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Physik Diverses
Eine der für das Tauchen wichtigsten physikalischen Größen ist der Druck, im internationalen Einheitensystem gemessen in Pascal = 1 Newton pro Quadratmeter (1 Pa = 1 N / qm). Geläufiger ist das Hunderttausendfache: 100.000 Pascal = 1000 Hekto - Pascal = 1 bar, etwa der durchschnittliche Luftdruck in Meereshöhe (1 Atmosphäre, entsprechend dem „Gewicht“ der gesamten kilometerdicken Luftschicht oberhalb der Erdoberfläche). Wasser ist im Verhältnis zu Luft ca. 800mal schwerer und im Gegensatz zu Luft nicht kompressibel: Entsprechend stark steigt der Druck mit zunehmender Wassertiefe an: Während der Druckunterschied zwischen Weltall und Erdoberfläche nur etwa 1 bar beträgt, steigt der Druck im Wasser von der Wasseroberfläche bis in 10 m Tiefe bereits ebenfalls um 1 bar an. Jede weitere 10 m Wassertiefe bringen ein weiteres bar Druck. Gefahren erwachsen beim Tauchen sowohl aus dem Absolutdruck als auch aus Druckdifferenzen. Da der Mensch selbst zu einem hohen Prozentsatz aus Wasser besteht, andererseits aber lebensnotwendig auf gasgefüllte Hohlräume und einen Gasaustausch sowohl in den Lungen als auch in der Körperperipherie zwischen Blut und Körperzellen angewiesen ist, sind einige weitere Gasgesetze für das Verständnis der Tauchphysiologie und Tauchpathophysiologie von großer Bedeutung:
* mit freundlicher Genehmigung von Dr. Claus-Martin Muth (GTÜM, Ausschuss Tauchmedizin) und DLRG Westfalen, http://www.dlrg.de/Gliederung/Westfalen/ __________________________________________________________
Gesetz von Boyle / Mariotte Bei gleich bleibender Temperatur steht für eine gegebene Gasmenge der Druck im umgekehrten Verhältnis zum Volumen. Beispiel: Ein Tauchjacket ist in 30m Wassertiefe zur Hälfte mit Luft gefüllt. Der Taucher steigt auf 10m Tiefe auf, ohne das Jacket zu entlüften. Wie verändert sich das Jacketvolumen und welche möglichen Folgen ergeben sich? Das Luftvolumen wird sich verdoppeln (30m 4bar; 10m 2 bar). Für den Taucher besteht die Gefahr, dass er die vorgeschriebene Aufstiegsgeschwindigkeit nicht einhalten kann und deshalb bis zur Wasseroberfläche durchschießt. Anmerkung: Entscheidend dabei ist die Gefahr eines Lungenüberdruckbarotraumas und der Dekompressionserkrankung. __________________________________________________________ Gesetz von Gay-Lussac Bei konstantem Volumen wächst der Druck einer gegebenen Gasmenge im gleichen Verhältnis wie die absolute Temperatur. Im taucherischen Sprachgebrauch wird die Abhängigkeit von Gasdruck und Temperatur bei konstantem Volumen von Gay-Lussac genannt, obwohl in der Physik diese Abhängigkeit korrekter als Gesetz von Amonton bezeichnet wird. Beispiel: Druckveränderung bei Temperaturabweichung
Anfangsdruck
= Enddruck
Enddruck = Anfangsdruck *
Endtemperatur
Endruck = 200 bar * 293
K Für diese Umrechnung muss mit Kelvin anstatt Grad Celsius gerechnet werden!!! __________________________________________________________ Gesetz von Dalton Der Gesamtdruck eines Gases ist die Summe der Teildrücke seiner Bestandteile. Beispiel: Was ermitteln wir Taucher mit dem Gesetz von Dalton? Damit können wir die Partialdrücke der an der Atemluft beteiligten Gase in verschiedenen Wassertiefen berechnen. Frage: In welcher Wassertiefe (bezogen auf Meereshöhe) hat der Sauerstoff unserer Einatemluft einen Teildruck von 1,6 bar? Antwort: 66m __________________________________________________________
Partialdruckberechnung pgas = % / 100% * pges pgas = Partialdruck Gas pges = Partialdruck gesucht Sauerstoffanteil in Meereshöhe = 21% pges = pO2 / % * 100% = 1,6 bar / 21% * 100% = 7,6 bar -> entspricht 66m Tauchtiefe.
Gegeben: 30 m Tauchtiefe; Sauerstoff
(21%)
__________________________________________________________ Gesetz von Henry Bei konstanter Temperatur steht die Menge des in Flüssigkeit gelösten Gases im Sättigungszustand in direktem Verhältnis zum Druck des über die Flüssigkeit stehenden Gases. Das Gesetz von Henry beschreibt die Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten. Welche Bedeutung hat dieses Gesetz für das Tauchen? Mit zunehmender Tiefe, entsprechend dem steigenden Druck, gehen Atemgase vermehrt im Körper in Lösung. Bei abnehmendem Druck kehrt sich der Vorgang um. Wenn die Druckentlastung zu schnell erfolgt, kann es beim Auftauchen zu einer gefährlichen Gasblasenbildung im Blut und in den Geweben kommen. Deshalb dürfen wir eine bestimmte Aufstiegsgeschwindigkeit nicht überschreiten und müssen evtl. Austauchstufen einhalten. Stickstoff wird als Inertgas bezeichnet, da es keine chemische Bindung im Körper eingeht. __________________________________________________________ Dekompression Wann können in einem Körpergewebe gefährliche Gasblasen entstehen? Beim Auftauchen, wenn der Stickstoffpartialdruck im Gewebe die kritische Werte überschreitet. Anmerkung: Gefährliche Gasblasen können durch Nichteinhaltung der Dekompressionsregeln oder nach zu schnellem Auftauchen entstehen. __________________________________________________________ Prinzip von Archimedes Ein Körper verliert beim Eintauchen in eine Flüssigkeit scheinbar so viel an Gewichtskraft, wie die von ihm verdrängte Flüssigkeitsmenge wiegt. (hydrostatisches Gleichgewicht, Auf- und Abtrieb) Das Gewicht eines Tauchers ist größer als das Gewicht des verdrängten Wasser. Dadurch… … sinkt der Taucher. Anmerkung: Das physikalische Gesetz von Archimedes besagt: Wenn das Gewicht eines Tauchers größer als das Gewicht der von ihm verdrängten Flüssigkeit ist, sinkt er. Ein Apnoetaucher (ohne Tauchanzug) befindet sich an der Wasseroberfläche im Schwebezustand. Wie verändert sich in 10 Meter Wassertiefe sein Schwebezustand? Das Lungenvolumen verringert sich gemäß dem Gesetz von Boyle-Mariotte auf die Hälfte. Das Gesamtvolumen des Tauchers und die von ihm verdrängte Flüssigkeitsmenge verringert sich. Der Auftrieb wird geringer. Dieses bedeutet eine zusätzliche Anstrengung beim Auftauchen. Anmerkung: Apnoetieftauchen nie ohne Sicherungstaucher ausführen. __________________________________________________________ Wärmeabgabe Welche Arten der physikalischen Wärmeabgabe gibt es und welche Bedeutung haben sie für das Tauchen? Wärmeleitung (Konduktion): Schnell schwingende Moleküle stoßen an langsam schwingende Moleküle und übertragen so die Geschwindigkeit (Wärme) von einer Stelle des Körpers zu einer anderen. Wärmeenergie wird von Molekül zu Molekül weiter geleitet und so abtransportiert. Wasser ist ein besserer Wärmeleiter als Luft. Ein Taucher ohne Kälteschutz erleidet rasch eine Unterkühlung. Wärmeströmung (Konvektion): Wärmeströmung ist der Wärmetransport durch bewegte Flüssigkeit oder Gase. Der Abtransport der Wärmeenergie geschieht dadurch, dass Flüssigkeiten oder Gase mit der in ihnen enthaltenen Wärmeenergie wegströmen. Ersetzen des erwärmten Wassers an der Körperoberfläche des Tauchers durch kälteres Wasser, z.B. bei einem schlecht sitzenden Nasstauchanzug. Ausatmen der erwärmten Einatemluft. Wärmestrahlung: Wärmestrahlung ist der Energietransport durch elektromagnetische Wellen. Aufnahme von Wärme durch Sonnenstrahlung nach einem Tauchgang. Atmung: Durch die Atmung wird die kalte Luft aus dem DTG (Drucklufttauchgerät) ständig auf Körpertemperatur aufgewärmt und angefeuchtet. Der Körper verliert dadurch ständig Wärmeenergie. |
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