Tauchen – Definition und seine Physik - VIP
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Tauchen – Definition und seine Physik - im Wasser ( Schwimmen, Schnorcheln ) unter Wasser ( Tauchen, Apnoe ) Definition Tauchen „ Sporttauchen ist das Schwimmen unter Wasser mit Hilfe von Tauchgeräten. „ Copyright by Erwin Haigis 2007 Was hat Tauchen mit Physik zu tun? Unterwasser kann man sich nur für kurze Zeit oder mit entsprechenden Hilfsmitteln aufhalten Wichtige Kenntnisse über die dort herrschenden Bedingungen sind notwendig um Tauchgänge sinnvoll vorzubereiten um damit Risiken auszuschließen n n n n Wichtige Kenntnisse dabei sind: Wie tariert man sich beim Tauchen aus? Wie viel Blei brauch ich um abtauchen zu können? Wie lange reicht der Luftvorrat? Wieso darf ich nur so langsam auftauchen? Gliederung n n n Tauchphysik Auftrieb – Abtrieb – Tarieren Druck Gase und ihre Gesetze Taucherkrankheiten Activity Auftrieb – Abtrieb - Tarieren Wieso gleitet ein Boot im Wasser, ein gleichschweres Stück Blei geht aber unter? Auftrieb – Abtrieb - Tarieren Das Archimedische Prinzip Ein Körper verliert beim Eintauchen in eine Flüssigkeit soviel an Gewichtskraft, wie die von ihm verdrängte Flüssigkeitsmenge wiegt. Ein vollständig untergetauchter Körper hat dasselbe Volumen wie das Volumen der verdrängten Flüssigkeit. Auftrieb – Abtrieb - Tarieren Unterschiedliche Gewichtskraft hängt von der Dichte ab Körperdichte des Menschen Eingeatmet ca. 0,97 – 0,99 kg/l Ausgeatmet ca. 1,03 – 1,06 kg/l Dichte des Wassers Süßwasser 1 kg/l Salzwasser 1,03 kg/l Gewichtskraft der Luft (12 N pro 1000 bar l) Auswirkungen für den Taucher - Um beim Tauchen auf bestimmter Höhe zu „schweben“ muss der Körper eine durchschnittliche Dichte haben, die der des Wassers entspricht Hilfsmittel: Tarrierjacket Blei Auftrieb – Abtrieb - Tarieren Dichte eines Körpers p = m/V Körperdichte < Wasserdichte = Körper steigt Körperdichte = Wasserdichte = Körper schwebt ( austariert ) Körperdichte > Wasserdichte = Körper sinkt Auftrieb – Abtrieb - Tarieren Beispiel: Ein voll ausgerüsteter Taucher von 100 kg Masse ist in Süßwasser ( p = 1kg/L ) richtig tariert ( neutraler Auftrieb ) Wie viel Blei muss er zusätzlich mitnehmen, wenn er im Meer( p = 1,03 kg/L ) taucht? M = 100kg = > F = 1000N Auftrieb – Abtrieb - Tarieren Lösung: Gewichtskraft des verdrängten Salzwassers ist 3% größer als die Gewichtskraft des verdrängten Süßwassers und damit auch des Tauchers. Der Taucher benötigt nun 3% von 1000 N, also 30 N mehr Abtrieb. Er muss 3 kg Blei, d.h. 3% seiner Masse zusätzlich mitnehmen. Druck Was ist Druck? Wasserdruck Tauchen wir im Schwimmbad, spüren wir Wasserdruck in den Ohren. Je tiefer wir tauchen, desto mehr tun die Ohren weh. Das Gewicht des Wassers drückt auf unseren Körper und auch auf unsere Ohren: In 10 Meter Tiefe herrscht ein Druck von einem Bar. Wassertürme nutzen den Wasserdruck: Durch ihre Höhe erzeugen sie Druck in den angeschlossenen Leitungen. Wassertürme wurden früher deshalb immer höher als die Häuser gebaut. Denn damit war der Druck hoch genug, um das Wasser auch in die höchsten Stockwerke zu „drücken“. Druck Was ist Druck? Luftdruck Luftdruck ist ein Druck, der immer auf uns wirkt. Obwohl wir Luft nicht sehen können und sie scheinbar nichts wiegt, hat Luft dennoch Gewicht. Dieses Gewicht verursacht den Luftdruck. Der Luftdruck am Meeresstrand beträgt ein Bar. Druck Was ist Druck? n n n n n n n n Menge an Kraft die auf eine bestimmte Fläche ausgewirkt wird: • Druck = Kraft/ Fläche • P = F/A = (m*g) / A = (V*p*g) /A = (A*h*p*g) /A = h*p*g Druck Luftdruck Über jedem cm² Erdoberfläche in Meereshöhe stehen ca. 1 kg Luft mit einer Gewichtskraft von 10 N deshalb herrscht dort ein Luftdruck von 10 N/cm² = 1 bar Mit zunehmender Höhe wird dieser geringer Wichtig beim Tauchen: um die Dekompressionsstufen beim Tauchen in Bergseen zu berechnen Druck Wasserdruck Wasser ist ca. 800mal dichter als Luft • 1 l Wasser hat eine Gewichtskraft von 10 N • Alle 10 m nimmt der Druck des Wassers um 1 bar zu Schweredruck p in der Tiefe F = H *p*g 10 m * 1000 kg/cm³ * 9,81 m/s² ≈ 9800 N/m² ≈ 1 bar Druck Wasserdruck & Umgebungsdruck Umgebungsdruck = Waserdruck + Luftdruck Druck Umgebungsdruck Faustformel: Umgebungsdruck = ((Tauchtiefe/10)+1) bar Druck Was bedeutet das fürs Tauchen? Druckausgleich Risiken bei der Dekompression Verkleinerung des Lungenvolumens Medizinische Gefahren durch partielle Drücke der Gase Gase und ihre Gesetze n n Taucher benutzen autonome Leichttauchgeräte (SCUBA) - gefüllt mit komprimierter atmosphärischer Luft bis 200 bar Zusammensetzung der Atemluft Gase und ihre Gesetze Gesetz von Dalton: Der Druck eines Gasgemisches errechnet sich aus der Addition der Drücke seiner Teilgase. Die einzelnen Partialdrücke ergeben also den Gesamtdruck. Beispiel: Gesamtumgebungsdruck in 30 m Tiefe = 4 bar Sauerstoffpartialdruck: pO2 = 4 bar * 21/100 = 0,84 bar Gase- Gesamtdruck & Einzeldrücke Wozu brauchen wir Daltons Gesetz? • Teildrücke der einzelnen Gase wirken sich auf unseren Organismus aus • Bei einem pO2-Druck von 1,6 bar > Gefahr der SauerstoffToxizität • Mit dem Gesetz von Dalton können wir die Tiefe berechnen: n ⇒ Wasseroberfläche pO2 = 0, 21 n ⇒ max. Tauchtiefe mit Druckluft 66m n denn: 1,6/0,21 = 7,6 bar Gase- Gesamtdruck & Einzeldrücke Gefahr der Dekompressionskrankheit! Teildruck von N ist z.B. auf 20m 3mal so hoch wie an Land > bei zu schnellem Auftauchen wird dieser nicht abgebaut Gase- Gesamtdruck & Einzeldrücke Gefahr der Sauerstoffintoxikation > O2 kann in Abhängigkeit von der Höhe des Partialdrucks und der Einwirkdauer giftig werden > Grenzwert ist p=1,7 bar und eine Einwirkdauer von 1h (also ab 71m) n Vergiftungserscheinungen: - Flimmern vor den Augen, Übelkeit, Muskelzuckungen, Bewusstlosigkeit = > Tod durch Ertrinken Gase- Gesamtdruck & Einzeldrücke Stickstoffvergiftung – Tiefenrausch -> ähnlich Sauerstoffvergiftung n -> ausgelöst durch zu hohen Druck -> Missverständnis der Wahrnehmung n -> Empfindungsstörungen n -> Bewusstlosigkeit n n Gase- Gesamtdruck & Einzeldrücke Aufgabe: Wie tief darf ich mit 80% Sauerstoff tauchen? Gase- Gesamtdruck & Einzeldrücke Lösung: 1,6 bar / 0,8 bar = 2 bar = entspricht einer Tauchtiefe von 10m Gase Druck und Volumen Gesetz von Boyle und Mariotte: n n Das Volumen in einem abgeschlossenen Behälter ändert sich proportional zum Druck, sofern die Temperatur gleich bleibt. p*V = konstant Vergleicht man zwei Zustände: p1 * V1 = p2 * V2 Gase Druck und Volumen Gesetz von Boyle und Mariotte: n Druck im umgekehrten Verhältnis zum Volumen Gase Druck und Volumen Wozu brauchen wir das Gesetz beim Tauchen? n n n n n wichtigstes physikalische Gesetz!!! Auswirkungen des wechselnden Drucks beim Ab und Auftauchen im Wasser Luftbedarf für Tauchgang Druckprobleme in den Hohlräumen Barotraumen Taucherkrankheiten Barotrauma n - des Ohrs n - der Nasennebenhöhlen n - der Kieferhöhle n - der Zähne n - der Lunge -> Lungenriss Taucherkrankheiten Barotrauma n Organ-bzw. gewebstypische Verletzung n durch Unterschied zwischen Innen- und Außendruck Gase Berechnung von Druck, Volumen und Tauchzeit Beispiel: Ein Taucher hat in 40 m Wassertiefe bis auf 2l Luft in der Lunge ausgeatmet. Er muss ohne weitere Luftzufuhr an die Oberfläche aufsteigen. Wenn er die Luft anhalten würde, Welches. Volumen würde die Luft in seiner Lunge an der Wasseroberfläche annehmen? Gase Berechnung von Druck, Volumen und Tauchzeit Lösung: p1 * V1 = p2 * V2 5 bar * 2 l = 1 bar * V2 V2 = (5 bar * 2 l)/ 1 bar V2 = 10 l n Die Volumenzunahme auf 10 l würde bestimmt einen Lungenriss bewirken. n DESWEGEN: Beim Aufstieg, ob beim Schnorcheln oder Tauchen, niemals die Luft anhalten!!! Gase Druck & Temperatur Gesetzt von Henry: Die Menge eines in Flüssigkeit gelösten Gases ist abhängig von der Temperatur und dem Druck über der Flüssigkeit. Gase Druck & Temperatur Gesetzt von Henry: wenn eine bestimmte Menge Gas bei einem Druck von 1 bar in einer Flüssigkeit gelöst wird, wird bei einem Druck von 2 bar die doppelte Menge gelöst > wesentlich, Dauer in einer bestimmten Tiefe > bei kontrolliertem Auftauchen, kann Gas aus den Geweben zur Lunge transportiert werden Gase Druck & Temperatur Was bedeutet das für den Taucher?: Dekompressionskrankheit: > Bläschenbildung des Stickstoffs bei Drucknachlass > beim Auftauchen, Deko-Stufen einhalten! Taucherkrankheiten - Tauchunfälle Barotraumen: (Boyle-Marriotte) Vergiftungen Dekompressionskrankheit (Dalton + Henry) Was wir besprochen haben - Definition Tauchen - Was hat Tauchen mit Physik zu tun? - Auftrieb – Abtrieb – Tarieren - Druck, Luftdruck, Wasserdruck, Umgebungsdruck - Gase und ihre Gesetze - Gesamtdruck & Einzeldrücke - Gase, Druck und Volumen - Taucherkrankheiten - Berechnung von Druck, Volumen und Tauchzeit - Gase, Druck & Temperatur - Taucherkrankheiten - Tauchunfälle 1 Minute Pause Copyright by Erwin Haigis 2007