Tauchtheorie Bronze

Physik

Was ist Physik?

• beschäftigt sich mit Naturgesetzen

• Natur berechnen

• mathematisch orientiert

Wozu brauchen Taucher Physik?

Laien haben mitunter naive Vorstellungen vom Tauchen…

Wozu brauchen Taucher Physik?

• ungewohnte UmgebungDruckAuftriebTemperatur, Abkühlungbegrenzter LuftvorratWahrnehmung verändert (Licht, Schall)

• Gefahren erkennen• Verhalten anpassen• Grundlage für sicheres Tauchen

Maßeinheiten 1:

• Basiseinheiten (SI)

EinheitGröße

cdCandelaIvLichtstärke

AAmpereIStromstärke

molMolnStoffmenge

KKelvinTTemperatur

kgKilogrammmMasse

sSekundetZeit

mMetersStrecke

Maßeinheiten 2:

• abgeleitete Einheiten

m / s²aBeschleunigung

m / svGeschwindigkeit

m²QuadratmeterAFlächeEinheitGröße

kg / lDichte

10 N /cm²barBarpDruck

kg m / s²NNewtonFKraft

dm3lLiterVVolumen

Druck:

• Kraft durch Fläche (F/A)

• Druck wirkt in Gasen und Flüssigkeiten allseitig

Druck 2:

• SI-Einheit: bar (10 N / cm²)Pascal: N / m²1 bar = 100.000 Pa1 Millibar = 1 Hektopascal

• keine SI-Einheiten:technische Atmosphäre: at (kp/cm²)Quecksilbersäule: mm Hg, Torrphysikalische Atmosphäre: atm (760 mm Hg)PSI (pound / inch²)

• Luftdruck: ~ 1 bar

Druck 3:

• Umgebungsdruck = Luftdruck + Wasserdruck• Luftdruck = 1 bar• 10 m Wassersäule = 1 bar

Der Umgebungsdruck beträgt:

(Tauchtiefe / 10 m + 1) bar

Archimedes 1:

• Druck von oben < Druck von untenDifferenz durch Gewicht des verdrängten Wassers

• Erkannt durch Archimedes (287-212 v. Chr.)

Archimedisches Prinzip:

Ein Körper verliert beim Eintauchen in eine Flüssigkeit scheinbar soviel an Gewichtskraft, wie die von ihm verdrängte Flüssigkeitsmenge wiegt.

Archimedes 2:

• Auftrieb: Gewicht < verdrängtes WasserJacket, TarierwesteNeoprenanzug

• Abtrieb: Gewicht > verdrängtes WasserBleigurt

• Austariert: Gewicht = verdrängtes Wasser

Gesetz von Boyle und Mariotte 1:

• Gase verringern bei erhöhtem Druck ihr Volumen• Erkannt durch Robert Boyle (1627-1691) und Edme

Mariotte (1620-1684)

Bei gleichbleibender Temperatur steht für eine gegebene Gasmenge der Druck in umgekehrtem Verhältnis zum Volumen.

pV = constant

Gesetz von Boyle und Mariotte 2:

• p1V1 = p2V2

• V2 = V1 p1 / p2

z.B. bei verdoppeltem Druck halbiert sich das Volumen

• große Druckänderungen in geringen Tiefen!

• TarierungVolumen von Jacket und Anzug ändert sich mit der Tiefe

• LungenvolumenGefahr von Barotrauma

Gesetz von Boyle und Mariotte 3:

• Ausdehnung des Jackets beim AufstiegJacket in 20 m halbvoll, in welcher Tiefe voll?p1 = 3 barp2 = p1 / 2

= 1,5 bar (5 m)

Gesetz von Boyle und Mariotte 4:

• Lungeninhalt beim Aufstieg30 m, 3 l, Aufstieg auf 20 m ohne Ausatmungp1 = 4 barp2 = 3 barV2 = 3 l * 4 bar / 3 bar

= 4 l

10 m, 3 l, Aufstieg zur Oberfläche ohne Atmungp1 = 2 barp2 = 1 barV2 = 3 l * 2 bar / 1 bar

= 6 l

Luftverbrauch beim Tauchen 1:

• Atemminutenvolumen:Das von einem Taucher in einer Minute verbrauchteLuftvolumenEinheit: l/min

• Atemminutenvolumen unabhängig vom Umgebungsdruck!

• Verfügbares Luftvolumen:VTauchtiefe = VDTG pDTG / pTauchtiefe

Luftverbrauch beim Tauchen 2:• Bestimmung Atemminutenvolumen:

12 l DTG, 20 m, in 20 min 100 bar verbraucht

pTauchtiefe = 3 bar

VTauchtiefe = 12 l * 100 bar / 3 bar= 400 l

AMV = 400 l / 20 min= 20 l / min

Luftverbrauch beim Tauchen 3:• Bestimmung des Luftverbrauchs:

10 l DTG, 200 bar, 30 m, 25 l / min, 10 minpTauchtiefe

= 4 barVTauchtiefe

= 25 l /min * 10 min= 250 l

pVerbrauch= 250 l *4 bar / 10 l = 100 bar

pDTG = 200 bar – 100 bar= 100 bar

Luftverbrauch beim Tauchen 4:• Bestimmung der Tauchzeit:

15 l DTG, 200 bar, 20 m, 25 l / minWann sind 50 bar (Reserve) erreicht?

pTauchtiefe = 3 bar

VTauchtiefe = 15 l * (200 bar – 50 bar) / 3 bar= 750 l

t= 750 l / 25 l/min= 30 min

Druck und Temperatur:• Verhalten von Gasen bei Temperaturänderung:

Druckanstieg beim ErwärmenDruckabfall beim Abkühlen

• Auswirkung auf den Luftverbrauch: Luft wird bei Körpertemperatur (37°C) eingeatmet

Druckänderungen bei gleicher Luftmenge spielen keine Rolle

Gesetz von Gay-Lussac 1• Absolute Temperatur T in K (Kelvin):

Nullpunkt der Celsius-Skala am Gefrierpunkt des Wassersabsoluter Nullpunkt bei –273°C = 0 K (Kelvin)Temperaturunterschiede in K und °C sind zahlenmäßig gleichabsolute Temperatur T = Celsius-Temperatur K/°C + 273 K

Bei konstantem Volumen wächst der Druck einer gegebenen Gasmenge im gleichen Verhältnis wie die absolute Temperatur

p / T = const

Gesetz von Gay-Lussac 2p1 / T1 = p2 / T2

p2 = p1T2 / T1

• DTG, 200 bar bei 20°C, erwärmt auf 60°C: T1 = 293 K

T2 = 333 K

p2 = 200 bar * 333 K / 293 K = 227 bar

• abgekühlt auf 8°C: T1 = 333 K

T2 = 281 K

p2 = 227 bar * 281 K / 333 K = 192 bar

Gesetz von Gay-Lussac 3

• Auswirkung auf den Luftverbrauch: Luft wird bei Körpertemperatur (37°C) eingeatmet

Druckänderungen bei gleicher Luftmenge spielen keine Rolle

• 10 l-DTG, 190 bar bei 14°CWelche Luftmenge atmen wir bei 37°C ein? T1 = 287 K

T2 = 310 K

p2 = 190 bar * 310 K / 287 K = 205,2 bar

205,2 bar * 10 l = 2052 bar l

Atemluft 1:

• Zusammensetzung der Luft:Stickstoff N2 78,00%

Sauerstoff O2 21,00%

Kohlendioxid CO2 0,03%

Rest Ar, H2O 0,97%

• Ausatemluft:Sauerstoff O2 17%

Kohlendioxid CO2 4%

Atemluft 2:

• Hyperventilation:verstärktes Abatmen von CO2

Atemreiz wird unterdrücktGefahr von Schwimmbad-Blackout

• Gasvergiftung bei erhöhtem Druck:SauerstoffStickstoff (Tiefenrausch)

• Löslichkeit von Gasen:steigt mit zunehmendem Druckbeim Aufstieg muß genügend Zeit zur Entsättigung bleiben)

Atemluft 2:

• Hyperventilation:verstärktes Abatmen von CO2

Atemreiz wird unterdrücktGefahr von Schwimmbad-Blackout

• Gasvergiftung bei erhöhtem Druck:SauerstoffStickstoff (Tiefenrausch)

• Löslichkeit von Gasen:steigt mit zunehmendem Druckbeim Aufstieg muß genügend Zeit zur Entsättigung bleiben)

Gefahren der Tauchphasen:

• Kompression:Barotrauma

• Isopression:SauerstoffvergiftungTiefenrauschEsouflement

• Dekompression:DekompressionskrankheitLungenüberdruckunfall

Licht 1

• Brechung:unscharfes Bild bei Wasser-Augen Kontaktscharfes Bild durch Luftschicht (Tauchermaske)Gegenstände erscheinen verzerrt

Licht 2

1/3 größer

Licht 3

1/4 näher

Licht 4

• Streuung:Lichtstrahlen werden unterschiedlich abgelenktdurch Fremdteilchen im Wasser verstärkt schlechte Sicht

• Absorption:Verschlucken von Lichtabhängig von Farbe (Wellenlänge) und TiefeRot ab 10m Tiefe nicht mehr erkennbar

Schall

• Höhere Schallgeschwindigkeit im Wasser:Luft: 340 m/sWasser: 1485 m/s

• Unterwassergeräusche deutlicherEntfernung schlecht abzuschätzenÜberwassergeräusche kaum hörbar (Reflektion)Akustische Signale gut hörbar

• Richtungshören nicht möglich:zu geringer Signalabstand zwischen OhrenGefahr durch nicht lokalisierbare Schraubengeräusche

Wärme

• Wärmeabgabe:– Wärmeleitung– Wärmeströmung– Wärmestrahlung

• Schutzmaßnahmen:– Neoprenanzug– Gut anliegender Anzug

naß – halbtrocken – trocken

• Probleme:– Wärmestau– Kompression des Anzugs mit zunehmender Tiefe– Wärmeabgabe durch Atmung