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

Präsentation zum Thema: "Tauchtheorie Bronze Physik. Was ist Physik? beschäftigt sich mit Naturgesetzen Natur berechnen mathematisch orientiert."—  Präsentation transkript:

1 Tauchtheorie Bronze Physik

2 Was ist Physik? beschäftigt sich mit Naturgesetzen Natur berechnen mathematisch orientiert

3 Wozu brauchen Taucher Physik? Laien haben mitunter naive Vorstellungen vom Tauchen…

4 Wozu brauchen Taucher Physik? ungewohnte Umgebung Druck Auftrieb Temperatur, Abkühlung begrenzter Luftvorrat Wahrnehmung verändert (Licht, Schall) Gefahren erkennen Verhalten anpassen Grundlage für sicheres Tauchen

5 Maßeinheiten 1: Basiseinheiten (SI) EinheitGröße cdCandelaIvIv Lichtstärke AAmpereIStromstärke molMolnStoffmenge KKelvinTTemperatur kgKilogrammmMasse sSekundetZeit mMetersStrecke

6 Maßeinheiten 2: abgeleitete Einheiten m / s²aBeschleunigung m / svGeschwindigkeit m²QuadratmeterAFläche EinheitGröße kg / l  Dichte 10 N /cm²barBarpDruck kg m / s²NNewtonFKraft dm 3 lLiterVVolumen

7 Druck: Kraft durch Fläche (F/A) Druck wirkt in Gasen und Flüssigkeiten allseitig

8 Druck 2: SI-Einheit: bar (10 N / cm²) Pascal: N / m² 1 bar = 100.000 Pa 1 Millibar = 1 Hektopascal keine SI-Einheiten: technische Atmosphäre: at (kp/cm²) Quecksilbersäule: mm Hg, Torr physikalische Atmosphäre: atm (760 mm Hg) PSI (pound / inch²) Luftdruck: ~ 1 bar

9 Druck 3: Umgebungsdruck = Luftdruck + Wasserdruck Luftdruck = 1 bar 10 m Wassersäule = 1 bar Der Umgebungsdruck beträgt: (Tauchtiefe / 10 m + 1) bar

10 Archimedes 1: Druck von oben < Druck von unten Differenz 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.

11 Archimedes 2: Auftrieb: Gewicht < verdrängtes Wasser Jacket, Tarierweste Neoprenanzug Abtrieb: Gewicht > verdrängtes Wasser Bleigurt Austariert: Gewicht = verdrängtes Wasser

12 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

13 Gesetz von Boyle und Mariotte 2: p 1 V 1 = p 2 V 2 V 2 = V 1 p 1 / p 2 z.B. bei verdoppeltem Druck halbiert sich das Volumen große Druckänderungen in geringen Tiefen! Tarierung Volumen von Jacket und Anzug ändert sich mit der Tiefe Lungenvolumen Gefahr von Barotrauma

14 Gesetz von Boyle und Mariotte 3: Ausdehnung des Jackets beim Aufstieg Jacket in 20 m halbvoll, in welcher Tiefe voll? p 1 = 3 bar p 2 = p 1 / 2 = 1,5 bar (5 m)

15 Gesetz von Boyle und Mariotte 4: Lungeninhalt beim Aufstieg 30 m, 3 l, Aufstieg auf 20 m ohne Ausatmung p 1 = 4 bar p 2 = 3 bar V 2 = 3 l * 4 bar / 3 bar = 4 l 10 m, 3 l, Aufstieg zur Oberfläche ohne Atmung p 1 = 2 bar p 2 = 1 bar V 2 = 3 l * 2 bar / 1 bar = 6 l

16 Luftverbrauch beim Tauchen 1: Atemminutenvolumen: Das von einem Taucher in einer Minute verbrauchte Luftvolumen Einheit: l/min Atemminutenvolumen unabhängig vom Umgebungsdruck! Verfügbares Luftvolumen: V Tauchtiefe = V DTG p DTG / p Tauchtiefe

17 Luftverbrauch beim Tauchen 2: Bestimmung Atemminutenvolumen: 12 l DTG, 20 m, in 20 min 100 bar verbraucht p Tauchtiefe = 3 bar V Tauchtiefe = 12 l * 100 bar / 3 bar = 400 l AMV = 400 l / 20 min = 20 l / min

18 Luftverbrauch beim Tauchen 3: Bestimmung des Luftverbrauchs: 10 l DTG, 200 bar, 30 m, 25 l / min, 10 min p Tauchtiefe = 4 bar V Tauchtiefe = 25 l /min * 10 min = 250 l p Verbrauch = 250 l *4 bar / 10 l = 100 bar p DTG = 200 bar – 100 bar = 100 bar

19 Luftverbrauch beim Tauchen 4: Bestimmung der Tauchzeit: 15 l DTG, 200 bar, 20 m, 25 l / min Wann sind 50 bar (Reserve) erreicht? p Tauchtiefe = 3 bar V Tauchtiefe = 15 l * (200 bar – 50 bar) / 3 bar = 750 l t = 750 l / 25 l/min = 30 min

20 Druck und Temperatur: Verhalten von Gasen bei Temperaturänderung: Druckanstieg beim Erwärmen Druckabfall beim Abkühlen Auswirkung auf den Luftverbrauch: Luft wird bei Körpertemperatur (37°C) eingeatmet Druckänderungen bei gleicher Luftmenge spielen keine Rolle

21 Gesetz von Gay-Lussac 1 Absolute Temperatur T in K (Kelvin): Nullpunkt der Celsius-Skala am Gefrierpunkt des Wassers absoluter Nullpunkt bei –273°C = 0 K (Kelvin) Temperaturunterschiede in K und °C sind zahlenmäßig gleich absolute 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

22 Gesetz von Gay-Lussac 2 p 1 / T 1 = p 2 / T 2 p 2 = p 1 T 2 / T 1 DTG, 200 bar bei 20°C, erwärmt auf 60°C: T 1 = 293 K T 2 = 333 K p 2 = 200 bar * 333 K / 293 K = 227 bar abgekühlt auf 8°C: T 1 = 333 K T 2 = 281 K p 2 = 227 bar * 281 K / 333 K = 192 bar

23 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°C Welche Luftmenge atmen wir bei 37°C ein? T 1 = 287 K T 2 = 310 K p 2 = 190 bar * 310 K / 287 K = 205,2 bar 205,2 bar * 10 l = 2052 bar l

24 Atemluft 1: Zusammensetzung der Luft: Stickstoff N 2 78,00% SauerstoffO 2 21,00% KohlendioxidCO 2 0,03% RestAr, H 2 O 0,97% Ausatemluft: SauerstoffO 2 17% KohlendioxidCO 2 4%

25 Atemluft 2: Hyperventilation: verstärktes Abatmen von CO 2 Atemreiz wird unterdrückt Gefahr von Schwimmbad-Blackout Gasvergiftung bei erhöhtem Druck: Sauerstoff Stickstoff (Tiefenrausch) Löslichkeit von Gasen: steigt mit zunehmendem Druck beim Aufstieg muß genügend Zeit zur Entsättigung bleiben )

26 Atemluft 2: Hyperventilation: verstärktes Abatmen von CO 2 Atemreiz wird unterdrückt Gefahr von Schwimmbad-Blackout Gasvergiftung bei erhöhtem Druck: Sauerstoff Stickstoff (Tiefenrausch) Löslichkeit von Gasen: steigt mit zunehmendem Druck beim Aufstieg muß genügend Zeit zur Entsättigung bleiben )

27 Gefahren der Tauchphasen: Kompression: Barotrauma Isopression: Sauerstoffvergiftung Tiefenrausch Esouflement Dekompression: Dekompressionskrankheit Lungenüberdruckunfall

28 Licht 1 Brechung: unscharfes Bild bei Wasser-Augen Kontakt scharfes Bild durch Luftschicht (Tauchermaske) Gegenstände erscheinen verzerrt

29 Licht 2 1/3 größer

30 Licht 3 1/4 näher

31 Licht 4 Streuung: Lichtstrahlen werden unterschiedlich abgelenkt durch Fremdteilchen im Wasser verstärkt  schlechte Sicht Absorption: Verschlucken von Licht abhängig von Farbe (Wellenlänge) und Tiefe Rot ab 10m Tiefe nicht mehr erkennbar

32 Schall Höhere Schallgeschwindigkeit im Wasser: Luft:340 m/s Wasser:1485 m/s Unterwassergeräusche deutlicher Entfernung schlecht abzuschätzen Überwassergeräusche kaum hörbar (Reflektion) Akustische Signale gut hörbar Richtungshören nicht möglich: zu geringer Signalabstand zwischen Ohren Gefahr durch nicht lokalisierbare Schraubengeräusche

33 Wärme Wärmeabgabe: –Wärmeleitung –Wärmeströmung –Wärmestrahlung Schutzmaßnahmen: –Neoprenanzug –Gut anliegender Anzug naß – halbtrocken – trocken Probleme: –Wärmestau –Kompression des Anzugs mit zunehmender Tiefe –Wärmeabgabe durch Atmung