Tauchen – Definition und seine Physik - VIP-Divepoint

Tauchen – Definition und seine Physik
- im Wasser ( Schwimmen, Schnorcheln )
- unter Wasser ( Tauchen, Apnoe )
Copyright by Erwin Haigis
2007
Definition Tauchen
„ Sporttauchen ist das Schwimmen unter
Wasser mit Hilfe von Tauchgeräten. „

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
Wichtige Kenntnisse dabei sind:
n Wie tariert man sich beim Tauchen aus?
n Wie viel Blei brauch ich um abtauchen zu können?
n Wie lange reicht der Luftvorrat?
n Wieso darf ich nur so langsam auftauchen?

Gliederung
n Tauchphysik
- Auftrieb – Abtrieb – Tarieren
- Druck
- Gase und ihre Gesetze
n Taucherkrankheiten
n Activity

Auftrieb – Abtrieb - Tarieren
Wieso gleitet ein Boot im Wasser, ein
gleichschweres Stück St ck 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 f r 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

Beispiel:
Auftrieb – Abtrieb - Tarieren
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

Lösung:
Auftrieb – Abtrieb - Tarieren
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.

Was ist Druck?
Wasserdruck
Druck
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“.

Was ist Druck?
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.

n Menge an Kraft die auf eine
Druck
Was ist Druck?
n bestimmte Fläche ausgewirkt wird:
n • Druck = Kraft/ Fläche
n • P = F/A
n = (m*g) / A
n = (V*p*g) /A
n = (A*h*p*g) /A
n = 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

Faustformel:
Umgebungsdruck =
((Tauchtiefe/10)+1) bar
Druck
Umgebungsdruck

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 Taucher benutzen autonome
Leichttauchgeräte (SCUBA)
- gefüllt mit komprimierter
atmosphärischer Luft bis 200 bar
n Zusammensetzung
der Atemluft

Gesetz von Dalton:
Gase und ihre Gesetze
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- Gase Gesamtdruck &
Einzeldrücke
Einzeldr cke
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 Sauerstoff-
Toxizität
• 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- Gase Gesamtdruck &
Einzeldrücke
Einzeldr cke
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- Gase Gesamtdruck &
Einzeldrücke
Einzeldr cke
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)
Vergiftungserscheinungen:
n - Flimmern vor den Augen, Übelkeit,
Muskelzuckungen, Bewusstlosigkeit
= > Tod durch Ertrinken

Gase- Gase Gesamtdruck &
Einzeldrücke
Einzeldr cke
Stickstoffvergiftung – Tiefenrausch
n -> ähnlich Sauerstoffvergiftung
n -> ausgelöst durch zu hohen Druck
n -> Missverständnis der Wahrnehmung
n -> Empfindungsstörungen
n -> Bewusstlosigkeit

Aufgabe:
Gase- Gase Gesamtdruck &
Einzeldrücke
Einzeldr cke
Wie tief darf ich mit 80%
Sauerstoff tauchen?

Lösung:
Gase- Gase Gesamtdruck &
Einzeldrücke
Einzeldr cke
1,6 bar / 0,8 bar = 2 bar
= entspricht einer Tauchtiefe von 10m

Gase
Druck und Volumen
Gesetz von Boyle und Mariotte:
n Das Volumen in einem abgeschlossenen Behälter ändert sich
proportional zum Druck, sofern die Temperatur gleich bleibt.
p*V = konstant
n 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 wichtigstes physikalische Gesetz!!!
n Auswirkungen des wechselnden Drucks beim Ab und
Auftauchen im Wasser
n Luftbedarf für Tauchgang
n Druckprobleme in den Hohlräumen
n Barotraumen

Barotrauma
n - des Ohrs
Taucherkrankheiten
n - der Nasennebenhöhlen
n - der Kieferhöhle
n - der Zähne
n - der Lunge -> Lungenriss

Barotrauma
Taucherkrankheiten
n Organ-bzw. gewebstypische
Verletzung
n durch Unterschied zwischen
Innen- und Außendruck

Gase
Berechnung von Druck, Volumen
Beispiel:
und Tauchzeit
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
Lösung:
p1 * V1 = p2 * V2
5 bar * 2 l = 1 bar * V2
V2 = (5 bar * 2 l)/ 1 bar
V2 = 10 l
und Tauchzeit
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
Tauchunf lle
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
Einzeldr cke
- Gase, Druck und Volumen
- Taucherkrankheiten
- Berechnung von Druck, Volumen und Tauchzeit
- Gase, Druck & Temperatur
- Taucherkrankheiten - Tauchunfälle
Tauchunf lle

Copyright by Erwin Haigis
2007
1 Minute Pause