Tauchtheorie Bronze Physik. Was ist Physik? beschäftigt sich mit Naturgesetzen Natur berechnen...
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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