PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA Piotr Lewandowski

Ciśnienie P wywołuje siła F działająca na daną powierzchnię S

Ciśnienie gdzie: P – ciśnienie F – siła S – powierzchnia Jednostką ciśnienia jest N/m2 zwany paskalem ( Pa ) W praktyce operuje się jednostką jaką jest megapaskal ( Mpa ) 0,1MPa = 1at = 1bar = 10m H2O Ciśnienie – to jeden z czynników określających stan gazu lub mieszaniny gazów. JEST TO WARTOŚĆ SIŁY WYWIERANEJ NA JEDNOSTKĘ POWIERZCHNI. 1 atm= 1kg/cm2=760 mmHg=1 bar

JEDNOSTKI CIŚNIENIA Paskal [Pa] = [N/m2] 1MPa=1 000 000Pa atmosfera techniczna[at] = [KG/cm2] atmosfera fizyczna [atm] = ciśnieniu 760 mm słupa rtęci w temp 273,16 K (0C), przy normalnym przyspieszeniu ziemskim bar = 10mH2O (10m słupa wody

CIŚNIENIE ATMOSFERYCZNE - pochodzi od nacisku słupa powietrza - jednostką jest hPa - normalne ciśnienie to około 1000hPa - dla celów nurkowych przyjmuje się że na poziomie morza wynosi ono 1at

CIŚNIENIE HYDROSTATYCZNE - pochodzi od słupa wody - wzrasta liniowo co 10m H2O o 1at w wodzie słodkiej

CIŚNIENIE ABSOLUTNE - określa wartość ciśnienia, określoną w stosunku do próżni - mówiąc o ciśnieniu działającym na nurka, mówimy właśnie o ciśnieniu absolutnym Ciśnienie działające na płetwonurka to suma ciśnienia hydrostatycznego i atmosferycznego

ZAMIANA JEDNOSTEK CIŚNIENIA 0,1 MPa = 1 at = 0,97 atm = 980mb = = 10 m H2O = 33 (ft) stopy H2O = = 735 mm Hg = 14,2 psi

POWIETRZE Skład – 21% Tlen, 78% Azot, 1% inne Ciężar – 1000l waży 1,3 kg Ściśliwe – ciśnienie ma wpływ na gęstość Podczas rozprężania spada temperatura (uwaga na zamarzanie automatów oddechowych) Podczas sprężania wzrasta temperatura ( ładowanie butli )

Prawo Daltona Całkowite ciśnienie wywierane przez mieszaninę gazów równa się sumie ciśnień cząstkowych (parcjalnych) gazów tworzących mieszaninę P = pN + pO2 + pCO2 + p innych gazów % Ciśnienia cząstkowe Azot 78 0,78 Tlen 20,99 0,21 Dwutlenek węgla 0,04 0,0004 Inne gazy 1 0,10 Na poziomie morza = 1 at

Prawo Daltona W mieszaninie gazów każdy składnik zachowuje się tak jak gdyby sam zajmował całkowitą objętość. Prawem tym obliczany ciśnienia parcjalne - cząstkowe gazów. P = p x a / 100 P = ciśnienie parcjalne gazu p = ciśnienie otoczenia a = skład objętościowy gazu w mieszaninie PN = 1 x 78 / 100 = 0,78 at - to ciśnienie parcjalne azotu w powietrzu atmosferycznym przy ciśnieniu 1 at.

Prawo Henry’ego Ilość gazu jaka rozpuści się w płynie w danej temperaturze, jest wprost proporcjonalna do ciśnienia gazu będącego w kontakcie z płynem. Przykładem tego zjawiska może być butelka wody sodowej. W rozlewni woda nasycana jest dwutlenkiem węgla pod ciśnieniem a powstały stan równowagi gazu i cieczy jest utrzymywany przez szczelny kapsel. Jeżeli butelkę otwieramy, to spada ciśnienie, a woda nie jest w stanie utrzymać nadmiaru rozpuszczonego dwutlenku węgla. Nadmiar gazu uwalnia się z roztworu w postaci pęcherzyków gazowych.

Co to oznacza dla płetwonurka w miarę zanurzania się azot zawarty w powietrzu rozpuszcza się we krwi a następnie w pozostałych tkankach ( saturacja ) wraz ze wzrostem głębokości i długości nurkowania wzrasta ilość rozpuszczonego azotu przy szybkim obniżaniu ciśnienia ( wynurzenie ) z krwi i wszystkich tkanek następuje uwalnianie azotu pod postacią pęcherzyków uwalniane pęcherzyki azotu powodują zatykanie/blokowanie naczyń krwionośnych ( zaburzając krążenie krwi ) i ucisk na tkanki i narządy skutki są wprost proporcjonalne do ilości rozpuszczonego gazu w organizmie i szybkości spadku ciśnienia ( prawo Boyle’a – Mariotta )

BEZPIECZNEJ PRĘDKOŚCI WYNURZANIA Tabela Buhlmanna /Hahna zalecana przez CMAS określa prędkość wynurzania na 10m/min NIGDY NIE PRZEKRACZAJ BEZPIECZNEJ PRĘDKOŚCI WYNURZANIA

PŁYWALNOŚĆ CIAŁ -PRAWO ARCHIMEDESA Na ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu, równa co do wartości ciężarowi cieczy wypartej przez to ciało W – siła wyporu G – siła ciężkości

KONTROLA PŁYWALNOŚCI W zależności od relacji pomiędzy siłą wyporu W i siłą ciężkości G wyróżniamy następujące stany pływalności:  - pływalność "dodatnia", kiedy W >G, - pływalność "ujemna", kiedy G >W, - pływalność "zerowa" (neutralna), kiedy G=W.

PRAWO BOYLE’A - MARIOTTE’A P • V = const iloczyn ciśnienia i objętości jest wartością stałą. Ze wzrostem ciśnienia objętość danego gazu będzie się zmniejszać, zaś ze spadkiem ciśnienia zwiększać

Ciśnienie a objętość – prawo Boyle’a - Mariotte’a gdzie: P - ciśnienie gazu V – objętość gazu P1 – ciś. początkowe gazu V1 - obj. początkowa gazu P2 – ciś. końcowe gazu V2 – obj. końcowa gazu Znaczenie tego prawa dla nurkowania jest bardzo istotne. Podczas nurkowania największe zmiany objętości gazów występują blisko powierzchni. Oznacza to że największe niebezpieczeństwo wystąpienia urazów ciśnieniowych jest na małych głębokościach, zarówno podczas zanurzania jak i wynurzania.

Pojemność butli wynosi 10 dcm3 ( 10 litrów ) Pojemność butli wynosi 10 dcm3 ( 10 litrów ). Ciśnienie gazu w niej zawartego wynosi 20 Mpa ( 200 at. ). Obliczyć objętość zawartego w butli gazu przy ciśnieniu atmosferycznym 1 atm. Dane: P1 = 20 Mpa =200 at. V1 = 10 dcm3 = 10 l P2 = 1 at. Szukane: V2 - ?

- Oblicz: Jaką objętość na głębokości 10m będzie miał balon, którego objętość na powierzchni wynosi 6l. - P1= 1atm; P2 =2atm; V1=6l; V2= ??? - P1*V1 = P2*V2 - Po przekształceniu mamy: - Podstawiamy: - Odpowiedź: Balon na głębokości 10m będzie miał 3dm3 (3l)

- Zadanie: Nurek zanurkował na głębokość 10m z aparatem nurkowym – Objętość płuc nurka wynosi 5dm3. - Jaką objętość będą miały płuca nurka, gdyby z tej głębokości wynurzył się na powierzchnię ze wstrzymanym oddechem? - Rozwiązanie:

NIGDY NIE WSTRZYMUJ ODDECHU

OBLICZANIE ZAPASU GAZU (PRAWO BOYLE’A MARIOTTE’A) - Na jak długo wystarczy 10 litrowa butla napełniona do 200 at? - musimy zakończyć nurkowanie z 50 at więc mamy do dyspozycji 150 at - 10 l 150 at = 1500 l - przyjmujemy zużycie czynnika oddechowego na poziomie 20 l/min - 1500 l / 20 l/min = 75 min na powierzchni powierza wystarczy nam na 75 min - na głębokości 10 m ciśnienie jest 2 x większe więc czas skróci się dwukrotnie : 37 min - na głębokości 30 m ciśnienie jest 4 x większe więc czas skróci się czterokrotnie : 18 min

Podstawowe prawa fizyczne w zastosowaniu nurkowym. Przemiana izobaryczna - prawo Gay Lussaca, V1 = V2 gdzie p = constans T1 T2 Przemiana izochoryczna - prawo Charles’a P1 = P2 gdzie V = constans T1 T2 Przemiana izotermiczna - prawo Boyla’a Mariotte’a p x V = p1 x V1 T= constans

Prawo Charles’a; V = constans Przykładowe zadania Przykład: butla o ciśnieniu 20 MPa przy temp. +10 OC ma sprężone powietrze została nagrzana do temp. + 60 OC . Jakie jest ciśnienie w butli ? P1=20,1 MPa; T1=10+273=283 K; T2 = 60+273=333 K P2 = P1 x T2 / T1 ; P2= 20,1 x 333 / 283 = 23,65 Mpa Nagrzanie powietrze o 50 OC w stałej objętości spowodowało wzrost ciśnienia o 3,65 Mpa – 36,5 at. Świeżo naładowana butla, butla poddana dzianiu promieni słonecznych

Garść informacji o wodzie, czyli w cieczy w której nurkujemy. WODA Skład H2O Ciężar większy od powietrza 1kg/l Ściśliwość - brak Pochłania światło Temperatura Wymiana ciepła 25 razy lepsza niż w powietrzu To i gęstość większa Brak zmiany gęstości z głębokością Niemożliwość określenia kierunku dźwięku Najszybciej czerwone, potem pomarańczowe, żółte, niebieskie, zielone Wzrost prędkości fali dzwiękowej do ok. 1500m/s To źle Bo szybciej marzniemy, należy stosować skafandry w celu zabezpieczenia przed wychłodzeniem

Woda jest praktycznie nieściśliwa, dlatego posiada stałą gęstość niezależnie czy jest to 10m czy 1000m. Jej gęstość zmienia się głównie zależnie od temperatury oraz zasolenia. Czym większe zasolenie tym większa gęstość, jeżeli chodzi o temperaturę to największą gęstość ma woda o temp. 4st Celsjusza. Ten fakt powoduje że: woda w jeziorze od dna do termokliny ma 4oC jeziora nie zamarzają w całej objętości Gęstość wody jest około 780 razy większa od powietrza.

Załamanie światła następuje gdy światło zmienia ośrodek w jakim się rozchodzi. Promień przedostaje się przez powierzchnie graniczną i biegnie dalej w nowym ośrodku, lecz w kierunku odchylonym od pierwotnego.

Obraz, tworzony pod wodą przez "gołe" oko jest nieostry. - Założenie maski umożliwia ostre widzenie, - obraz przedmiotu powiększony o 1/3 i przybliżony o ¼. Maska woda powietrze szkło 33% 25% Trzy stany skupienia: powietrze w masce, szkło w masce, otaczająca woda

Zjawisko Tyndalla. Rozproszenie światła w wodzie na cząsteczkach zawiesiny nazywa się zjawiskiem Tyndalla. Jest ono analogiczne do znanego z życia codziennego przypadku, gdy snop promieni słonecznych wpada do zacienionego pokoju i ukazuje oczom zawieszone w powietrzu cząsteczki kurzu, które normalnie są nie widoczne dla oka. Tak też pod wodą na przeszkodzie staje jasnoniebieska mgiełka, która jak gdyby przesłania i rozmywa odległe przedmioty co będzie można zaobserwować na filmach. Zjawisko to inaczej zwane „lśnieniem wody” najbardziej daje się we znaki przy spoglądaniu pod wodą w poziomie. Dzieje się tak dla tego, że rozproszenie światła w molekułach wody następuje najintensywniej pod kątem zbliżonym do prostego.

Pochłanianie światła zachodzi nierównomiernie dla różnych długości (barw) fali światła. Najszybciej zanikają barwy: - Ultrafioletowe - Czerwone - Pomarańczowe - Fioletowe, - Żółte, - Zielone, - Niebieskie.

DŹWIĘK W WODZIE - Woda posiada prawie 800 razy większą gęstość niż otaczające nas powietrze - dźwięk w wodzie rozchodzi się z prędkością prawie 5-krotnie większą ( 1500 m/s) niż na powierzchni (330 m/s) może pokonywać stosunkowo duże odległości, będąc nadal wyraźnie słyszalnym przez nurków - nie jesteśmy w stanie określić skąd dochodzi dźwięk, na skutek zbyt małej różnicy faz sygnału dochodzącego do prawego i lewego ucha (w powietrzu ta różnica jest wystarczająca)

Pytania ???? Dziękuję za uwagę !!!

Literatura 1. Jarosław K. – „Medycyna nurkowa” Poznań 2006 2. Strugarski T. – „Wypadki nurkowe. Analiza gorzkich doświadczeń” Warszawa 2005 3. Olszański R. – „Ocena zagrożenia chorobą dekompresyjną u nurków” Warszawa 2005