Пукание под водой: физика и биология кишечных газов в воде
Что происходит, когда пукаешь под водой? Физика ясна: газ поднимается вверх. Однако поведение кишечных газов в воде сложнее, чем кажется, — оно зависит от давления, температуры, типа газа и глубины. Для водолазов это отнюдь не тривиальный вопрос, для морских биологов — актуальный, а для всех остальных: вопрос, который каждый человек задавал себе в ванной хотя бы раз в жизни.
Плавучесть и образование пузырей: физика подводного пука
Кишечные газы в воде подчиняются законам гидродинамики. Поскольку плотность газа значительно ниже плотности воды (воздух: ~1,2 кг/м³ против воды: 1000 кг/м³), газовый пузырь в воде испытывает сильную подъёмную силу и всплывает вверх. Скорость всплытия зависит от размера пузыря: маленькие пузыри (диаметром менее 1 мм) поднимаются медленно и могут отклоняться течением. Крупные пузыри всплывают быстрее и при этом меняют форму — сначала сферическую, затем, при большем диаметре, зонтикообразную. Разрыв на поверхности воды порождает звуковые волны, которые человек воспринимает как «буль» — акустически кратковременный, низкочастотный импульс. В ванной этот эффект особенно заметен на слух, поскольку стенки отражают звуковые волны, делая результат громче, чем в открытой воде.
Дайвинг и кишечные газы: что нужно знать водолазам
Для любителей дайвинга кишечные газы — практическая, хотя редко обсуждаемая реальность. С увеличением глубины давление воды возрастает (на 1 бар каждые 10 метров), что сжимает кишечный газ. На глубине 10 метров газ занимает лишь половину своего объёма на поверхности. При подъёме он снова расширяется — эффект, который водолазы замечают на себе. С медицинской точки зрения: водолазы, дышащие сжатым воздухом (испытывающие азотный наркоз на больших глубинах), должны знать, что желудочно-кишечные проблемы под давлением могут восприниматься иначе. Манёвр Вальсальвы — давление на закрытые дыхательные пути для выравнивания давления в среднем ухе — кратковременно повышает внутрибрюшное давление и может способствовать выходу газов. Среди профессионалов дайвинга пузыри со стороны пятой точки, а не с регулятора, акустически ненавязчивы и удивляют напарников значительно меньше, чем можно было бы ожидать.
Морские животные и подводный газ: пузыри как коммуникация
Многие морские животные функционально используют газ. У рыб есть плавательный пузырь (газовый мешок), регулирующий плавучесть, — это не кишечный газ, но тоже биологический объём газа. Известно, что сельди производят высокочастотные звуки посредством выпускания газа через анус (это явление было научно описано как «Fast Repetitive Tick», FRT). Является ли это коммуникацией или побочным продуктом — биологи до сих пор спорят. Кишечные газы кашалотов весьма значительны с учётом их размеров (до 20 тонн) и богатой кальмарами диеты. В барокамерах для океанографических исследований анализировались газовые скопления из туш китов — результатом оказался коктейль из метана, CO₂ и различных органических соединений. Для водолазов вблизи крупных стай китов выброс газа животными порой ощутим — в виде обширных пузырьковых следов.
Почему пуки в ванной звучат и пахнут иначе
Ванная — повседневная лаборатория подводной физики. Несколько наблюдений с научным обоснованием: Звук — подводный пук звучит выше и отрывистее, чем в воздухе, потому что вода проводит звук в 4 раза быстрее воздуха, а пузырь создаёт кратковременный поверхностный импульс. Звук распространяется одновременно через воду, ванну и воздух — это сложное акустическое событие. Запах — сероводород (H₂S), главный компонент запаха пука, хорошо растворяется в воде. Это означает, что подводный пук частично отдаёт пахучие соединения в воду ванны, а не непосредственно в воздух. Воздушная фаза пахнет менее интенсивно, однако вода поглощает молекулы запаха — что, возможно, объясняет, почему после подводного пука кратковременно пахнет вода, а не воздух. Размер пузырей — «тихий, но смертоносный» вариант может проявиться в воде как множество маленьких пузырьков, поднимающихся по отдельности.
Знаете ли вы?
- На глубине 10 метров кишечный газ занимает лишь половину своего объёма на поверхности — при подъёме он снова расширяется.
- Сельди доказанно производят высокочастотные звуки посредством выпускания газа через анус (научный термин: «Fast Repetitive Tick», FRT).
- Сероводород (H₂S) хорошо растворяется в воде — подводный пук отдаёт пахучие соединения в воду, а не непосредственно в воздух.
- Подводные пуки звучат иначе, чем в воздухе, потому что вода проводит звук в 4 раза быстрее.
Интересный факт
Научное открытие коммуникации сельдей посредством выпускания анального газа (FRT) было удостоено Шнобелевской премии 2004 года по биологии. Исследователи Бен Уилсон и Роберт Бэтти (Шотландия) и Лоренс Дилл (Канада) установили, что сельди выпускают газ чаще в темноте — возможно, в качестве навигационного ориентира. Шутка внутри исследовательской группы: аббревиатура FRT была выбрана намеренно. Их статья начинается: «Мы впервые, насколько нам известно, описываем повторяющиеся широкополосные звуки, связанные с выпусканием газа из ануса тихоокеанской и атлантической сельди».
Источники
- Wilson, B. et al. (2004). Pacific and Atlantic herring produce burst pulse sounds. Proceedings of the Royal Society B.
- Levitt, M.D. (1971). Volume and composition of human intestinal gas. New England Journal of Medicine.
- Nishi, R.Y. (1972). Decompression. Undersea and Hyperbaric Medical Society.