Fyzika pro potápěče Jednotky měření dle mezinárodního systému SI – odvozené 1. Délka – metr (m) (v USA palec inch 2,54 cm stopa feet 30,5cm) Hmotnost - kilogram (kg) libra 0,453 kg 2. Síla F Newton (N ) F = m a ( kg. m /s ^2 ) Tíhová síla- tíha G = m g g= tíhové zrychlení 9,8 m/s^2 3. Hustota r = [ kg /m^3 , g/cm^3] Sladká voda 1000 Slaná voda 1030 Vzduch 1,25 4. Tlak p Pascal (Pa) p = ( N/ m^2 ) atmosférický tlak je 100 kPa = 0,1 MPa =1 atm = 1 bar = 1 kp/cm^2 při hladině moře ( v USA často používaná jednotka PSI 1lb/inch^2 = 7kPa) a/ hydrostatický tlak p = r g / h – hloubka v metrech , r hustota g-tíhové zrychlení Tlak způsobený vlastní tíhou tekutiny,nezávisí na množství kapaliny ani na tvaru nádoby- Hydrostatické paradoxon Přírustek hydrostatického tlaku na 10 m = 1 atm Hloubkoměry jsou cejchovány většinou na moře, ve sladké vodě ukazuje hloubkoměr menší hloubku, než je ve skutečnosti ( Hustota sladké vody je menší, tudíž k dosažení stejného hydrostatického tlaku je zapotřebí větší hloubky b/ vnější tlak tlak vyvolaný účinkem okolních těles na volný povrch tekutiny V případě zeměkoule je vnějším tlakem tlak atmosferický Pascalův zákon: Vnější tlak je v celém prostoru tekutiny stejný c/ Celkový-statický tlak = hydrostatický tlak + vnější-atmosferický tlak Tzn. např v 10m hloubky= 1atm + 1 atm = 2 atm = 0,2 MPa Při zanoření potápěče pod vodu dochází ke zvýšení tlaku v tělních tekutinách na hodnotu statického tlaku zvýšenou samozřejmě o hodnotu krevního tlaku- toto je v praxi zanedbatelné ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI KAPALIN Tekutost- mění tvar , ale nemění objem Tvar je daný tvarem nádoby a na volném povrchu tvoří hladinu Nestlačitelnost ( minimální stlačitelnost) na rozdíl od plynů ( na 1 km vodního sloupce cca 2m- tj 0,2% na 10km vodního sloupce cca 200m-tj.2%) [ lidské tělo je složeno z 65% z vody- tj.je nestlači telné, vyjma dutin naplněných plynem] Viskozita- vazkost, Tvorba kapek Plavání těles Na tělesa ponořená do kapaliny působí síla směřující vzhůru a nadlehčující těleso- Vztlaková síla F[VZ] = V r g Naopak působí síla směřující dolů - tíha tělesa Tíha G = m g Archimédův zákon: Těleso ponořené do kapaliny je nadlehčováno silou rovnající se tíze kapaliny tělesem vytlačené Výsledná síla VZTLAK = F vz – G A/ Vztlaková síla je větší než tíha F vz > G Těleso stoupá , VZTLAK je pozitivní B/ Vztlaková síla se rovná tíze F vz = G Těleso se vznáší, síly jsou v rovnováze C/ Vztlaková síla je menší než tíha F vz < G Těleso klesá , VZTLAK je negativní Možnost řešení porovnáním hustot r A/ Hustota kapaliny je větší než hustota tělesa B/ Hustota kapaliny je stejná jako hustota tělesa C/ Hustota kapaliny je menší než hustota tělesa U plovoucích těles se vztlaková síla počítá pouze z objemu ponořené části, kdežto tíha z hmotnosti celého tělesa. Topící se neplavec křičí- změnšuje si objem těla, zvyšuje si hustotu a snižuje vztlakovou sílu. Dále zvedáním paží nad hladinu se zmenšuje jeho objem, zase tedy i vztlaková síla a je tlačen pod vodu tíhou horních končetin Tělesem ponořeným do kapaliny může být i jiná kapalina A/ mořská slaná voda ve sladké vodě : Slaná je hustší, drží se při dně a může být i teplejší ( po bouři a dešti či vývěru sladké vody je na hladině vrstva vody sladké a chladné. Přechod slané a sladké vody je HALOKLINA voda se nazývá BRAKICKÁ – prostředí opticky nebezpečné, potápěč vidí silně rozmazaně. B/ voda s rozdílnou teplotou Největší hustotu má voda 4st Celsia. Voda chladnější i teplejší má menší hustotu. ANOMÁLIE VODY V důsl.tohoto vodní plochy nezamrzají až na dno. Na dně našich vod je celoročně min.teplota 4 st Celsia. Při potápění pod ledem – led 0 a postupně se voda ohřívá až na 4 st . Dekomprese pod ledem je prováděna vždy v nejchladnější vodě. Mořská voda díky rozpuštěným solím může dosahovat až záporných hodnot -2st Celsia (Titanic) Ostré teplotní rozhraní různě teplých vrstev vody TERMOKLINÁLA OSMOZA Jev daný podílem rozpuštěných látek ve vodě. Čím je větší podíl solí např. v mořské vodě, tím je větší osmotický tlak a naopak. Destilovaná voda: Osmotický tlak 0 MPa Krev, tělní tekutiny: 0,6 MPa Mořská voda: 2 – 3 MPa Přes polopropustnou membránu ( plicní sklípek) je průnik vody z roztoku o nižším osmotickém tlaku do prostředí s vyšším osmotickým tlakem. ŘIDŠÍ kapalina ředí HUSTŠÍ kapalinu Tonutí ve sladké vodě: Voda se z plic vstřebává do krve a způsobí hemolýzu krvinek Tonutí ve slané vodě: Voda v plicích nasává krev z cév a způsobí otok plic MECHANIKA PLYNU Plyn, která nás nejvíce zajímá je VZDUCH. Vzdušný obal okolo země ATMOSFÉRA Následkem vlastní tíhy vzduchu vzniká ATMOSFÉRICKÝ TLAK U hladiny moře 1 atm = 100 kPa 1000m n m = 88 kPa 3000m n m = 69 kPa Složení atmosférického vzduchu: 78% N2 Dusík 21% O2 Kyslík 1% ( 0,03 CO[2], 0,95 He a jiné vzácné plyny, vodní pára) Hustota plynů – závisí na teplotě a tlaku Normální hustota při t 0st Celsia a tlaku 100kPa Je u vzduchu 1,25 kg/m^3 Plyny jsou na rozdíl od kapalin STLAČITELNÉ. Stav plynu je určen STAVOVÝMI VELIČINAMI Stavové veličiny p tlak ( Pascal) T teplota absolutní (Kelvin) V objem ( m^3) Při konstantní teplotě hovoříme o ISOTERMICKÉM DĚJI T= konst. Boyle –Mariotteův zákon: p V = konst. p[1] V[1] = p[2] V[2]= konst. Součin tlaku a objemu je konstantní Všechny děje ,při kterých dochází při změně tlaku ke změně objemu a naopak- změna objemu plic či žaketu při výstupu, výpočet mezní hloubky při potápění na nádech… Přepouštění láhev 1. : Objem V1, tlak p1 Láhev 2. : Objem V2, tlak p2 Výsledný tlak po přepuštění: p = Při konstantním tlaku hovoříme o ISOBARICKÉM DĚJI p = konst. Gay – Lusacův zákon: = konst. Při konstantním objemu hovoříme o ISOCHORICKÉM DĚJI V = konst. Charlesův zákon : = konst. T – absolutní teplota v Kelvinech ( st Celsia + 273) Změna tlaku v láhvi při změně teploty – při plnění lahví kompresorem dojde k zahřátí, po poklesu teploty po plnění dojde taktéž k poklesu tlaku Vztah všech tří veličin vyjadřuje Stavová rovnice plynu = konst. Pro ideální plyn p V = n R T ( n- látkové množství , R – molová plynová konstanta ) Výpočet spotřeby vzduchu Objemový průtok- objem vzduchu, který projde plícemi za jednotku času. Udává se v litrech/ minutu Q ( ventilace lt/min) = V ( objem vzduchu) : t ( čas) Také počet dech za minutu ( 16) násobíme průměrným objemem jednoho dechu ( 0,5lt) Q = 16 x 0,5 = 8 lt / minutu spotřeba na vzduchu- ve vodě jen u špičkových plavců Rekreační potápění, plavání na hladině = Středně těžká práce 30 lt ( 20 lt) / minutu Dekomprese 17 lt / min K výpočtu spotřeby v hloubce slouží veličina redukovaná ventilace Q red. Q[red] = Vyjadřuje objem vzduchu vydýchaného v hloubce převedeného na atmosferický tlak Např. ve 20 m je tlak 3 atm, Q = 30 lt/min Q red.= 30 x 3 : 1( atmosferický tlak) = 90 lt/min Plánování doby ponoru 1. Celková zásoba vzduchu - objem vzduchu za atmosferického tlaku Použitelná zásoba – ( celková zásoba – reserva 20-50 bar) Např. l0 lt láhev 200 bar Celk. zásoba= 200 x 10 = 2000 lt Použitelná zásoba 200 bar – 20 bar reserva = 180 bar x 10 lt = 1800 lt 2. Redukovaná ventilace Q red. = Q ( 30 lt/min) x p : p atm Např: v 10 m je p = 2 bar Q red. = 30 lt x 2 : 1 = 60 lt /min 3. Doba ponoru = Použitelná zásoba : Redukovaná ventilace Doba = Použ.zás. 1800 lt : Q red. 60 lt/min = 30 minut Obecně platí- čím je ponor náročnější, tím jsou pravidla plánování ponoru složitější Pro jednoduché ponory - Pravidlo POLOVINA + 15 bar – pro bezdekompresní ponory Výstup zahajujeme při tlaku v lahvích :( např. při zahájení sestupu máme 200 bar, výstup zahajujeme při tlaku polovina- tj. 100 bar + 15- reserva = tzn .při tlaku 115bar) Pro složitější ponory- do uzavřených prostor, dekompresní ponory platí např.pravidlo TŘETINOVÉ 1/3 zásoby pro SESTUP 1/3 zásoby pro VÝSTUP 1/3 RESERVA Dílčí tlaky plynů Vzduch- směs plynů ( dusík,kyslík, vzácné plyny, CO[2]..) Pro směs plynů platí DALTONŮV ZÁKON Každá složka ve směsi má takový tlak, jaký by měla ,kdyby zaujímala při stejné teplotě celý objem sama Tomuto tlaku říkáme dílčí tlak – parciální p[d] p[d] = % - objemové procento plynu p – celkový tlak plynu např. dílčí tlak kyslíku při atmosferickém tlaku vzduchu kyslík – 21% ve směsi pd = 21 x 100 kPa : 100 = 21 kPa Rozpouštění plynu v kapalinách Je-li nad kapalinou plyn o určitém dílčím tlaku, bude se tento plyn v kapalině rozpouštět.Toto sycení probíhá nejdříve rychle, pak se zpomaluje až se zastaví. Je dosaženo stavu úplného nasycení – saturace Saturace je rovnovážný stav, při kterém se dílčí tlak plynu rozpuštěného v kapalině rovná dílčímu tlaku téhož plynu nad kapalinou. Sestup: Zvýšíme-li tlak plynu nad kapalinou, dojde opět k sycení až na 100% nasycení odpovídající zvýšenému parciálnímu tlaku. Rozdílná rozpustnost je daná jednak růzností plynů ,tak i kapalin. Např. v oleji se rozpouští asi 5 x více dusíku než v krvi za stejných podmínek. Za zvýšeného tlaku dojde k rozpouštění inertního plynu ze vzduchu ( dusík) ve tkáních. Tkáně se sytí až na stav 100% nasycení- saturace. Doba za kterou se tkáň nasytí na 50% - Poločas sycení Podle rychlosti sycení a vylučování tkáně dělíme na : Rychlé ( krev, dobře prokrvené orgány- srdce, játra, plíce..) Střední ( kůže) Výstup Hladina Pomalé ( tuky- mozek, vazy, šlachy, kosti,chrupavky) Saturace100 % Expon.char. Rychlá tkáň Deko 50% Pomalá tkáň Čas Poločas sycení T[R ]T[P ]Čas výstupu Výstup: opačný pochod- vylučování plynu ze tkáně do krve. Převáží-li dílčí tlak plynu rozpuštěného v kapalině dílčí tlak téhož plynu nad kapalinou- kapalina se stává přesycenou plynem. Při dodržení rychlosti výstupu bude rozdíl mezi dílčími tlaky malý a molekuly plynu se vylučují zpětnou difusí. Při rychlém výstupu se molekuly plynu mohou vyloučit i ve formě bublinek- Vznikne DEKOMPRESNÍ CHOROBA K dodržení správného vylučování inertního plynu z kapaliny musí potápěč vystupovat předepsanou výstupovou rychlostí ( dříve 20 m/min, nyní cca 10 m/min) a měl by kopírovat exponenciální charakter desaturace- odsycování. V praxi tzn.- provádění stupňovité dekomprese Stupeň nasycení organismu inertním plynem závisí na okolním tlaku- hloubce a času . Tyto dva faktory musíme zohlednit při výpočtu dekomprese dle dekompresních tabulek, či je zaznamenává potápěčský počítač , který dekompresi stanoví sám. Šíření tepla Teplo se šíří vedením prouděním zářením V praxi jsou nejvíce rozšířeny obleky s pasivní ochranou- zpomaluje únik tepla Ztráta tepla je tím menší, čím je menší tepelná vodivost materiálu. Nejlepší vodiče tepla- kovy Nejlepší isolanty- plyny ( vzduch, CO[2], argon) Ty jsou obsaženy v poresních isolačních materiálech- NEOPREN Člověk potřebuje tepelnou isolaci při teplotě okolní vody pod 34 st Celsia. Mokrý oblek: Minimální tloušťka neoprénového obleku je 3mm, optimum 5-7mm. Isolaci tvoří oblek- průchodu tepla je kladen odpor přestupem tepla z tuhé látky do plynových bublinek a naopak, špatnou tepelnou vodivostí plynu v komůrkách. Zhoršení isolačních schopností- voda, která pronikla pod oblek , stlačení vzrůstající hloubkou Suchý oblek: Neoprenový oblek- nevýhodou je snížení isolačních vlastností a vztlaku se vzrůstající hloubkou. Membránový – isolační vlastnosti obleku se nemění. Isolace je podmíněna isolačními vlastnostmi podobleku a vlastností napouštěného plynu. Zlepšení oproti vzduchu – Argon, CO[2] cca o 30%. Optika Světlo při průchodu z jednoho prostředí do druhého se A/ pohltí B/ odrazí C/ láme B/ odrazí – úhel dopadu se rovná úhlu odrazu a a^´,´ a = a´ C/ láme – při průchodu z prostředí opticky řidšího do prostředí opticky hustšího se paprsek láme KE KOLMICI Úhel lomu je menší než úhel dopadu Zákon lomu: n = a n - Index lomu vody = 1,33 a´ Naopak při průchodu paprsku z vody na vzduch- lom od kolmice. Při zvětšování úhlu dopadu až na 49 st- MEZNÍ ÚHEL paprsek se láme na hladinu, při překročení tohoto úhlu dojde k ÚPLNÉMU ODRAZU. - vše se odrazí od hladiny zpět do vody. Oko na suchu- největší lom na rozhraní vzduch- rohovka, která má optickou mohutnost okolo 60D. Pod vodou k tomuto lomu nedojde a oko je silně dalekozraké až + 50D V potápěčské masce dojde k lomu- voda / vzduch a vzduch / oko . Předměty vidíme relativně větší- ze zákona lomu lze vypočítat, že zvětšení se rovná indexu lomu tj. 4/3 – tj o třetinu větší Přiblížení blízkých předmětů – činí 1/n = 3/4 tzn. že předměty vidíme o čtvrtinu blíže VZDUCH VODA POTÁPĚČSKÁ MASKA Zvětšení o 1/3 Skutečná vzdálenost Viděná vzdálenost O 1/4 blíže Akustika Nauka o zvuku. Slyšitelný zvuk v rozmezí 16 Hz- 20 kHz . Pod tuto hranici- Infrazvuk, nad Ultrazvuk Rychlost šíření zvuku při 20 st Celsia ve vzduchu 344 m/s ve vodě 1484 m/s Při dopadu zvuk.vlny na rozhraní dvou prostředí - vzduch / voda - většina se odrazí Poměr akustických impedancí je 1: 4000 – tudíž nelze pod vodou mluvit. Slyšení na vzduchu: bubínkové kostní Slyšení pod vodou : pouze kostní Pod vodou: Nejsme schopni rozpoznat směr , odkud zvuk přichází Nejsme schopni ani orientačně odhadnout vzdálenost od zdroje zvuku