Tauchen und Physik. Schorsch Kellner Tauchen und Physik

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1 Tauchen und Physik Der Unterschied von Luft und Wasser, den Beziehungen von Druck und Gasen unter Wasser, die Berechnung von Luftverbrauch und Flascheninhalt, die Prinzipien des Auftriebs und das Verhalten von Luft und Schall unter Wasser. Schorsch Kellner Waldkraiburg Seite 1 von 9

2 Inhaltsverzeichnis: I. Dichte:...3 II. Gewicht:...3 III. Wärme und Temperatur Wärme:...3. Temperatur: Wärmeleitung...3 IV. Druck: Atmosphärischer Druck:...3. Hydrostatischer Druck: Absoluter Druck: Umgebungsdruck: Partialdruck:...4 V. Gasgesetze: Gesetz von Dalton:...4. Gesetz von Boyle (Mariotte): Gesetz von Charles: Gesetz von Henry Sättigungszustände: Die Löslichkeit:...6 VI. Luftverbrauch und Berechnung: Atemminutenvolumen (AMV)...7. Flascheninhalt Tauchgangsplanung...7 VII. Tarierung...8 Gesetz von Archimedes...8 VIII. Licht Lichtbrechung...9. Lichtstreuung Farbabsorption Sicht...9 IX. Schall...9 Quellennachweis: SSI- DiveCon Manual; Faszination Tauchen Copress Verlag; SSI- Open-Water-Diver Manual Schorsch Kellner Waldkraiburg Seite von 9

3 I. Dichte: II. Gewicht: Wasser enthält im gleichen Raum mehr Molekühle als Luft, Wasser hat dadurch eine dichtere und schwerere Masse. Je kälter das Wasser, um so stärker ziehen sich die Molekühle zusammen und um so höher die Dichte. Je salziger das Wasser, um so mehr Salzkristalle sind gelöst, und um so höher ist die Dichte 1 Liter Luft wiegt 1,6 g 1 Liter Süßwasser g 1 Liter Salzwasser 1.05 g g III. Wärme und Temperatur 1. Wärme: Ist echte Energie die abgegeben werden kann.. Temperatur: Ist die Maßeinheit für Wärme, das Meßinstrument ist das Thermometer. 3. Wärmeleitung IV. Druck: Wasser leitet Wärme ca. 5 mal besser als Luft, der Körper verliert im Wasser aber nur 3 mal soviel Wärme. Maßeinheit ist das bar z.b.: 10 N pro cm² = 1 bar (1 psi = 1 Pfund pro Inch² für USA) 1. Atmosphärischer Druck: Das Gewicht der Luft ist auf Meereshöhe 1 bar (1,013 bar). Hydrostatischer Druck: Das Gewicht des Wassers ist alle 10 m um 1 bar steigend (40m = 4 bar) Tauchtiefe P hydro = 10 in bar für 40 m Tauchtiefe bedeutet das 40m( Tauchtiefe) P hydro = 10 = 4 bar Tauchtiefe geteilt durch 10, entspricht dem hydrostatischem Druck Schorsch Kellner Waldkraiburg Seite 3 von 9

4 3. Absoluter Druck: Die Summe aus hydro. Druck und atm. Druck P = P + P absolut hydro atm für 0 m Tauchtiefe bedeutet das 0 m ( Tauchtiefe) P absolut = + 1 bar 10 = 3 bar Tauchtiefe geteilt durch bar atm. Druck, entspricht dem absolutem Druck 4. Umgebungsdruck: Entspricht dem absolutem Druck, und nur dieser Ausdruck ( P absolut ) ist physikalisch richtig 5. Partialdruck: Die Summe der Teildrücke (Partialdrücke) der einzelnen Gase ergeben den Gesamtdruck des Gasgemisches ( Gesetz von Dalton) V. Gasgesetze: Die physikalischen Auswirkungen des Druckes auf Gase, durch Temperatur und Volumenveränderungen. 1. Gesetz von Dalton: John Dalton, englischer Physiker und Chemiker, von Wissenschaftliche Feststellungen zur Farbenblindheit und Formulierung seines berühmten Gesetzes der Partialdrücke (1801). Der Druck eines Gasgemisches ist gleich der Summe der Teildrücke (Partialdrücke), die jedes einzelne Gas des Gemisches ausübt. Der Teildruck eines Gases in einem Gasgemisch entspricht dem Druck, den dieses Gas ausüben würde, wenn es das ganze Volumen allein ausfüllen könnte. Der Teildruck eines Gases in einem Gasgemisch ist gleich dem Produkt aus dem Gesamtdruck und dem Prozentsatz mit dem das Gas im Gemisch vertreten ist. Daraus ergibt sich folgende Formel: p Teildruck = P Gesamtdruck x Prozentsatz des Gases in der Mischung eine Eigenschaft von Gasen besagt, das sich jeder Bestandteil eines Gasgemisches so verhält als wenn er allein wäre der prozentuale Anteil der Gasmischung ändert sich nicht mit steigendem Druck, aber der Partialdruck im Verhältnis zur Druckänderung. (Sauerstoff wird ab 1,6 bar toxisch) Partialdruck für Stickstoff Partialdruck für Sauerstoff Meter bar %N bar N bar %O bar O 10 x 0,7808 = 1,56 x 0,095 = 0,4 0 3 x 0,7808 =,34 3 x 0,095 = 0, x 0,7808 = 3,90 5 x 0,095 = 1, x 0,7808 = 5,47 7 x 0,095 = 1, x 0,7808 = 6,5 8 x 0,095 = 1,68 Schorsch Kellner Waldkraiburg Seite 4 von 9

5 . Gesetz von Boyle (Mariotte): Robert Boyle, irischer Wissenschaftler, von Edmé Mariotte, französischer Geistlicher, von Sie erkannten beide, daß sich Gase komprimieren lassen Bei konstanter Temperatur ist das Volumen einer bestimmten Menge Gas umgekehrt proportional zu seinem Druck. P x V = k oder Druck x Volumen = konstante Menge Luftballoneffekt, je tiefer ich tauche um so kleiner wird der Ballon. a. Feste Lufträume Die Taucherflasche hat ein Volumen von 10l, mit 00 bar gefüllt ergibt das.000 Liter Luft unter Normalbedingungen. b. Flexible Lufträume Die Lungen und Nebenhöhlen des Tauchers, der Neoprenanzug oder das Jacket stellen solche flexiblen, abgeschlossene Lufträume dar. Das Lungenvolumen beträgt ca. 6 Liter, egal in welcher Tiefe. Der Atemregler liefert die dem absoluten Druck angepaßte Luftmenge, d.h. in 40 m Tiefe bei 5 bar Umgebungsdruck, 5 mal soviel wie an der Oberfläche. Bei einem Durchschnittsverbrauch von 0 Litern/min. an der Oberfläche entspricht das 100 Litern in 40 Meter Tiefe, oder bei.000 Liter/100 Liter = 0 min. tauchen. Die Lungen sind mit (5 x 6 Liter) 30 Liter Luft gefüllt. Beim Neopren sind die Bläschen eingeschlossen, der Anzug wird dünner. 3. Gesetz von Charles: Jaques Charles, französischer Chemiker Er erweiterte Boyles Gesetz um den Temperatureinfluß. Der Druck eines abgeschlossenen Gases bei gleichem Volumen wird sich mit der Temperatur verändern. D.h. bei höherer Temperatur nimmt Gas mehr Platz ein als normal und wird dünner. Der Druck nimmt zu oder es paßt nicht soviel Luft in die Flasche, z.b. beim Füllen. Der Druck nimmt bei konstantem Volumen je 1 C Erwärmung um 1/73 des Druckes bei 0 C zu. P x V = k (konstante Menge) T a. Die allgemeine Gasgleichung P1 x V P 1 x V = 1 = Zustand vor; = Zustand noch der Veränderung T T 1 P entspricht dem Druck in bar, V dem Volumen in Liter und T der Temperatur in Kelvin (K) Folgende Aufgabenstellung als Beispiel: eine 10 Liter Flasche erwärmt sich beim Füllen auf 35 C, welchen Druck muß sie mindestens aufweisen um die.000 Liter Luft bei 0 C zu enthalten. P1 x V P 1 x V P1 x V1 x T = umgestellt auf P P = T T T x V 1 00 x 10 x 308 P = 93 x x 308 P = = 10,34 bar, also 10 bar 93 Eine Flasche hält dem 1,5 fachen TÜV-Prüfdruck (bei 00 bar Flaschen = 300 bar) stand. Schorsch Kellner Waldkraiburg Seite 5 von 9 1

6 4. Gesetz von Henry William Henry, englischer Physiker und Chemiker, von Formulierte (1803) das Gesetz über die Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten. Die Gasmenge die in einer Flüssigkeit in Lösung geht, steigt mit zunehmendem Druck. Umgekehrt, kehrt Gas bei Druckverminderung wieder in seine ursprüngliche Form zurück. Das klassische Beispiel ist eine Mineralwasserflasche. Das Wasser ist in der unter Druck stehenden, frisch gekauften, Flasche klar. Öffnet man die Flasche, der Druck fällt, kehrt das Kohlendioxyd in seinen ursprünglichen gasförmigen Zustand zurück, es sprudelt aus. Diese Gesetzmäßigkeit spielt beim Auftauchen, wenn das Gas nicht wieder abgegeben werden kann eine entscheidende Rolle und bilden den Grund für Deko-Unfälle. Während des Tauchganges sättigen sich alle Teile (Gewebe) des Körpers. Hauptsächlich geschieht dies mit Stickstoff. Die Menge und Geschwindigkeit des Gases ist abhängig von der Tauchtiefe der Grundzeit der Temperatur dem Maß der Bewegung (easy Dive, arbeiten unter Wasser ) der Art des Gewebes (Blut, Muskeln, Fett, Knochen ) 5. Sättigungszustände: Wie beim Gesetz von Dalton, so wird auch hier Partialdruck oder Teildruck für den Druck als Bezeichnung und damit der Anteil eines gelösten Gases in einer Flüssigkeit verwendet. Es wird unter folgenden Sättigungszuständen unterschieden: a. Sättigung: Ist erreicht, wenn das Gleichgewicht zwischen absorbiertem und abgegebenem Gas hergestellt ist. Vom Gewebe kann kein Gas mehr aufgenommen (absorbiert) werden. b. Untersättigung: Der Partialdruck ist geringer als der Druck des freien Gases, es wird weiter Gas absorbiert. c. Übersättigung Der Partialdruck ist größer als der Druck des freien Gases, es wird wieder Gas abgegeben. 6. Die Löslichkeit: a. Zeitfaktor: Die Sättigung vollzieht sich am Anfang sehr rasch, mit zunehmendem Gleichgewichtszustand verlangsamt sie sich. Das Entsättigen vollzieht sich auf die entsprechende Weise. b. Halbsättigungszeit: Die Zeit in der die Hälfte der Gasmenge aufgenommen wurde die gelöst werden kann. Beim Blut beträgt die Halbsättigungszeit 7 Minuten, bei gewissen Muskeln 60 Minuten. c. Kritischer Übersättigungsgrad: Wenn sich der Partialdruck zu schnell ändert und die Entgasung so schnell vor sich geht, so das die Bläschen zu groß werden und nicht mehr abtransportiert werden können. Der kritische Übersättigungsfaktor eines Gewebes ist gleich dem Partialdruck geteilt durch den Umgebungsdruck. Schorsch Kellner Waldkraiburg Seite 6 von 9

7 VI. Luftverbrauch und Berechnung: Um das gleiche Volumen der Lungen auch in der Tiefe zu gewährleisten muß in z.b. 10 m Tiefe die doppelte Luftmenge eingeatmet werden. Dafür, daß die gleiche Füllung der Lunge erreicht wird, ist der Atemregler zuständig. 1. Atemminutenvolumen (AMV) Errechnet sich aus dem Volumen der Lungen und der Atemhäufigkeit in der Minute. Dies ist bei jedem Taucher unterschiedlich und unterliegt verschiedenen Kriterien: der körperlichen Leistung (Bewegung) körperliche Verfassung (Fitness) der Körpermasse Atemrhythmus: Frauen etwa 14 18, Männer 1 16 Atemzüge / Minute Das AMV berechnet sich aus der verbrauchten Luft geteilt durch den absoluten Druck und dies geteilt durch die Tauchzeit. P x V AMV Oberfl = Diff P absolut Fl Tauchzeit in Minuten Beispiel in 10 m Wassertiefe (bar!): eine 10 Liter Flasche zeigt nach 15 min. 60 bar weniger an. 60 bar x 10 Liter bar AMV Oberfl = = 0 Liter/min. Atemvolumen an der Oberfläche 15 Minuten Das Atemminutenvolumen in der Tiefe errechnet sich wie folgt: AMV = P tief absolut x AMV Oberfl Hat ein Taucher an der Oberfläche eine AMV Oberfl von 0l/min. so ist für 0m Tiefe (3bar!): AMV = = 60 bar Liter/Minute anzusetzen. tief 0 m 3 bar( P absolut ) x 0 l / min. ( AMVOberfl ). Flascheninhalt Für die Tauchgangsplanung ist auch die zur Verfügung stehende Menge Luft zu kennen: Flascheninhalt Flascheninhalt = ( PFl ( Flaschendruck) PRe s (Re sevedruck) x VFL ( Flaschenvolumen) ) ( bar ( P ) 50 bar ( P ) x 10 Liter ( V )) = = bar Liter 00 Fl Re s FL Diese überschlägige Berechnung ist für die Tauchgangsplanung ausreichen, die Erwärmung auf 37 C Körpertemperatur und die damit einhergehende Volumenänderung beim Einatmen kann vernachlässigt werden. 3. Tauchgangsplanung Das Atemminutenvolumen und die zur Verfügung stehende Luftmenge lassen sich nun berechnen. Als praktisches Beispiel: ein Tauchgang auf 0 m Tiefe und eine mit 00 bar gefüllte 10 Liter Flasche stehen zur Verfügung. Wie lange kann der Tauchgang dauern? Bekannt sind: AMV Oberfl = 0L/min; AMV Tiefe = 60 bar l/min; v. Flascheninhalt = bar Liter verfügbarer Flascheninhalt bar Liter geplante Tauchzeit = = = 5 Minuten AMV 60 bar Liter Minute Tiefe / Jetzt noch den Nullzeitwert der entsprechenden Tiefe mit der errechneten Tauchzeit aus dem Luftverbrauch vergleichen und die Tauchgangsplanung ist perfekt. Schorsch Kellner Waldkraiburg Seite 7 von 9

8 VII. Tarierung Gesetz von Archimedes Archimedes, griechischer Mathematiker, Physiker und Erfinder, von 87 1 vor Beginn unser Zeitrechnung. Begründer der Statistik, führender Physiker bis Newton Entwickelte sein berühmtes Prinzip, um zu beweisen das die Krone von König Hieron ΙΙ aus Gold und nicht aus Aluminium gemacht war. Ein ganz oder teilweise in eine Flüssigkeit eingetauchter Körper erfährt einen Auftrieb, der dem Gewicht der von ihm verdrängten Flüssigkeit entspricht. Das bedeutet eigentlich nur, das ein Körper schwimmt, wenn seine Dichte geringer ist als die der ihn umgebenden Flüssigkeit. Er taucht dann genau so tief ein, daß der Auftrieb durch die Wasserverdrängung gleich seinem Gewicht ist. treibt, wenn seine Dichte gleich dem ihn umgebenden Flüssigkeit ist, wobei hier die Tiefe keine Rolle spielt. Sinkt, wenn er eine höhere Dichte aufweist. Als Vergleich: ein Stück Holz und ein Stück Blei mit 1dm³ Volumen. Holz hat eine Dichte von 0, 0,7 kg/dm³ und schwimmt, Blei hingegen eine Dichte von 11,34 kg/dm³ und geht unter. Die meisten Schwimmer treiben gerade eben auf dem Wasser. Im Süßwasser reicht es meist, auszuatmen und man geht unter. Der menschlichen Körpers besteht zu 90% aus Wasser daher liegt die Dichte nahe bei 1. Die Dichte des menschlichen Körpers ist abhängig vom Aufbau, ein durchtrainierter Körper hat weniger Fett eingelagert, Muskelmasse hat eine höher Dichte. als das Fett eines übergewichtigen Tauchers, auch wenn beide 8 kg wiegen. Jedes Ausrüstungsteil beeinflußt die Tarierung. Einige Ausrüstungsgegenstände bringen Gewicht und somit negativen Auftrieb, andere wie der Neoprenanzug haben positiven Auftrieb. Ein fertiger Taucher hat meist positiven Auftrieb. Um seinen Auftriebskraft zu verringern wird Blei eingesetzt. Im Salzwasser (Dichte ist mit 1,05 1,035 kg/dm³ höher als die von Süßwasser) muß die Bleimenge entsprechend höher sein, wenn die restliche Ausrüstung identisch bleibt. Unter Wasser wird das Volumen des Anzuges (siehe Boyle-Mariotte) komprimiert und verliert an Auftrieb. Diesen Auftriebsverlust wird durch einpumpen von Luft (eine Dichte von 0,0016 kg/dm³) in das Jacket wieder ausgeglichen. Beim Auftauchen erhöht sich das Volumen und damit der Auftrieb von Anzug und der Luft im Jacket wieder, die überflüssige Luft muß aus dem Jacket raus. Durch diese Spiel und die Feintarierung mit Hilfe der Volumenänderung durch die Atmung, stellt sich das angenehme Gefühl der Schwerelosigkeit im Wasser ein. Schorsch Kellner Waldkraiburg Seite 8 von 9

9 VIII. Licht Das menschliche Auge ist an das Sehen über Wasser angepaßt. Sobald wir ins Wasser eintauchen, sehen wir nicht mehr scharf. Darum wird auch die Tauchermaske gebraucht. 1. Lichtbrechung Ein Regenbogen ist ein spektakuläres Beispiel für Lichtbrechung. Durch Regen wird das Licht abgelenkt, durch den Übergang ins dichtere Medium Wasser entsteht diese Brechung. Durchstoßen die Lichtwellen die Wasseroberfläche werden sie ebenfalls abgelenkt. Ab einem Einfallswinkel von findet eine total Reflektion statt. Durch die Ablenkung erscheint z.b. auch ein ins Wasser gestellter Stock zweigeteilt oder abgeknickt. Der Abpralleffekt wird hervorgerufen durch das Abbremsen der Lichtteilchen beim Übergang von der Luft ins Wasser. Eine Lichtbrechung findet auch beim Übergang vom Wasser in die eingeschlossene Luft der Tauchermaske statt, dadurch ist ein Gegenstand der durch die Maske 75 cm entfernt erscheint in Wirklichkeit 1m weit weg. Gegenstände erscheinen unter Wasser: 5% näher und 33% größer. Ein Problem stellt dadurch das Abschätzen von Entfernungen und Tiefen dar. Taucher mit Sehfehlern finden unter Umständen einen korrigierten Blick vor.. Lichtstreuung Die Lichtstreuung ist bei Blau und Violett am stärksten, daraus resultiert auch das blaue Aussehen von Meerwasser. 3. Farbabsorption Das sichtbare, weiße, Licht ist ein Spektrum aus vielen verschiedenen Farben. Wasser absorbiert Licht während es durchs Wasser scheint. Rot wird bei 3 5 m ausgefiltert und nimmt eine violett, blau bis schwarze Farbe an Orange verschwindet bei 15 m Gelb bei 30 m Grün zuletzt bei 40 m Blau bleibt übrig ab 400 m Tiefe ist kein Licht mehr vorhanden Ganz klares Wasser absorbiert schon 80% der einfallenden Lichtmenge auf den ersten 10 m. 4. Sicht Licht beeinflußt die Sicht unter Wasser: begrenztes Licht (Wolken) limitiert die Sicht Schwebeteilchen, wie Plankton oder Schlick verursachen eine Trübung Wasserwellen streuen das Licht, das Licht wandert Es kommt weniger Licht in die tieferen Bereiche, die Sicht ist eingeschränkt. IX. Schall Das Ohr hat zwei Aufgaben, es nimmt Schallwellen wahr und dient als Gleichgewichtsorgan. Schall braucht ein Medium das ihn überträgt, im Vakuum setzt sich Schall nicht fort. Im dichten Medium Wasser setzt sich der Schall 4-mal so schnell fort wie in der Luft. Das Gehirn registriert die Richtung zur Schallquelle durch Messen der Verzögerung, vom eintreffen der Schallwellen, von einem zum anderen Ohr. Durch die wesentlich schnellere Schallübertragung im Wasser gelingt hier die Ortung nicht. Ein Taucher kann unter Wasser ein Boot hören aber kaum die Richtung und Entfernung feststellen, dies ist eingeschränkt nur mit Erfahrung und Kenntnisse über die physikalischen Zusammenhänge möglich. Schorsch Kellner Waldkraiburg Seite 9 von 9