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Tauchen Tauchen –– Definition und seine PhysikDefinition und seine Physik

- im Wasser ( Schwimmen, Schnorcheln )

- unter Wasser ( Tauchen, Apnoe )

Definition Tauchen

„ Sporttauchen ist das Schwimmen unter Wasser mit Hilfe von Tauchgeräten. „

Copyright Copyright byby Erwin HaigisErwin Haigis2007 2007

Was hat Tauchen mit Physik zu tun?

� Unterwasser kann man sich nur für kurzeZeit oder mit entsprechenden Hilfsmitteln aufhalten

�Wichtige Kenntnisse über die dort herrschenden Bedingungen sind notwendig um Tauchgänge sinnvollvorzubereiten 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?

GliederungGliederung

nn TauchphysikTauchphysik

-- Auftrieb Auftrieb –– Abtrieb Abtrieb –– TarierenTarieren

-- DruckDruck

-- Gase und ihre GesetzeGase und ihre Gesetze

nn TaucherkrankheitenTaucherkrankheiten

nn ActivityActivity

Auftrieb Auftrieb –– Abtrieb Abtrieb -- TarierenTarieren

Wieso gleitet ein Boot im Wasser, ein Wieso gleitet ein Boot im Wasser, ein gleichschweres Stgleichschweres Stüück Blei geht aber unter?ck Blei geht aber unter?


Das Archimedische PrinzipEin 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.


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 fAuswirkungen füür den Taucherr 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


Dichte eines Körpers

p = m/V

Körperdichte < Wasserdichte =

Körper steigt

Körperdichte = Wasserdichte =

Körper schwebt ( austariert )

Körperdichte > Wasserdichte =

Körper sinkt


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


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.

DruckDruck

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“.

DruckDruck

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.

DruckDruck

Was ist Druck?

n Menge an Kraft die auf eine

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

DruckDruckLuftdruckLuftdruck

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

DruckDruckWasserdruckWasserdruck

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 TiefeF = H *p*g

10 m * 1000 kg/cm³ * 9,81 m/s² ≈ 9800 N/m² ≈ 1 bar

DruckDruckWasserdruck & UmgebungsdruckWasserdruck & Umgebungsdruck

Umgebungsdruck = Waserdruck + Luftdruck

DruckDruckUmgebungsdruckUmgebungsdruck

Faustformel:

Umgebungsdruck =

((Tauchtiefe/10)+1) bar

DruckDruck

Was bedeutet das fürs Tauchen?� Druckausgleich� Risiken bei der Dekompression� Verkleinerung des Lungenvolumens�Medizinische Gefahren durch

partielle Drücke der Gase

Gase und ihre GesetzeGase und ihre Gesetze

n Taucher benutzen autonome

Leichttauchgeräte (SCUBA)

- gefüllt mit komprimierter

atmosphärischer Luft bis 200 bar

n � Zusammensetzung

der Atemluft

Gase und ihre GesetzeGase 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

GaseGase-- Gesamtdruck & Gesamtdruck & EinzeldrEinzeldrüückecke

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


Gefahr der Dekompressionskrankheit!

Ø Teildruck von N ist z.B. auf 20m 3mal so hoch wie an Land

Ø > bei zu schnellem Auftauchen wird dieser nicht abgebaut


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


Stickstoffvergiftung – Tiefenrausch

n -> ähnlich Sauerstoffvergiftung

n -> ausgelöst durch zu hohen Druck

n -> Missverständnis der Wahrnehmung

n -> Empfindungsstörungen

n -> Bewusstlosigkeit


Aufgabe:

Wie tief darf ich mit 80%

Sauerstoff tauchen?


Lösung:

1,6 bar / 0,8 bar = 2 bar

= entspricht einer Tauchtiefe von 10m

Gase Gase Druck und VolumenDruck 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


Gesetz von Boyle und Mariotte:

n Druck im umgekehrten Verhältnis

zum 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

TaucherkrankheitenTaucherkrankheiten

Barotrauma

n - des Ohrs

n - der Nasennebenhöhlen

n - der Kieferhöhle

n - der Zähne

n - der Lunge -> Lungenriss

TaucherkrankheitenTaucherkrankheiten

Barotrauma

n Organ-bzw. gewebstypische

Verletzung

n durch Unterschied zwischen

Innen- und Außendruck

GaseGaseBerechnung von Druck, Volumen Berechnung von Druck, Volumen

und Tauchzeitund TauchzeitBeispiel:

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?

GaseGaseBerechnung von Druck, Volumen Berechnung von Druck, Volumen

und Tauchzeitund TauchzeitLösung:

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!!!

GaseGaseDruck & TemperaturDruck & Temperatur

Gesetzt von Henry:

Die Menge eines in Flüssigkeit gelösten

Gases ist abhängig von der Temperatur und

dem Druck über der Flüssigkeit.


Gesetzt von Henry:

Ø 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


Was bedeutet das für den Taucher?:

Ø Dekompressionskrankheit:

> Bläschenbildung des Stickstoffs bei

Drucknachlass

> beim Auftauchen, Deko-Stufen einhalten!

Taucherkrankheiten Taucherkrankheiten -- TauchunfTauchunfäällelle

Barotraumen:(Boyle-Marriotte)

� Vergiftungen� Dekompressionskrankheit

(Dalton + Henry)

Was wir besprochen habenWas wir besprochen haben

- Definition Tauchen- Was hat Tauchen mit Physik zu tun?-- Auftrieb Auftrieb –– Abtrieb Abtrieb –– TarierenTarieren-- Druck, Luftdruck, Wasserdruck, UmgebungsdruckDruck, Luftdruck, Wasserdruck, Umgebungsdruck-- Gase und ihre GesetzeGase und ihre Gesetze-- Gesamtdruck & EinzeldrGesamtdruck & Einzeldrüückecke-- Gase, Druck und VolumenGase, Druck und Volumen-- TaucherkrankheitenTaucherkrankheiten-- Berechnung von Druck, Volumen und TauchzeitBerechnung von Druck, Volumen und Tauchzeit-- Gase, Druck & TemperaturGase, Druck & Temperatur-- Taucherkrankheiten Taucherkrankheiten -- TauchunfTauchunfäällelle

1 Minute Pause1 Minute Pause

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