מאזֵֵן הציפה של הצוללים, מכלי המים המאפשרים לצוללות לשקוע ולעלות – דגים וחיות מים אחרות המציאו את כולם מיליונים רבים של שנים לפנינו
כדי שבני אדם יוכלו לצלול כראוי מתחת למים, לא די בהתמודדות עם הלחץ הגבוה ועם המחסור בחמצן: עליהם גם לשלוט בכוח הציפה. מאות מיליוני שנות אבולוציה של בעלי חיים ימיים הובילו לפיתוחים מתוחכמים, אשר יכולים לשמש השראה לחדשנות טכנולוגית בתחום.
מעניין לציין, עם זאת, שרוב הטכנולוגיות של האדם אמנם דומות למנגנונים הקיימים ביצורים חיים, אבל לא נוצרו כחיקוי ישיר שלהם. השפעתם של בעלי החיים במקרה זה הייתה עקיפה יותר – הם שימשו מקור השראה: מראה הדגים השוחים וצוללים במים הניע בני אדם לפתח טכנולוגיות שיאפשרו גם להם לעשות זאת, אך הטכניקות עצמן לא הועתקו מן הטבע.
לצלול חופשי כמו דולפין
טכניקת הצלילה הפשוטה ביותר היא הצלילה החופשית: ממלאים את הריאות באוויר מעל פני המים, מַפנים את הראש כלפי מטה ושוחים. זו גם שיטת הצלילה של יונקים ימיים כמו דולפין, כלב ים ולווייתן. לצערנו, מלבד הצורך החוזר לעלות אל פני המים לקחת אוויר, צלילה חופשית עלולה גם להיות מעייפת מאוד. כאשר אנו מנפחים את הריאות ומגדילים את נפחן, אנחנו גם מקטינים את הצפיפות שלנו ומגדילים את כוח הציפה הדוחף אותנו כלפי מעלה. אפשר לאזן את כוח הציפה בעזרת משקולות, אשר מגדילות את צפיפותנו הכוללת ומשקיעות אותנו מטה, אך חשוב להיזהר. מכיוון שלחץ המים עולה ככל שמעמיקים, ריאות הצולל מתכווצות ככל שהוא צולל עמוק יותר, וכוח הציפה קטן. צפיפות גופם של יונקים ימיים רבים, כמו לווייתנים, מותאמת לנפח הריאות בעומק שבו הם מרבים לשהות, ומאפשרת חיסכון באנרגיה, מכיוון שהם אינם צריכים להפעיל כוח כדי להישאר בעומק הזה. בדומה אליהם, בצלילה חופשית כדאי להתאים את כמות המשקולות לעומק שאליו אנו רוצים להגיע. טכניקה נוספת להפחתת השינוי בציפה נצפתה בכלבי ים, והיא ריקון חלקי של הריאות כבר בתחילת הצלילה.
יישומים שונים של שיטות דומות לשהייה ארוכה מתחת למים. צולל עם שני דולפינים | מקור: ויקיפדיה, Dolphin Embassy
להיות מאוזן כמו דג
כדי לצלול זמן רב, יש צורך באספקה מתמשכת של אוויר, או של תערובת גזים אחרת המכילה חמצן. בדרך כלל, האוויר דחוס ומוזרם בצינור אל הצולל ממכל שעל גבו או מסירה על פני המים. האוויר המסופק בלחץ גבוה מקל על הצולל לנשום תחת לחץ המים. במצב זה הריאות של הצולל יכולות להתנפח ולהתרוקן באופן רגיל.
כדי לשנות את הצפיפות הממוצעת של הצולל ולאפשר לו לשקוע, צוללים נעזרים כאמור במשקולות, אך עיקר השליטה בציפה מתבצע על ידי שימוש במאזן ציפה. זהו מכשיר המכיל כיס אוויר שיכול להתמלא ולהתרוקן, ומחקה את שלפוחית הציפה של דגים. השלפוחית היא מבנה דמוי שק מלא אוויר בגוף הדג. הדג יכול להעביר גזים בלחץ ממערכת הדם שלו לשלפוחית הציפה ולהיפך (לפעמים גם דרך הפה), וכך לשלוט בציפתו. הגדלת חומציות הדם על ידי הפרשת חומצת חלב גורמת לשחרור חמצן מההמוגלובין, אשר מומס בריכוזים גדולים בדם הסמוך לשלפוחית הציפה. ריכוז גבוה של חמצן גורם לגז לעבור בדיפוזיה אל תוך שלפוחית הציפה, ולנפח אותה בלחץ גבוה. מנגנון זרימה נגדית מסייע להשיג את ריכוזי הגז המאפשרים לחץ גבוה בשלפוחית, ואף הועתק מן הטבע למערכות טכנולוגיות שונות. ריקון השלפוחית מתבצע על ידי התמוססות הגז בחזרה אל הדם.
הצוללת נאוטילוס
צלילה עמוקה במיוחד מחייבת שימוש בצוללת, או בחליפה קשיחה השומרת על לחץ אטמוספרי בסביבת הצולל, משום שבעומק הים הלחץ החיצוני יכול להגיע עד פי אלף מכך. בניגוד למאזֵן הציפה, המבנה הקשיח כמעט אינו משנה את נפחו. שליטה על צפיפות הצוללת ועל כוח הציפה מתאפשרת על ידי מילוי מכלים ייעודיים במי ים וריקונם ממים לפי הצורך. הוצאת האוויר מהמכלים מאפשרת למים להיכנס במקומם ולהגדיל את צפיפות הצוללת, בעוד שדחיסת אוויר למכל מאפשרת את ריקונו. העברת מים (ומשקל) בין סדרת מכלים הפזורים לאורך הצוללת מאפשרת גם שליטה בזווית שלה. נוסף על כך יש לצוללת מנוע חיצוני וכנפיים קטנות, בדומה לאלו של מטוס (או לסנפירי כריש).
הנאוטילוס היא רכיכה ימית בעלת קונכייה קשיחה וסלילית המחולקת למדורים, ובשם זה קרויים גם מגוון כלי שיט וצוללות שעשו היסטוריה (אמיתית או בדיונית). בדומה לצוללת, הנאוטילוס שולטת על צפיפותה על ידי הוספה וגריעה של מים מתאי הקונכייה. מנגנון זה איפשר לרכיכות מקבוצת הנאוטילוסאים לשגשג כטורפים כבר לפני מאות מיליוני שנים, והיה מוכר בתקופה שבה הומצאו הצוללות הראשונות, אף שככל הנראה, לא היה קשר בין השניים.
מדענים הבינו כיצד המים עוברים בגוף הרכיכה רק לאחר שחקרו נאוטילוסים חיים, החל משנות ה-60 של המאה ה-20. מעבר המים מתבצע על ידי שינוי ריכוז המלחים במדורים, וכתוצאה מכך, שינוי הלחץ האוסמוטי בהם. הלחץ האוסמוטי גורם למים לעבור ממקום שריכוז המלחים בו נמוך למקום שריכוז המלחים בו גבוה, עד להשוואת הריכוזים. הוספת מלח למדור מסוים גורמת למים נוספים לזרום לתוכו, והלחץ הגדל גורם לאוויר הכלוא בתא להתמוסס ולעבור אל מערכת הדם של הנאוטילוס. לעומת זאת, גריעת מלח גורמת ליציאת מים, מקטינה את הלחץ וגורמת לשחרור של גז אל תוך התא.
נראה אפוא שגם בתחום הצלילה הטבע הקדים אותנו בשכלולים הטכנולוגיים שבו, וכנראה ימשיך להיות מקור השראה להמצאות המחר.
קונכיה שמחולקת למדורים ואצל רכיכה שהעניקה את שמה לכלי שיט מפורסמים. נאוטילוס | מקור: ויקיפדיה, Manuae
ככל שצוללים עמוק יותר, כך לחץ המים גדל. לחץ המים, הנקרא לחץ הידרוסטטי, דומה ללחץ האוויר באטמוספרה: מקור שניהם במשקל הזורם (כלומר הנוזל או הגז) הנמצא מעל לנקודה שבה נמדד הלחץ. ככל שאנו צוללים עמוק יותר, כך כמות גדולה יותר של מים לוחצת עלינו. בפני המים שורר לחץ המוגדר כאטמוספרה אחת, בעומק של 10 מטרים לחץ כפול, ובעומק של 20 מטר לחץ של שלוש אטמוספרות. על כל 10 מטרים שנעמיק אל מתחת למים, הלחץ סביבנו יגדל באטמוספרה אחת בקירוב. הלחץ על גוף השקוע במים פועל מכל הכיוונים; בשל הבדלי העומק בין חלקו העליון של הגוף השקוע לבין חלקו התחתון, הלחץ הפועל על הגוף מלמטה גדול יותר מהלחץ שפועל עליו מלמעלה. עובדה זו אחראית לכוח הפועל כלפי מעלה, ונקרא כוח הציפה. אם צפיפות הגוף השקוע רבה משל המים, משקלו יגבר על כוח הציפה, והוא ישקע (כמו אבן). אם צפיפותו נמוכה, הוא יצוף מעלה (כמו בועת אוויר). אם צפיפותו זהה לצפיפות המים שסביבו, כוח הציפה יאזן במדויק את משקל הגוף ונקבל ציפה ניטרלית.
