PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA dr inż. Jan Parczewski INSTRUKTOR PŁETWONURKOWANIA KDP/CMAS POL M2 F0 000009 Jednostki fizyczne Cechy fizyczne wody i powietrza Prawa fizyczne Przykłady obliczeń PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA CIŚNIENIE Jednostki fizyczne nazwa oznaczenie jednostki masa m g, kg siła, ciężar F, Q G, kG, N długość l, L cm, m, km powierzchnia S cm2, m2 objętość V l, m3 ciśnienie p, P Pa, hPa, MPa, bar, at, atm, (ata), psi temperatura t, T ˚C, ˚K, (˚F, ˚R) prędkość v m/s przyspieszenie a, g(ziemskie) m/s2 czas t s, min, h (=godz.)

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA CIŚNIENIE zamiana jednostek ciśnienia zestawienie dla praktyki nurkowej

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA CIŚNIENIE zamiana jednostek ciśnienia - przykłady 1at = 1kG/cm2 ≈ 10N/(0,01m)2 = 10/0,0001 N/m2 = = 10 * 10000 Pa = 105Pa = 1bar ≈ 10mH2O 1atm = 760mmHg = 76cm * 13,6 G/cm3 = = 1033G/cm2 = 1,03kG/cm ≈ 1at 1bar ≈ 1at ≈ 1atm 1MPa = 10barów ≈ 10at ≈ 10atm UWAGA: 1kG = 9,81N ≈ 10N

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA WODA własności wody • niezwykła zależność gęstości od temperatury pływanie lodu opadanie wody 4˚C • b. wysoka przewodność cieplna: efekt chłodzenia • b. duże ciepło właściwe (tzn. ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1g o 1˚) • b. duże ciepło parowania (tzn. ilość ciepła potrzebna do odparowania 1g)

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA WODA własności wody (c.d.) • b. duże ciepło zamarzania / topnienia • b. duże napięcie powierzchniowe • b. duży efekt kapilarny • b. wysoka stała dialektyczna – efekt rozpuszczania • praktyczna nieściśliwość

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA WODA niezwykła zależność gęstości od temperatury

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA POWIETRZE cechy fizyczne powietrza powietrze - skład w tym argon 0,93%

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA POWIETRZE ciśnienie i gęstość gęstość przy 0˚C, 1atm = 1,23kg/m3 1km ≈ -0,1at wysokość ciśnienie [km] [bar] 0 1,01 1 0,90 2 0,80 3 0,70 4 0,62 5 0,54 6 0,47 7 0,41 8 0,36 Mount Everest

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA CIŚNIENIE Ciśnienie całkowite – PRAWO TORICELLI’EGO Ciśnienie całkowite na danej głębokości w wodzie jest sumą ciśnień powietrza na powierzchni oraz ciśnienia (nadciśnienia) słupa wody. Pcałk.= Patm + Pwody ≈ 1 + h/10 [at], [ata], [bar] Gdzie h[m] – głębokość w wodzie

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA CIŚNIENIE Prawo Torricelli’ego P Atmosferyczne P Atmosferyczne + P Hydrostatyczne = P Całkowite P Hydrostatyczne

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PŁYWALNOŚĆ CIAŁ PRAWO ARCHIMEDESA Ciało zanurzone w wodzie traci na wadze tyle, ile waży wada przezeń wyparta. pojęcia: siła wyporu, środek wyporu siła ciężkości, środek ciężkości pływalność, stateczność pływalność = siła wyporu – siła ciężkości

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PŁYWALNOŚĆ CIAŁ Prawo Archimedesa 10 kG 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 9 kG 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Objętość [V] = 1 litr

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA Pływalność ciał Kontrola pływalności Dodatnia Obojętna Ujemna Dodatnia Obojętna Ujemna

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PŁYWALNOŚĆ CIAŁ prawo Archimedesa – przykład pływalność nurka wzrasta w trakcie nurkowania w skutek ubytku powietrza na danej głębokości w tempie ok.: (1+h/10)*0,023 kG/m3 tak więc, dla h = 40 m, t = 10 min spadek ciężaru nurka = 1,15 kG

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA CIŚNIENIE Prawo Pascala ciśnienie w danym punkcie zbiornika, wypełnionego cieczą lub gazem, jest identyczne we wszystkich kierunkach, lub inaczej – zanurzone na określoną, stałą głębokość ciało podlega równomiernemu ciśnieniu ze wszystkich stron.

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA CIŚNIENIE Prawo Pascala Jeżeli na płyn (gaz lub ciecz) w zamkniętym zbiorniku zostanie wywarte ciśnienie, wówczas ciśnienie to rozchodzi się w zbiorniku równomiernie we wszystkich kierunkach. Zatoki Drogi oddechowe Tchawica Oskrzela Płuca Żołądek Jelita R1 = R2 = R3

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA Prawa gazowe gaz doskonały  T=const p. Boyle’a – Mariotte’a (izoterm.) zmiana P, V równanie Clapeyrona P=const p. Charlesa (izobar.) zmiana V, T p*V =const T V=const p. Gay-Lusaca (izochor.) zmiana P, T (równanie stanu gazu doskonałego) H=const p. Poissona (adiabat.) zmiana P, V, T

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA Prawa gazowe Równanie Clapeyrona P*V/T = const (= n*R) => P1*V1/T1 = P2*V2/T2 gdzie stan „1” – przed zmianą, stan „2” – po zmianie; const (constans) = stałe [łac.] P – ciśnienie absolutne, mierzone zwykle (w Europie) w barach lub atmosferach, V – objętość, mierzona zwykle w m3 lub litrach T – temperatura absolutna, mierzona zwykle w stopniach Kelvina [º K] = 273 + t [º C] Dodatkowo: n – miara ilości gazu [w gramocząstkach] oraz R – uniwersalna stała gazowa)

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA Prawa gazowe prawo Boyle’a-Mariotte’a dla T=const, P*V = const => P1*V1= P2*V2, przemiana izotermiczna Zastosowanie: zmiana obj. gazów i zużycie powietrza pod wodą, zapas gazu.

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA JEDNOSTKI FIZYCZNE Prawo Boyle’a – Mariotte’a 1 0 m 1 at 1/2 10 m 2 at 1/3 20 m 3 at 1/4 30 m 4 at 1/5 40 m 5 at POWIETRZE 1/4 1/3 1/2 1 1 at 0 m 2 at 10 m 3 at 20 m 4 at 30 m 5 at 40 m Dla ustalonej masy gazu, przy stałej temperaturze, ciśnienie jest odwrotnie proporcjonalne do objętości POWIETRZE 1/5

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PRAWA GAZOWE prawo Boyle’a-Mariotte’a przykład – nurkowanie na bezdechu na 20m P1=1at P2=1+h/10=3at V1=6l V2=P1V1/P2=1*6/3=2l Pływalność spada o 4 kG.

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PRAWA GAZOWE prawo Charlesa dla V=const, P/T= const => P1/T1= P2/T2, przemiana izochoryczna Zastosowanie: nagrzewanie i schładzanie butli.

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PRAWA GAZOWE prawo Charlesa przykład – Butla bezpośrednio po naładowaniu do 200 at ma temperaturę 35º C. Jakie jest ciśnienie w butli gdy schłodzimy ją do temp. 4º C. Odp. wg prawa Charlesa: P2=P1*T2/T1 = 200*(273+4)/(273+35) = 200*0,899=179,8 at (ubytek ciśnienia 10%) Uwaga1: wynik nie zależy od objętości butli. Uwaga2: zużycie powietrza liczone wg standardowej zasady 20 l./min. / 4º C może być przeszacowane – powietrze w płucach przy każdym wdechu ogrzewa się od tkanki, zwiększając objętość.

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PRAWA GAZOWE prawo Poissona P*Vk = const T  const, k = 1,4 (dla „doskonałego” powietrza) H= const (brak wymiany ciepła z otoczeniem) przemiana adiabatyczna Zastosowanie: chłodziarki sprężarkowe gazu, zapłon samoczynny w silniku Diesla.

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PRAWA GAZOWE Zagadka: pojemnik dwukomorowy po wyrównaniu się ciśnienia, a) T -> T1, b) T=T1, c) T<T1?  

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA GAZY RZECZYWISTE efekt Joule`a–Thomsona efekt dodatni: spadek temperatury gazu rzeczywistego przy rozprężaniu poprzez dyszę lub zawór (uwaga: gaz idealny – nie istniejący w naturze, nie wykazuje takich efektów) (H1=H2 => przemiana adiabatyczna)

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA EFEKT JOULE’A-THOMSONA (C.D.) Uwaga: jeśli T1 jest większa niż tzw. „temperatura inwersji”, określona dla każdego gazu rzeczywistego, gaz ten nagrzewa się przy wypływie, a nie schładza! Temperatury inwersji: He = 40º K, N2 = 621º K, O2 = 764º K, Ne = 231º K, tzn. w temperaturach użytkowych np. +/- 40º C hel będzie się nagrzewał, azot i tlen schładzały. W automacie oddechowym efekt ten powoduje obmarzanie dysz - przy oddychaniu powietrzem (inaczej niż przy helioksie!)

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PRAWA GAZOWE PRAWO DALTONA - ciśnienie mieszaniny gazów   Ciśnienie całkowite mieszaniny gazowej jest równe sumie ciśnień parcjalnych wszystkich składników P = P1 + P2 + P3 +... Pn Ciśnienie parcjalne danego składnika gazu Pi (i=1,2..., n), przedstawić można jako iloczyn ciśnienia całkowitego P mieszaniny oraz udziału (frakcji) Fi tego składnika w mieszaninie Pi = Fi * P

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PRAWA GAZOWE PRAWO DALTONA - przykładowe obliczenia · ciśnienie parcjalne tlenu i azotu w powietrzu atmosferycznym · maksymalna głębokość nurkowania na powietrzu · maksymalna głębokość nurkowania na czystym tlenie · maksymalna głębokość nurkowania dla Nitroksu · głębokość równoważna co do nasycenia azotem dla Nitroksu (w stosunku do powietrza)

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PRAWA GAZOWE PRAWO DALTONA – przykład (c.d.) maksymalna głębokość nurkowania na powietrzu - ze względu na zatrucie tlenem

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA ROZPUSZCZALNOŚĆ GAZÓW W CIECZACH PRAWO HENRY’EGO – rozpuszczanie się gazu w danej cieczy Rozpuszczalność gazu w cieczy rośnie proporcjonalnie do ciśnienia gazu będącego w kontakcie z cieczą C = k*P   gdzie: C - stężenie rozpuszczonego gazu k - wsp. rozpuszczalności danego gazu P - ciśnienie gazu

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA ROZPUSZCZALNOŚĆ GAZÓW W CIECZACH PRAWO NERNSTA – rozpuszczanie się gazu w różnych, nie mieszających się cieczach Stężenie rozpuszczonego gazu w każdej, nie mieszającej się cieczy poddanej wspólnemu ciśnieniu jest proporcjonalne do ciśnienia gazu oraz charakterystycznego dla danej cieczy tzw. współczynnika podziału Ci=ki * P        gdzie: Ci - stężenie rozpuszczonego gazu w i-tej cieczy ki - współczynnik podziału (wsp. rozpuszczalności gazu w danej cieczy) P - ciśnienie gazu

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA ROZPUSZCZALNOŚĆ GAZÓW W CIECZACH Zmiany w czasie rozpuszczalności gazów w cieczach - nasycanie i odsycanie tkanek w trakcie nurkowania 

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PODSTAWY HYDRODYNAMIKI PRAWO BERNOULLIEGO Związek między prędkością przepływu gazu (cieczy) z jego ciśnieniem statycznym (tzn. mierzonym prostopadle do strugi) jest następujący: ρgh + 0,5 ρV2 + p = const gdzie: ρ - gęstość płynu (gazu) g – przyspieszenie ziemskie h – wysokość. przykłady: wiatrowe wzbudzanie falowania wody, przyciąganie się mijających się statków. Automat oddechowy – wspomaganie.

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PODSTAWY HYDRODYNAMIKI PRAWO BERNOULLIEGO-przykłady (c.d)

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PODSTAWY HYDRODYNAMIKI EFEKT VENTURIEGO różnica ciśnień wskazywanych przez barometr jest proporcjonalna do kwadratu prędkości przepływu płynu v przed dyszą i wynosi: (ρV2/2)[(1- (S/s)2] = p – P < 0 tzn. S/s > 1 => p - P < 0 Przyrząd wynalazł włoski fizyk G.B. Venturi (1746-1822).

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PODSTAWY HYDRODYNAMIKI SIŁA OPORU W WODZIE: Px = (ρV2/2)SCx; Cx=Cx(V) ≈const .   Obiekt całkowicie zanurzony: Px ~ V, V2; Obiekt częściowo zanurzony: Px ~ V, V2, V3 nurek Cx > 0,5, ryba Cx < 0,1, samochód Cx = 0,3-0,4 Przepływy: ·        laminarne ·        turbulentne ·        nieoderwane ·        oderwane.

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA Podstawy optyki podwodnej PRAWO SNELLIUSA - załamanie światła pomiędzy ośrodkami prawo optyki geometrycznej opisujące zjawisko załamania światła. Wyraża się wzorem: n = sin(α) / sin(β) = v/u gdzie: przykład: n - współczynnik załamania α - kąt padania światła β - kąt załamania światła v i u - prędkości światła odpowiednio w I i II ośrodku.

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA Podstawy optyki podwodnej WIDZENIE W WODZIE

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA Podstawy optyki podwodnej PENETRACJA ŚWIATŁA W GŁĄB WODY

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA Podstawy akustyki podwodnej ? Kierunek 330 m/s ? Kierunek 1.500 m/s

dr inż. Jan Parczewski INSTRUKTOR PŁETWONURKOWANIA M2 F000009 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ