Subcommissie Edit Departement didactiek Sportduiken Onze passie CMASEurope NEDERLANDSTALIGE LIGAVOOR ONDERWATERONDERZOEK EN -SPORTVZW Studio opnames Coolshots.be Foto s Sportduiken Hoofdredactie Michel Boucneau Werkgroep Fysica Patrick Van Buyten Dirk De Bilde, Walter Mellaerts Tekeningen Peter Bosteels Herwig Van Cotthem Onze passie TORPEDO, januari 2010 1
Fysica: Verwachtingen 2-sterduiker WETEN KENNEN Het begrip druk : eenheid (bar) en soorten (hydrostatische/atmosferische/absolute/relatieve) Weten dat er uitfiltering van kleuren is in water en dat alle objecten groter en dichterbij lijken dan zij zijn Weten dat men onderwater de richting van waaruit een geluid komt niet kan bepalen De samenstelling van lucht kennen (20-80) TORPEDO, januari 2010 2
Fysica: Verwachtingen 2-sterduiker WETEN KENNEN Elementaire kennis van de Wet van Boyle - Mariotte en de toepassingen ervan in de duiksport Elementaire kennis van de Wet van Archimedes en zijn praktische toepassing ervan in de duiksport De invloed van de druk op het oplossen van gassen in vloeistoffen Het gemiddelde luchtverbruik kunnen berekenen Fysica: Verwachtingen 3-sterduiker WETEN KENNEN Weten dat er uitfiltering van kleuren is in water en dat alle objecten groter en dichterbij lijken dan zij zijn De samenstelling en het gewicht van lucht kennen (20-80) De Wet van Boyle - Mariotte kennen en begrijpen en alle courante toepassingen ervan in de duiksport kunnen verklaren De Wet van Archimedes kennen en begrijpen en alle courante toepassingen ervan in de duiksport kunnen verklaren De Wet van Henry kennen en de verbanden tussen deze wet en het decompressieongeval inzien TORPEDO, januari 2010 3
Fysica: Verwachtingen 3-sterduiker KENNEN TOEPASSEN De Wet van Dalton kennen en begrijpen (kennis bezitten van het begrip partiële druk) Het gedrag van geluidsgolven onder water kennen alsook de gevaren ervan tijdens het duiken inzien Eenvoudige berekeningen kunnen maken met het begrip druk Fysica Hoofdstuk 1 Druk TORPEDO, januari 2010 4
Druk korte test Wat was het weer allemaal: kracht, massa, gewicht, druk,...? Wat is de officiële eenheid van druk? In welke eenheid drukken wij druk uit? Waarom? Met welke soorten druk worden we in de duiksport geconfronteerd? Wat is de druk op 35 m diepte op zee? En in een bergmeer op 3.000 m op dezelfde diepte? Druk Definitie Druk = een kracht uitgeoefend op een oppervlakte Gewicht (massa onder aantrekkingskracht aarde) is ook een kracht (F=m*g) De eenheid van druk is Pa (Pascal). Als afgeleide eenheid gebruiken wij bar 1 bar = 1.000 mbar = 100.000 Pa Opm: g = valversnelling op aarde = 9.812m/s2 in de Benelux, 9.78m/s2 aan de evenaar, 9.832m/s2 aan de polen. TORPEDO, januari 2010 5
Druk: eenheden Veel gebruikte eenheden van druk zijn: Pascal bar mm kwik m kgf/cm 2 waterkolom 1 Pa 1 0,00001 0,0075 0,000102 0,0000102 1 bar 100.000 1 750 10,2 1,02 1 mm kwik 133 0,00133 1 0,0136 0,00136 1 m waterkolom 9.810 0,0981 73,6 1 0,1 1 kgf/cm 2 98.100 0,981 736 10 1 Soorten druk Als duiker worden we geconfronteerd met volgende soorten druk: Luchtdruk = Atmosferische druk Waterdruk = Hydrostatische druk (+ stroming) Beide samen geeft ons de absolute druk TORPEDO, januari 2010 6
Atmosferische druk Aardatmosfeer 80 km luchtlagen, onder invloed van de zwaartekracht Luchtlagen steunen op elkaar en de aarde => luchtdruk Atmosferische druk Proef van Torricelli Luchtdruk = druk van gewicht kwikkolom (760 mm) = 1,013 bar = 1 atm (proef op zeeniveau bij 15 C) TORPEDO, januari 2010 7
Atmosferische druk Uit de meteorologie : 1.013 hpa (hectopascal) = 101.300 Pa 1.013 mbar (millibar) = 1,013 bar Wij nemen aan dat de luchtdruk op zeeniveau gelijk is aan 1 bar Atmosferische druk = Luchtdruk = 1 bar Atmosferische druk Tot 5.000 m hoogte neemt de luchtdruk ongeveer lineair af met 0,1 bar per 1.000 m (nadien trager) Toepassingen: bergmeerduiken, niet vliegen/bergpassen na duiken! TORPEDO, januari 2010 8
Hydrostatische druk Water 71% van het aardoppervlak is bedekt met water, van één meter tot enkele kilometer diep Waterlagen steunen op elkaar en de aarde => waterdruk => hydrostatische druk www. nasaimages.org Hydrostatische druk Proef: gassen zijn samendrukbaar, vloeistoffen niet! Toepassing Hydraulische (her)keuring van duikfles TORPEDO, januari 2010 9
Hydrostatische druk Proef: druk plant zich in een vloeistof voort in alle richtingen, en met dezelfde grootte Hydrostatische druk Druk neemt toe onder water a rato van ongeveer 1 bar per 10 meter dieper TORPEDO, januari 2010 10
Hydrostatische druk Waterdruk = hydrostatische druk = relatieve druk Vuistregel: relatieve druk = diepte (m) / 10 Fysische wetten: vloeistoffen Wx jxà ätç ctávtä TORPEDO, januari 2010 11
Waterdruk (bar) NELOS Theorie Fysica Fysische wetten: vloeistoffen : de wet van Pascal De Wet van Pascal Een druk, uitgeoefend op een deel van een vloeistof, plant zich in alle richtingen voort met dezelfde grootte. Toepassingen: Druk in een onderwatergrot Onmogelijkheid te ademen door een buis op 1m diepte (verschil uitwendige druk op de borstkas/longen versus luchtdruk in de buis of snorkel) Drukvariatie is -relatief- groter bij kleinere diepten (gevaar voor longoverdruk bij niet-uitademen!) Absolute druk Absolute druk = atmosferische druk + relatieve druk p abs = p atm + p hydr 0 Luchtdruk Totale druk (m) 0 1 2 3 4 5 6 10 1 Diepte (m) 20 30 Waterdruk 2 3 40 Water 4 50 5 TORPEDO, januari 2010 12
Absolute druk Diepte Diepte [m] [m] Druk Druk op op diepte diepte [bar] [bar] = = + + 1 1 10 10 Diepte Diepte [m] [m] =( =( Druk Druk op op diepte diepte [bar] [bar] 1 1 ) ) * * 10 10 1 bar 2 bar 3 bar Luchtdruk (Atmosferische druk) Op zeeniveau = 1 bar Waterdruk (Hydrostatische druk) 10 meter = 1bar 10 m 20 m 30 m 1 bar 2 bar 3 bar 4 bar Absolute druk = Atmosferische druk + Hydrostatische druk 4 bar 40 m 5 bar Druk: rekenoefeningen Wat is de hydrostatische druk op 33 m diepte? Wat is de absolute druk? Wat is de atmosferische druk op 3.500 m hoogte? De barometer geeft 1.140 hpa aan. We gaan naar 27 m diepte. Wat is de absolute druk daar? TORPEDO, januari 2010 13
Druk: samenvatting Definitie Eenheden Pascal Bar Atmosferische druk 1 bar Proef van Torricelli In functie van de hoogte Hydrostatische druk 1 bar per 10 m water Wet van Pascal Absolute druk Som van de atmosferische druk en de hydrostatische druk Fysica Hoofdstuk 2 Gassen en vloeistoffen TORPEDO, januari 2010 14
Fysische wetten: gassen Wx jxà ätç WtÄàÉÇ Fysische wetten: gassen: de wet van Dalton Lucht is een mengsel van gassen: 80% stikstof (N 2 ) en 20% zuurstof (O 2 ) (eigenlijk 78.1% N 2 + 1% Ar + 20.9% O 2, cfr BND-cursus) De totale luchtdruk is gelijk aan de som van de afzonderlijke gas-drukken TORPEDO, januari 2010 15
Fysische wetten: gassen : de wet van Dalton De Wet van Dalton Als twee of meer gassen, die met elkaar geen scheikundige reactie aangaan, zich in eenzelfde ruimte bevinden, dan is bij constante temperatuur de druk van het mengsel gelijk aan de som van de drukken die elk gas afzonderlijk zou hebben als het alleen in die ruimte was. De druk die elk gas afzonderlijk zou innemen in deze ruimte noemen we de partiële druk (pp) Toepassingen: decompressiemodellen, mengselduik, vergiftiging Fysische wetten: gassen : de wet van Dalton Partiële druk [bar] = Totale druk [bar] ** fractie gas gas [%] [%] Geheugensteuntje: T van Dalton : Partiële druk [bar] Totale druk [bar] Fractie gas [%] TORPEDO, januari 2010 16
Fysische wetten: gassen : rekenoefening Wat is de partiële druk van zuurstof op 37 m met standaard perslucht? Met nitrox 32? Wat is de maximaal toegelaten duikdiepte met lucht als je rekening houdt met de maximaal toegelaten partiële druk van zuurstof = 1,4 bar? Zelfde begrenzing: wat is het optimale nitroxmengsel om te duiken op een diepte van 37 m? Bepaal de partiële druk van helium op 80 m van volgend mengsel : O 2 (15%) - N 2 (44%) - He (41%). Wat bedraagt de ppn 2? Wat is de equivalente stikstofdiepte (lucht)? Fysische wetten: gassen Wx jxà ätç UÉçÄx @ `tü Éààx TORPEDO, januari 2010 17
Fysische wetten: gassen: de Wet van Boyle-Mariotte Een luchtvolume dat ondergedompeld wordt, verkleint in dezelfde verhouding als de toename van de druk. Fysische wetten: gassen : de Wet van Boyle-Mariotte De wet van Boyle-Mariotte Bij constante temperatuur is het volume van een bepaalde hoeveelheid gas omgekeerd evenredig met de druk Druk [bar] x Volume [liter] = Constante [barliter, joule] p x V = Cte Toepassingen: longoverdruk, luchtverbruik, luchtcompressor TORPEDO, januari 2010 18
Fysische wetten: gassen : de Wet van Boyle-Mariotte Diepte Druk Volume p xv= Cte 0m 1bar Lucht 10 l 1x10=10 10 m 2bar 1/2 =5l 2x5=10 20 m 3bar 1/3 = 3,3l 3x3,3=10 30 m 4bar 1/4 = 2,5l 4x2,5=10 40 m 5bar 1/5 = 2l 5x2=10 50 m 6bar 6 x 1,66 = 10 Fysische wetten: gassen : rekenoefening Een ballon heeft een volume van 2 liter en een inwendige druk van 1,5 bar. Wat is zijn volume op 30 m diepte? Op de duikplaats toegekomen blijkt mijn 12 l duikfles maar 60 bar te bevatten. Gelukkig heeft mijn buddy een dubbel 10 l set (bi) op 200 bar en een overtapdarm. Met welke vertrekdruk kunnen we gaan duiken? Mijn trimvest heeft een max. volume van 25 l. Op 35 m is ze met 14 l gevuld. Op welke diepte zal het overdrukventiel openen als ik stijg zonder lucht te laten ontsnappen? TORPEDO, januari 2010 19
Fysische wetten: gassen : de Wet van Boyle-Mariotte Opmerking: Een gevulde fles weegt meer dan een lege! => gassen hebben een bepaalde dichtheid Bij atmosferische druk en 0 C bedraagt de massa van 1 m³ lucht 1,29 kg Dichtheid (ρ) (ρ) van lucht = 1,29 kg/m3 = 1,29 g/l g/l Fysische wetten: gassen : de Wet van Boyle-Mariotte De tarra van je duikfles (staal, 10 l, 300 bar) is 15,2 kg. Wat weegt ze bij met de reserve van 50 bar erin? En gevuld tot 300 bar? Wat betekent dit voor je uitloding? TORPEDO, januari 2010 20
Fysische wetten: gassen : de Wet van Boyle-Mariotte Toepassing: longoverdruk Als de lucht niet uit onze long kan ontsnappen (spasme/gesperde luchtweg/ ) zullen onze longen eerst uitzetten tot een maximum. Verder uitzetten leidt tot longoverdruk! De drukveranderingen zijn (relatief) het grootst bij kleinere dieptes => de volumeveranderingen zijn daar ook het grootst. Dit kan reeds optreden vanaf 1,5 m diepte (zwembad)! Fysische wetten: gassen Wx jxà ätç Ztç @ _âáátv TORPEDO, januari 2010 21
Fysische wetten: gassen : de Wet van Gay-Lussac De wet van Gay-Lussac Bij constant volume is de druk van een hoeveelheid gas recht evenredig met zijn temperatuur in Kelvin Druk [bar] / Temperatuur [Kelvin] = Constante p / T = Cte (T = temperatuur in Kelvin = Temperatuur in C + 273) Toepassingen: drukstijging in fles in een warme auto in de zomer, drukdaling in fles indien afkoeling in water Fysische wetten: gassen : rekenoefening Op een zonnige dag (25 C) wijst mijn manometer 215 bar aan. Tijdens het te water gaan ben ik verbaasd te zien dat de druk nog maar 200 bar bedraagt. Hoe warm is het water? TORPEDO, januari 2010 22
Fysische wetten: gassen : de Wet van Boyle-Mariotte Toepassing: luchtverbruik Beschikbare lucht: afhankelijk van inhoud en druk duikfles Persoonlijk verbruik: afhankelijk van ervaring, geslacht, conditie, stress, configuratie, en watertemperatuur! Verbruik op diepte: evenredig met de diepte (Wet van Boyle-Mariotte) Nodige lucht: afhankelijk van persoonlijk verbruik, tijd en diepte, inspanning en veiligheidsmarge Fysische wetten: gassen : de Wet van Boyle-Mariotte Toepassing: luchtverbruik Indien je je persoonlijk verbruik niet kent neem dan als richtwaarde 20 l/min voor een standaard, niet inspannende duik We rekenen steeds met een reserve van 50 bar. Dit is niet de gekende duikreserve! Onze berekening heeft tot doel om met 50 bar de oppervlakte te bereiken. Tijdens de afdaling en de bodemtijd rekenen we met de druk op de maximale diepte Tijdens het stijgen (10 m/min) rekenen we met de druk op de maximale diepte Voor elke decompressietrap rekenen we met de traptijd en de druk op de trapdiepte TORPEDO, januari 2010 23
Fysische wetten: gassen : GOV Persoonlijk luchtverbruik Elke persoon heeft zijn persoonlijk luchtverbruik, dat we ook het Gemiddelde OppervlakteVerbruik (GOV) noemen (SAC = Surface Air Consumption) GOV = Luchtverbruik [liter] per minuut aan de oppervlakte Het GOV kan variëren van 10 l/min tot méér dan 30 l/min Bepaling: via duikcomputer of via specifieke duik Luchtverbruik op diepte = GOV x absolute druk (bar.liter) Fysische wetten: gassen : de Wet van Boyle-Mariotte Toepassing: Je duikt met een dubbelset 2x10 l op 200 bar en zou graag de hier voorgestelde duik uitvoeren. Ga uit van een verbruik van 20 l/min. Is dit mogelijk? Stel dat je persoonlijk luchtverbruik (GOV) 14 l/min bedraagt. TORPEDO, januari 2010 24
Fysische wetten: gassen : de Wet van Boyle-Mariotte Fysische wetten: gassen : de Wet van Boyle-Mariotte TORPEDO, januari 2010 25
Fysische wetten: gassen : de Wet van Boyle-Mariotte Toepassing: resultaat voor 20 l/min: Beschikbare lucht : 20 l x 200 bar: 4.000 barliter Rekenreserve : 50 bar x 20 l : -1.000 barliter Effectief beschikbare lucht: 3.000 barliter Dalen & bodem: p abs = 5,5 bar Verbruik : 5,5 bar x 20 l/min x 20 min: -2.200 barliter Stijgen: pabs = 5,5 bar Verbruik : 5,5 bar x 20 l/min x 4,5 min: - 495 barliter Trap1: p abs = 1,6 bar Verbruik : 1,6 bar x 20 l/min x 2 min: - 64 barliter Trap2: p abs = 1,3 bar Verbruik : 1,3 bar x 20 l/min x 7 min: -182 barliter Totaal verbruik: -2.941 barliter => Deze duik kan nipt uitgevoerd worden restdruk in de fles : (4.000 2.941) barliter / 20 liter = 53 bar Fysische wetten: gassen : de Wet van Boyle-Mariotte Toepassing: Hoelang kan je met een GOV van 20 l/min nog trappen maken op 3 m als je nog 50 bar hebt in een 15 l fles? Kan ik met mijn 15 l fles gevuld op 180 bar onderstaande duik maken? (GOV=16). Kan ik een diepstop plannen (Pyle 1 minuut)? 2min 6m 5min 3m 20min 6min 32m TORPEDO, januari 2010 26
Fysische wetten: gassen : de Wet van Boyle-Mariotte 2min 6m 5min 3m 20min 6min 32m Fysische wetten: gassen : de Wet van Boyle-Mariotte 2min 6m 5min 3m 20min 6min 32m TORPEDO, januari 2010 27
Fysische wetten: gassen : de Wet van Boyle-Mariotte 2min 6m 5min 3m 20min 6min 32m Fysische wetten: gassen: samenvatting Wet van Dalton Definitie Toepassingen Begrip partiële druk T van Dalton Wet van Boyle-Mariotte Definitie Toepassingen Barliter Luchtverbruik: rekenregels en GOV Wet van Gay Lussac Definitie Toepassingen Kelvin Opmerking: dit zijn ideale gaswetten, d.w.z. de wetten waar IDEALE GASSEN aan voldoen TORPEDO, januari 2010 28
Fysische wetten: ideale versus echte gassen Ideale gaswet: p * V = n*r*t met p (atm), V (liter), T (Kelvin), n (gashoeveelheid in mol), R (ideale gasconstante 0.08206 atm/mol/k) Geldt alleen voor ideale gassen, d.w.z. enkelvoudige gassen, zonder interactie (ook niet fysisch in de zin van aantrekking/afstoting) tussen de gasdeeltjes en zonder eigen volume van de gasdeeltjes. Echte gassen: wel fysische interactie en wel eigen volume en de Ideale Gaswet is dus slechts bij benadering geldig en alleen maar redelijk nauwkeurig bij ultralage drukken (veel kleiner dan 1 atm) Johannes van der Waals (1837-1923, kreeg in 1910 de Nobelprijs voor Natuurkunde) Correcties voor eigen volume en aantrekkingskrachten tussen gasdeeltjes: Fysische wetten: echte gassen van der Waals-wet TORPEDO, januari 2010 29
Fysische wetten: vloeistoffen Wx jxà ätç TÜv{ Åxwxá Fysische wetten: vloeistoffen : de Wet van Archimedes Proef: een voorwerp dat wordt ondergedompeld in water wordt schijnbaar lichter Dit verschil tussen het werkelijke gewicht en het schijnbaar gewicht noemen we de opwaartse stuwkracht TORPEDO, januari 2010 30
Fysische wetten: vloeistoffen : de Wet van Archimedes De wet van Archimedes Een lichaam, ondergedompeld in een vloeistof, ondergaat een opwaartse stuwkracht gelijk aan het gewicht van de verplaatste vloeistof. Toepassingen: Uittrimmen met jacket Gebruik van de loodgordel, extra lood voor zoutwater Noodstijging met het reddingsvest Fysische wetten: vloeistoffen : de Wet van Archimedes Fysische verklaring We dompelen een flinterdunne gewichtloze met water gevulde kubus van 1m x 1m x 1m onder water het water in de kubus is hetzelfde, het water errond blijft hetzelfde de kubus blijft op zijn plaats zwaartekracht/gewicht trekt de kubus naar onder zijdelingse waterdruk heeft netto geen effect iets werkt tegen en houdt dat water/kubus op zijn plaats waterdruk onderkant drukt meer omhoog dan dat de waterdruk bovenaan omlaag drukt netto opwaarts en het verschil is het gewicht van het water in die kubus! vervang het water in die kubus door iets anders het effect van het water errond blijft hetzelfde, ttz opwaarts duwen a rato van het gewicht van het volume water TORPEDO, januari 2010 31
Fysische wetten: vloeistoffen : de Wet van Archimedes Korte berekening: - Gewicht van 1000 liter water = 9.81 * 1000 N oftewel ongeveer 10.000 N - Opwaartse kracht = verschil in druk beneden/boven maal oppervlak (1m2) -> Delta_P (bar) * 1 (m2) - Beiden zijn aan mekaar gelijk, dus Delta_P (bar) = 10000 N/m2 = 0.1 bar - Oftewel: in water stijgt de waterdruk met 0.1 bar per meter dieper, of met 1 bar per 10 meter dieper Fysische wetten: vloeistoffen : de Wet van Archimedes We kunnen volgende toestanden onderscheiden: 1. Zinken = zwaarder dan water Werkelijk gewicht > opwaartse kracht (schijnbaar gewicht is positief) 2. Stijgen = lichter dan water Werkelijk gewicht < opwaartse kracht (schijnbaar gewicht is negatief) 3. Zweven = even zwaar als water Werkelijk gewicht = opwaartse kracht (schijnbaar gewicht is nul) 4. Drijven Zweven aan de oppervlakte Gewicht ondergedompelde deel = opwaartse kracht TORPEDO, januari 2010 32
Fysische wetten: vloeistoffen : dichtheid.. een opwaartse stuwkracht gelijk aan het gewicht van de verplaatste vloeistof => verschillende vloeistoffen hebben een verschillende massa en dus gewicht! Dichtheid ρ = massa gedeeld door volume (kg/m 3 ) water: verschil naargelang zoutgehalte dichtheid van zoet water = 1.000 kg/m³ dichtheid van zout water = 1.025 kg/m³ => extra lood in zout water (= 2.75% van je totale gewicht in zoetwater, ongeveer 3 kg voor iemand van een 70kg plus duikspullen) Fysische wetten: vloeistoffen : rekenoefening Wat ondervindt de grootste opwaartse stuwkracht: 1 dm³ lood of 1 dm³ hout? Een schip heeft een waterverplaatsing van 5.500 ton. Wat betekent dit? Verklaar aan de hand van de net geziene wet. Leg het verband uit tussen een versnelde opstijging en de wet van Archimedes. TORPEDO, januari 2010 33
Fysische wetten: vloeistoffen : rekenoefening Je anker, met een gewicht van 80 N en een volume van 1 l, bevindt zich op 37 m diepte. Je wenst met een hefballon het anker naar boven te sturen. Hoeveel bar kost je dit van je 15 l fles? Bij het begin van de duik (zoet water) moet ik op 3m diepte 2 liter lucht in mijn jacket blazen om perfect uitgetrimd te zijn. Op het einde van de duik (50 bar) ben ik op diezelfde 3m perfect uitgetrimd met een leeg jacket. Hoeveel was de begindruk van mijn dubbelset 10 l? Fysische wetten: vloeistoffen: samenvatting Wet van Archimedes Definitie Toepassingen Zinken Zweven - Drijven Dichtheid Definitie Zoet water versus zout water Toepassingen TORPEDO, januari 2010 34
Fysische wetten: gassen en vloeistoffen Wx jxà ätç [xçüç Fysische wetten: gassen en vloeistoffen: Wet van Henry Proef: in vloeistoffen kunnen niet alleen vaste stoffen (zoals suiker in water), maar ook gassen opgelost worden (zoals CO 2 in spuitwater). De hoeveelheid gas die in een vloeistof zal oplossen, wordt bepaald door de Wet van Henry Coolshots.be TORPEDO, januari 2010 35
Fysische wetten: gassen en vloeistoffen: Wet van Henry De Wet van Henry Bij constante temperatuur en bij verzadiging is de hoeveelheid opgelost gas in een vloeistof evenredig met de druk van dat gas in contact met die vloeistof. Toepassingen: Decompressieongeval Decompressiemodellen Fysische wetten: gassen en vloeistoffen: Wet van Henry Het oplossen/ontgassen is onderhevig aan de volgende invloedsfactoren : T : Temperatuur A : Aard van het gas A : Aard van de vloeistof R : Raakoppervlak T : Tijd TORPEDO, januari 2010 36
Fysische wetten: gassen en vloeistoffen: Wet van Henry Het gas opgelost in de vloeistof oefent een zekere druk uit binnen in deze vloeistof. Deze druk noemen we de spanning van het opgeloste gas of p og. De druk boven de vloeistof noemen we p. Fysische wetten: gassen en vloeistoffen: Wet van Henry Verzadiging Er is evenwicht tussen het opgeloste gas en het vrije gas. p = p og = p p og Onderverzadiging Als de uitwendige druk stijgt gaat de vloeistof gas oplossen naar een nieuwe evenwichtstoestand. p > p og + p p og Oververzadiging De druk van het vrije gas vermindert. Het opgeloste gas gaat uit de vloeistof treden om een nieuwe evenwichtstoestand te bereiken. p < p og - p p og TORPEDO, januari 2010 37
Fysische wetten: gassen en vloeistoffen: Wet van Henry Link met de duiksport: Tijdens het duiken ademen we lucht. Een deel van de zuurstof verbruiken we (stofwisseling). Het is het oplossen van stikstof dat ons aanbelangt. Ons organisme bestaat uit ca. 70% vloeistoffen, plus weefsels en vetten, die stikstof kunnen oplossen. Tijdens het duiken verhoogt de partiële druk van stikstof en zullen onze weefsels verzadigen naar een nieuwe evenwichtstoestand. Tijdens het stijgen moeten we zo stijgen dat het ontgassen (partiële druk van stikstof daalt) gecontroleerd gebeurt en geen belvorming optreedt. Fysische wetten: gassen en vloeistoffen: Wet van Henry Het begrip periode : Het oplossen van een gas in een vloeistof gebeurd door diffusie. Deze diffusie is niet ogenblikkelijk maar gebeurt eerst snel en verloopt daarna steeds trager en trager. Periode = De tijd die nodig is om een bepaalde vloeistof voor DE HELFT te verzadigen met een bepaald gas. (halfwaardetijd) Verzadigen gebeurt dus als volgt: 50%, dan 25% bij, dan 12,5%, dan 6,25%, dan 3,125%... Na 6 perioden veronderstellen we dat een vloeistof volledig verzadigd is. Ontzadigen gebeurt op dezelfde manier, al kan dit met een andere periode zijn dat het verzadigen. TORPEDO, januari 2010 38
Fysische wetten: gassen en vloeistoffen: Wet van Henry PERIODE % opgelost gas bij begin periode Nog op te lossen % Opgelost tijdens de periode % opgelost na de periode 1 0% 100% 100% x ½ = 50% 0% + 50% = 50% 2 50% 50% 50% x ½ = 25% 50% + 25% = 75% 3 75% 25% 25% x ½ = 12,5% 75% +12,5% = 87,5% 4 87,5% 12,5% 12,5% x ½ = 6,25% 87,5% + 6,25% = 93,75% 5 93,75% 6,25% 6,25% x ½ = 3,125% 93,75% + 3,125% = 96,875% 6 96,875% 3,125% 3,125% x ½ = 1,5625% 96,875% + 1,5625% = 98,4375% 100 Saturatie - en desaturatieverloop Saturatie in % van totale verzadiging 90 80 70 60 50 40 30 T =5 min. T =10 min. 20 10 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 tijd in minuten Fysische wetten: gassen en vloeistoffen: Wet van Henry Link met de duiksport: Ons lichaam wordt voorgesteld als een verzameling van weefsels (vloeistoffen) met verschillende perioden. TORPEDO, januari 2010 39
Fysische wetten: gassen en vloeistoffen: samenvatting Wet van Henry Definitie Toepassingen Factoren Toestanden Fysica Hoofdstuk 3 Waarneming TORPEDO, januari 2010 40
Fysica: waarneming Bij het duiken begeven we ons in een ander medium: water. Dit medium heeft een enorme impact op onze waarnemingen: Horen Zien Voelen Geluid Licht Temperatuur Fysica: waarneming: geluid Geluidssnelheid in de lucht = ± 340 m/s Geluidssnelheid in zoet water = ± 1.440 m/s (afhankelijk van de temperatuur) Lichtsnelheid: vacuum/lucht = 300.000.000 m/s TORPEDO, januari 2010 41
Fysica: waarneming: geluid Het geluid onder water beweegt zich ongeveer 4x sneller dan in de lucht en bereikt de oren bijna gelijktijdig. Het geluid komt ook ongeveer 4 x sterker door. Het geluid draagt dan ook veel verder in water dan in de lucht. Gevolg: zowel richting van als afstand tot de geluidsbron is niet of zeer moeilijk te bepalen. (bvb. lokaliseren van overvarende boten) Fysica: waarneming: Licht Licht In water is de lichtsnelheid ongeveer factor 1.3 lager dan in lucht of vacuum TORPEDO, januari 2010 42
Fysica: waarneming: Licht Lichtbreking Licht dat van het éne medium naar het andere overgaat wordt gebroken. Onze ogen zijn voorzien om licht te zien vanuit de omgeving lucht. Onder water is dit niet zo, en dragen we daarom een duikbril. Ook het dragen van een duikbril zorgt weer voor afwijkingen, aangezien er een extra breking water-lucht bijkomt Boven water : Medium1 = lucht Medium2 = oogvocht Onder water met duikbril: Medium1 = water Medium2 = lucht Medium3 = oogvocht Fysica: waarneming: Licht Lichtbreking Lichtstralen worden weerkaatst bij schuine inval onder een hoek gelijk aan de invalshoek Een lichtstraal uit het water onder een hoek van 48 45 zal niet uit het water treden Lucht Water Invalstraal 48 45 i i i = Invalshoek i = Weerkaatsingshoek r = Brekingshoek r Weerkaatste straal Gebroken straal TORPEDO, januari 2010 43
Fysica: waarneming: Licht Lichtbreking Alle voorwerpen onder water worden 1/3 groter dan werkelijk, alle voorwerpen lijken 1/4 korter bij dan werkelijk. Ons gezichtsveld vermindert met 25%. Fysica: waarneming: Licht Lichtabsorptie Water werkt als een kleurenfilter. De warmste kleuren verdwijnen het eerst, op diepte blijft enkel blauw over. De selectieve absorptie gebeurt in functie van de afstand dat het licht moet afleggen (<> diepte) Gebruik duiklamp 10 20 30 40 50 60 Infrarood Rood Oranje Geel Groen Blauw Violet R O G G B I V Ultraviolet TORPEDO, januari 2010 44
Fysica: waarneming: Licht Fysica: waarneming: Licht Lichtverstrooiing Wanneer een lichtbundel invalt op een verzameling van kleine deeltjes dan zal dit licht verstrooid worden: 1. RALEIGH : Deeltjes golflengte van het licht: Verstrooiing is omgekeerd evenredig met de vierde macht van de golflengte Blauw licht wordt 12 maal zo sterk verstrooid dan rood licht Voorbeelden : Middellandse Zee, blauwe lucht, rode zonsondergang 2. TYNDALL : Deeltjes > golflengte van het licht: Deeltjes : plankton, zweefvuil, Verstrooiing is minder afhankelijk van de golflengte Eerder groene kleur Voorbeeld : de Noordzee TORPEDO, januari 2010 45
Fysica: waarneming: temperatuur Warmtegeleiding Water geleidt veel beter de warmte dan lucht. Daardoor zullen we ook veel sneller afkoelen in het water. Bij water van 21 C of minder kan een mens niet voldoende warmte produceren om de verliezen te compenseren: Onderkoeling of hypothermie Gebruik van thermisch isolerende duikpakken (neopreen: natpak (half) droogpak, neopreen/trilaminaat: droogpak) Fysica: waarneming: temperatuur Watertemperatuur Water heeft zijn grootste dichtheid bij ca. 4 C. Dit wil zeggen dat 1 liter water bij deze temperatuur het zwaarst is. Gevolgen: IJs drijft en ijsbergen drijven Op grote diepte is de temperatuur van het water 4 C TORPEDO, januari 2010 46
Fysische wetten: waarneming: samenvatting Geluid 4 x sneller Weinig afgezwakt Licht Breking en weerkaatsing: 1/3 groter, 1/4 dichterbij Absorptie Verstrooiing Raleigh Tyndall Temperatuur Geleiding : snelle afkoeling Grootste dichtheid bij 4 C Fysica Einde TORPEDO, januari 2010 47