重心。筆頭比較重時,手指頭就要移向筆頭更多才能讓筆頭和筆尾平衡,反之,把這樣的概念換成在水中發生,就是身體在水中的重心位置。

在水中的物理上,只有當「浮心」和「重心」垂直或重疊在同一個位置時,平衡才能完全形成,不過當它們非常接近時,你也已經能感受足夠的「平衡」感覺,所以如果你在水中東歪西倒,就是在告訴你的「浮心」和「重心」分得太開了。

(*注:浮心是上浮的|重心是下沉的)

重心比較靠近下身時,身體斜向水面
重心比較靠近上身時,身體斜向水下
橫向重疊,浮心和重心重壘時,身體會在水中平衡

而在一般的情況下,若然沒有刻意去改變浮心和重心,它們將會自動進行垂直重疊,身體會慢慢轉變為直立狀態(頭在水面方向,腳在水底方向)以達致平衡。(假設浮心在肺,重心在大腿)

改變浮心和重心

那麼要怎麼做才能把「浮心」和「重心」重疊呢?

答:把它「移動」就好了。

對於要把「浮心」移動,其實你已經會了,那就是前面提到的利用控制肺部的空氣來讓肺的浮力比重減低,從而令浮心改變。不過對比起移動浮心,移動「重心」可能是較多人選擇採用的方式,因為更為方便、快捷。

水中任何的動作都會改變身體的「重心」位置,即是一個輕微的抬頭動作,也已經可以把重心轉移,因為動作會改變身體位置的重量比重,令重心發生改變。欲把重心移向某一邊時,只要把手往該方向擺放就對了,因為手放在那,手的重量重就會聚集在那裡,重心就會越傾向重量比重增加的方向。

所以如果你在水中常出現「上身在上面,下身在下面」,身體難以保持水平橫游,可以嘗試把手放在胸前或頭前,以把重心帶回浮心附近,達到平衡需要。這種手擺放位置的姿勢,多見在水肺潛水員為平衡氣瓶所造成的重心方向傾向時做,不過自由潛者也常使用。

以手引導便是轉移重心的一種

當然,配重配戴的位置也會把重心改變,例如一些自由潛水者會配戴頸鉛,目的是為了把重心移到頭部的位置,讓身體進行自由落體時的垂直狀態更為穩定。

但有些人不一定為了要重疊浮心和重心才移動它們,例如你要作躬身下潛,那麼把重心移在上身就有助頭部先行順暢入水,再而帶動下身下潛,而你的浮心和重心要移在那裡,全關乎你自己的個人下潛需要來決定,沒有一定,也沒有必定,因為這是「自由」潛水。

【延伸閱讀】:【鴨式下潛】如何躬身?技巧在那?|動作分解

 
頸配在自由落體時發揮很好的重心轉移效果
作者 Author

JM 張振銘

自由潛水教練 & 比賽裁判 AIDA + Molchanovs & AIDA -夏天為大海勞-

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