Samenstelling van de ingeademde lucht: Stikstofgas N 2 78% Zuurstofgas O 2 21% Rest 0,97% Koolzuurgas CO 2 0,03% 100% De Lucht N2 O2 Samenstelling van de uitgeademde lucht: Stikstofgas N 2 78% Zuurstofgas O 2 17% Rest 0,97% Koolzuurgas CO 2 4,00% 100% N2 O2 CO2 Ca. 4% zuurstof wordt verbrand tot koolzuurgas of koolstofdioxide. Ook is de uitgeademde lucht bevochtigd, maar dit werd hier buiten beschouwing gelaten. Voor ons: samenstelling van de lucht 20% Zuurstof, 80% Stikstof. De rol van de gassen: N 2 of stikstofgas Is inert en wordt niet verbruikt door het lichaam Is nodig om het zeer reaktieve zuurstof te verdunnen Lost zeer goed op in bloed en weefsels (vooral vetten); is daarom van groot belang voor de decompressie. O 2 of zuurstofgas Is nodig voor de verbranding die ons in leven houdt Te weinig zuurstof (hypoxie) veroorzaakt bewuszijnsverlies, te veel zuurstof (hyperoxie) veroorzaakt longverbranding of zelfs stuipen. Lost slecht op in bloed en in weefsels en wordt door het lichaam snel verbruikt. Het is daarom onbelangrijk voor de decompressie. Om het bloed voldoende zuurstof te kunnen transporteren bevat het Haemoglobine (Hb). Zuurstofrijkbloed is dan helderrood gekleurd. CO 2 of koolstofdioxide (koolzuurgas) Is het afvalproduct van de verbranding in de cellen Veroorzaakt de ademprikkel. Teveel CO 2 veroorzaakt een hijgtoestand. Zie ook het buiten adem zijn. bindt zich net als zuurstof aan de Haemoglobine in het bloed en kleurt het dan donkerrood. Philippe Mertens Fysica 2* Lucht 1
Definitie: Druk is kracht per eenheid van oppervlakte P=F/A Stel u voor dat de kracht F gelijkmatig over het oppervlak A verspreid wordt. Eenheid: Druk (p) Newton/m² = Pascal (Pa) Aangezien Pascal een zeer kleine eenheid is wordt vaak gebruik gemaakt van: Bar 1 Bar = 100 000 Pa Atmosfeer (Atm) 1 Atm = 101 325 Pa kg/cm² 1 kg/cm² = 98 100 Pa Soorten druk: p Atm : De atmosferische druk Door het gewicht van de lucht veroorzaakt de atmosfeer een druk p Rel : De relatieve druk Door het gewicht van het water veroorzaakt het de waterdruk, hydrostatische druk of relatieve druk p Abs : De absolute druk Een duiker ondervindt de totaledruk; het gewicht van de lucht en van het water drukken op de duiker. p Atm = 1 Atm 1 Bar Bij het stijgen in de bergen daalt de luchtdruk met ca 0.1 bar/1000m stijging tot zo n 5000 m altitude p Rel = 1 Bar/10m Zout water is zwaarder en de druk zal er dus iets meer stijgen/10 m p Abs = p Atm + p Rel Druk: berekenen van de druk 1. Bereken de hydrostatische en absolute druk op volgende diepten: 3 m, 10 m, 15 m, 21 m, 30 m 45 m 60 m, 235 m, 11034 m. 2. op welke diepten heb ik een absolute, relatieve druk van : 1 bar, 2 bar, 3 bar, 4 bar, 5 bar, 1.6 bar, 2.16 bar & 0.85 bar? 3. Als onze longen slechts een overdruk van 0.15 bar kunnen verdragen, vanaf welke diepte riskeren we dan een longoverdruk bij het stijgen naar de oppervlakte? Philippe Mertens Fysica 2* Druk 1
De Wet Boyle & Mariotte Bij constante temperatuur is het volume van een bepaalde hoeveelheid gas omgekeerd evenredig met de druk. Bij constante temperatuur is het product van druk en volume van een bepaalde hoeveelheid gas constant P x V = cte Merk op dat net zoals de relatieve drukverandering het volume ook sterk verandert tussen 0 en 10 meter en hoe dieper we duiken, hoe kleiner de volumeverandering. Fysica 2* Boyle & Mariotte 1
2. Toepassingen in de duiksport 2.1 Alle barotraumatismen Zie cursus ongevallen 2.2 Definitie: Uitzetten (krimpen) van gassen tijdens het stijgen (dalen) Hierbij is het eenvoudig om twee toestanden te beschouwen: Toestand 1 op diepte 1 waar de druk p 1 en het volume V 1 zijn Toestand 2 na het stijgen of dalen op diepte 2 waar de druk p 2 en het volume V 2 zijn. Omdat het product p x V constant blijft kunnen we stellen: p 1 x V 1 = p 2 x V 2 Vb. Een ballon met een volume van 6 liter op 10 meter diepte wordt naar 20 meter gebracht. Welk volume zal de ballon op 20 meter hebben? Oplossing: Toestand 1: p1 = 2 bar (-10 m), V1 = 6 l Toestand 2: p2 = 3 bar, V2 =?? De vergelijking: 2 x 6 = 3 x V2 V2 = 12/3 = 4 l 2.3 De hoeveelheid gas bepalen De hoeveelheid gas is het volume dat een gas inneemt bij een druk van 1bar. Als in een fles de druk van 1 bar (atmosferische druk) verhoogd wordt tot 2 bar, dan is de hoeveelheid gas in die fles ook verdubbeld. De hoeveelheid gas Q is dus het produkt van druk p en volume V. p x V = Q de hoeveelheid gas wordt uitgedrukt in barliter of afgekort barl. Vb. Bereken de hoeveelheid gas in een 12 liter duikfles, gevuld op 200 bar Oplossing: Q = p x V = 200 x 12 Q = 2400 barl 2.4 Lucht overhevelen Indien we een volle en een lege fles met een drukslang verbinden en we draaien beide kranen open, dan zal er lucht van de volle naar de lege flessen stromen totdat ze allebei op gelijke druk staan. Als de volle fles groot is en de lege fles klein dan zal de druk in de volle fles maar weinig dalen terwijl de druk in de lege fles sterk zal toenemen. Fysica 2* Boyle & Mariotte 2
2.5 Luchtverbruik Hoe dieper we duiken, hoe meer lucht één ademteug bevat. We hebben immers 10 liter lucht nodig om een long met 5 liter inhoud te vullen op 10 meter diepte (2 bar). Het luchtverbruik is dus evenredig met de diepte: Op 10 meter diepte verbruiken we dubbel zoveel als aan de oppervlakte. Op 20 meter diepte verbruiken we driemaal zoveel als aan de oppervlakte. Op 30 meter diepte verbruiken we vier maal zoveel als aan de oppervlakte. Op 40 meter diepte verbruiken we vijf maal zoveel als aan de oppervlakte. 2.6 Dikte van het duikpak Het duikpak is gemaakt van neopreen: dat is rubber met gasbelletjes in. De gasbelletjes zorgen voor de thermische isolatie. Door de druk tijdens de duik worden de gasbelletjes samengedrukt en wordt het pak dunner. Dit heeft drie gevolgen: Het pak heeft minder volume door de verhoogde druk en dus ook minder drijfkracht. Het volume dat het pak verliest zullen we in het jacket moeten blazen om uitgetrimd te blijven. (Archimedes) De isolatiewaarde van het pak neemt ook af met de toenemende druk waardoor men sneller koud krijgt. De loodgordel en instrumenten aan de pols komen los te zitten zodat het gevaar bestaat ze te verliezen. Uiteraard is het rubber zelf niet samendrukbaar zodat de dikte van het pak niet juist omgekeerd evenredig is met de druk. Fysica 2* Boyle & Mariotte 3
3. Oefeningen 3.1 Definitie 1. Een ballon van 10 liter wordt op 10 meter gebracht. Welk volume heeft de ballon nu? En op 20, 30 en 40m? 2. Van welke duikongevallen ligt de wet van Boyle & Mariotte aan de basis? Geef 5 voorbeelden. 3. Een vrijduiker (zonder duikfles) heeft een longinhoud van 6 liter en duikt naar 30 meter. Welke longvolume heeft hij op die diepte? 3.2 Hoeveelheid gas & vulproblemen 1. Een 12 literfles wordt gevuld op 200 bar. Hoeveel lucht bevat die fles? 2. Bereken de hoeveelheid lucht van een 12 literfles op reserve ( 50 bar ). 3. Hoeveel lucht bevat het flesje van het reddingvest (volume 0.5 l, druk 200 bar)? 4. Een bi 2*9 liter mag gevuld worden op 176 bar. Hoeveel lucht mag hij bevatten. 5. Een duiker vult met z'n mono 12 l aan 200 bar het flesje van z'n Fenzy ( 0.5 1 ). Hoeveel heeft hij na het vullen nog In zijn fles? 3.3 Luchtverbruik normaal 20 l/min 1. Hoelang kan de gemiddelde duiker met een volle 12 literfles op 10 m verblijven? En op 20m, 30 m. Hoelang is dat als je een reserve van 50 bar wil overhouden in je fles? 2. Hoelang kan een geoefend duiker die 12 l/min verbruikt verblijven op 10 m met een bi van 2*10 liter, gevuld op 200 bar. Hij laat 50 bar reserve in de fles. 3. Hoeveel heeft de duiker verbruikt ( l/min) die op 10 m zijn 12 1 fles, gevuld op 200 bar tot de reserve ledigde op één uur? Fysica 2* Boyle & Mariotte 4
De wet van Archimedes Enkele begrippen Waterverplaatsing: een voorwerp dat ondergedompeld wordt neemt een volume in waar het water weg is. De waterverplaatsing is bijgevolg het volume van het voorwerp dat ondergedompeld wordt. Soms wordt met waterverplaatsing het gewicht van het verplaatste water aangeduid Reëel gewicht: is het gewicht van een voorwerp in de lucht (vacuüm) Zwaartepunt: is het aangrijpingspunt van het Reëel gewicht. Schijnbaar gewicht: is het ondergedompeld gewicht van het voorwerp. Opwaartse stuwkracht is de kracht waarmee het water het ondergedompeld voorwerp naar boven duwt Perspunt: is het aangrijpingspunt van de opwaartse stuwkracht De wet van Archimedes Een lichaam, ondergedompeld in een vloeistof, ondergaat een opwaarts gerichtte stuwkracht gelijk aan het gewicht van de verplaatste vloeistof. Fysica 2* De wet van Archimedes 1
Verklaring 1 e manier: De opwaartse druk op de onderkant van het lichaam is groter dan de neerwaartse druk op de bovenkant. Het verschil is de opwaartse stuwkracht. Om dit aan te tonen veronderstel volgend voorbeeldje: Een balk heeft een grondvlak van 10 x 10 cm en is 15 cm hoog. Zijn volume is dus 1,5 liter en hij weegt 2 kg. De bovenkant van de balk bevindt zich op een diepte van 10 cm en de onderkant op 25 cm. De kracht op de bovenkant is F = p x A = 0,01 x 100 = 1 kg De kracht op de onderkant is F = p x A = 0,025 x 100 = 2,5 kg Het verschil is dus een opwaartse kracht van 1,5 kg 2 e manier: Veronderstel op 10 cm diepte in een bad water een volume van water dat de afmetingen van een balk heeft. De balk met water is in het water gewichtloos en weegt dus schijnbaar 0 kg. Eigenlijk weegt de balk met water 1,5 kg. De echte balk die dezelfde afmetingen heeft zal dus ook 1,5 kg lichter wegen Gevolg Een ondergedompeld lichaam zal gaan: Zinken als de opwaartse stuwkracht kleiner is dan het gewicht Zweven als de opwaartse stuwkracht gelijk is aan het gewicht Stijgen als de opwaartse stuwkracht groter is dan het gewicht Drijven een stijgend lichaam zal aan de oppervlakte gaan drijven. Uiteindelijk zal er slechts een gedeelte van het voorwerp nog onder water zijn totdat de opwaartse stuwkracht gelijk is aan het gewicht. Toepassingen in de duiksport: Ze hebben vooral betrekking op het gewicht van de duiker te corrigeren. De gewichtsvermindering onder water. Alle voorwerpen verliezen door de stuwkracht heel wat kilo s. Dat geeft de duiker het aangename gevoel van gewichtloosheid. Ook van het gewicht van de zware duikflessen is onder water niets meer te merken. Het uitloden: door lood toe te voegen stijgt het gewicht veel meer dan het volume. Het Reëel gewicht neemt dus toe en het volume (dus de stuwkracht) bijna niet. De duiker zal dus zwaarder worden. Uitloden in zoet en zout water. Zout water weegt gemiddeld per liter 25 gram meer dan zoet water. (Rode zee 40 gram, middellandse zee 36 gram). Een in zoet water uitgetrimde duiker weegt met volledige uitrusting zo n 100 kg en heeft dus een volume van 100 liter. Hij zal dus 100 x 0,025 kg of 2,5 kg moeten toevoegen aan zijn loodgordel. In de rode zee zelfs 4 kg. Het uittrimmen: door lucht in het trimvest te blazen neemt het volume (dus de stuwkracht) toe en het gewicht niet. De duiker zal dus lichter worden. Het gebruik van een hefballon: Door een hefballon te bevestigen aan een zwaar voorwerp en hem op te blazen, zal het voorwerp lichter worden en beginnen te stijgen. Fysica 2* De wet van Archimedes 2
Opgelet! De snelheid waarmee een voorwerp zinkt of stijgt is niet altijd Archimedes; Vaak is de wrijving bepalend voor de snelheid van zinken of stijgen. Bijvoorbeeld bij verticale houding daal je veel sneller dan bij horizontale. Oefeningen 1. Een schip heeft een waterverplaatsing van 10 ton. Wat wil dat zeggen? 2. Hoeveel water verplaatst een duikboot van 1000 ton? Hoe groot is hij ongeveer? 3. Bereken de opwaarts gerichte stuwkracht van de twee voorgaande oefeningen. 4. Een duikfles weegt 16kg en heeft een volume van 14 liter. Hoeveel weegt deze fles in het water? 5. Een ijzeren anker weegt 80 kilo en heeft een volume van 10 liter. Hoeveel weegt dat anker onder water? 6. Aan de oppervlakte ben ik goed uitgelood, maar op 40 meter moet ik 6 liter lucht In mijn vest blazen. Hoeveel zwaarder ben ik geworden? Van waar komt deze gewichtstoename? 7. Indien ik het anker van oef 5 met een ballon wil boven halen wat moet dan zijn volume minstens zijn? 8. Een aangeklede duiker weegt l00 kg en heeft een volume van 110 liter. Hoeveel lood moet hij aan doen in zoet respectievelijk zout water? 9. Los oefening (druk berekenen 6) op met de wet van Archimedes. 10. In de put te Opprebais staat een duikklok met een volume van 2m³. Met Welke kracht houdt de bevestiging de klok beneden? Ik wil een identieke klok in het zilvermeer installeren en bevestigen op de bodem met een betonblok. Welk volume moet het betonblok hebben Indien Ik nog 200kg overschot wil. Fysica 2* De wet van Archimedes 3
Enkele Begrippen: De Wet van Henry Oplosbaarheid: is het aantal gram stof die bij een bepaalde temperatuur kan worden opgelost in één liter van een vloeistof Verzadiging of saturatie: is de toestand waarbij de maximale hoeveelheid stof is opgelost zodat de oplossing vol zit. Onder-verzadiging: er is minder gas opgelost dan er aanwezig is boven de vloeistof. De vloeistof zal verzadigen. Verzadigen: er komen meer gasdeeltjes in de oplossing dan dat er uit gaan. Over-verzadiging: er is meer gas opgelost dan er aanwezig is boven de vloeistof. Ontzadigen: er gaan meer gasdeeltjes uit de oplossing dan dat er in komen. Men zegt dat de koffie vol zit met suiker; alles wat erbij komt blijft op de bodem liggen en lost niet meer op Toch lijkt het extra klontje zich te verspreiden over de bodem. Waarvan is de oplosbaarheid afhankelijk? Soort gas: sommige gassen lossen beter op dan andere. Vb stikstof lost goed op in bloed, zuurstof niet Soort vloeistof: uiteraard lost één bepaald gas beter op in de éne vloeistof dan in de andere Temperatuur: Druk hoe hoger de temperatuur, hoe beter vaste stoffen oplossen, maar hoe slechter gassen oplossen! Denk aan de vissen in een aquarium die het opgeloste zuurstof nodig hebben om te ademen. In warm water zit zeer weinig zuurstof opgelost en de vissen zullen stikken Wet van Henry: Hoe hoger de druk, hoe meer gas er oplost 2* Duiker Fysica Henry 1
Waarvan is de hoeveelheid opgelost gas afhankelijk? voor ons is de stikstof bepalend voor de decompressie; die lost immers goed op en de eventuele zuurstof die vrijkomt wordt door de cellen verbruikt. Helium in het TRIMIX mengsel lost nog beter op dan stikstof en is voor deze toepassing vaak bepalend voor de decompressie. Soort vloeistof: In principe noemen we dit het weefsel omdat het niet uit één enkele vloeistof bestaat. De oplosbaarheid in ieder weefsel is verschillend. Zo lost stikstof zeer goed op in vetweefsel (Bezwarende factor). Temperatuur: Hoe hoger de temperatuur, hoe minder gas er oplost. Ondanks dat de lichaamstemperatuur ongeveer constant blijft, is het toch gevaarlijk om een heet bad of een sauna te nemen na de duik (Bezwarende factor) Druk: Hoe groter de druk, hoe meer er oplost. Dit is de wet van Henry Raakoppervlak: Hoe groter het raakoppervlak, hoe sneller het gas oplost in de vloeistof en hoe meer er zal opgelost zijn in een welbepaalde tijd. In het lichaam kan men het raakoppervlak beschouwen als de fijnheid van het cappilairweefsel en de bevloeiing (perfusie) van dat weefsel. Bij inspanning vergroot de bloeddruk, versnelt de bloedstroom en dus de bevloeiing van het weefsel zodat het oplossen versnelt. Tijd: Hoe langer men op druk is, hoe meer stikstof er oplost. Tijd is zeer bepalend voor de hoeveelheid opgeloste stikstof (zie tabel). Er zijn snelle en trage weefsels; in een snel weefsel zal de verzadiging snel terwijl in een traag weefsel dat zeer lang duurt Dit wordt opgegeven door de periode T van het weefsel. Soort gas: 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 Verklaring Veronderstel een cilinder, deels gevuld met water, deels met gas. Het geheel wordt afgesloten door een beweegbare zuiger. Door het contact met het gas is het water verzadigd met gas in oplossing. De druk van het opgeloste gas p og is gelijk aan de druk van het gas p g in contact met het water. Wanneer we de zuiger naar beneden drukken stijgt de druk van het gas. Je kan je nu voorstellen dat de gasmoleculen als het ware in de vloeistof gedrukt worden, alwaar een kleinere gasdruk heerst. Indien de zuiger in deze positie blijft staan zal er zich na een zekere tijd terug een evenwicht instellen als het water opnieuw verzadigd is aan gas met de nieuwe druk. 2* Duiker Fysica Henry 2
Verzadigd Voor het duiken Evenveel gas oplossen als afstaan aan de omgeving Verzadigen Tijdens het afdalen, verblijf op de bodem en begin opstijging Meer gas opnemen als afstaan door stijging van de omgevingsdruk DIFFUSIE Ontzadigen Tijdens het opstijgen, na de duik Meer gas afstaan aan de omgeving dan oplossen DECO Bij het te snel stijgen of niet respecteren van de tabellen Gas-evacuatie door belvorming: te groot drukverschil (Gradiënt) tussen omgeving en in oplossing BELLEN Toepassingen in de duiksport Het gedrag van gassen voor, tijdens en na de duik en de oorzaak van het decompressieongeval Verklaring van enkele bezwarende factoren De berekening van duiktabellen en duikcomputer De tabel van Workman Caisson behandeling bij CO-vergiftiging 2* Duiker Fysica Henry 3
Licht & geluid onder water 1. Lichtbreking Onder water lijkt alles groter en dichterbij dan het in werkelijkheid is; namelijk 1/3 groter en ¼ dichter bij. De oorzaak hiervan is dat het licht dat door een voorwerp weerkaatst wordt onder water (opdat wij het zouden kunnen zien) lichtjes gebroken wordt aan het glas van de duikbril. Dit omdat de lichtstraal over gaat van een optisch dichte stof (water) naar een ijle stof (lucht). Hierdoor hoor je wel eens straffe dingen vertellen i.v.m. hoe groot de geziene vis wel was. Ook is het soms moeilijk in helder water een afstand te schatten; het is verder dan je verwacht. Als je eens naast de ankerlijn grijpt ben je dus niet per-sé diepzeedronken. Bijkomend kan je opmerken dat je gezichtsveld door de duikbril al begrensd wordt en door de lichtbreking nog eens extra. Hierdoor is het noodzakelijk om goed rond te kijken alvorens oppervlakte te maken. 2. Licht adsorptie Water adsorbeert licht maar niet elke kleur evenveel. Aangezien water een licht blauwe kleur heeft kan je je voorstellen dat de blauwe kleur wordt doorgelaten en niet geadsorbeerd. Dit noemt men de selectieve kleurenadsorbtie (niet elke kleur even veel). Een blauwe folie laat ook enkel het blauw ongewijzigd en de andere kleuren veranderen. Leg maar eens een blauwe folie op een kleurenfoto. Je kan je eveneens voorstellen dat het effect nog merkbaarder wordt indien je twee blauwe folies opeen op de foto legt; zo zal ook de kleurwijziging groter worden hoe dieper we duiken. Om de kleuren te kunnen bewonderen nemen we dus steeds een goede duiklamp mee. 3. Geluid Het lokaliseren van een geluid gebeurt op basis van het tijdsverschil waarbij een geluid in het linker en rechter oor worden waargenomen. Een geluid dat rechts eerst wordt waargenomen zal ook rechts van ons bevinden. Hoe groter het tijdsverschil hoe meer naar rechts. Deze omzetting van tijdsverschil naar positie gebeurt in de hersenen en hebben we als peuter geleerd. Onder water gaat het geluid ongeveer 5 maal sneller en het tijdsverschil is daardoor steeds zeer klein. Te klein om nog een juiste plaatsbepaling te kunnen doen. Opgelet dus met bootmotoren! Fysica 2* Licht & Geluid 1