Fizyka

Poniżej będę się starał w jak najprostszych słowach omówić kilka zagadnień z fizyki, które mają duży wpływ na nurkowanie.

Ciśnienie

Ciśnienie to siła działająca na daną powierzchnię. W układzie SI jednostką ciśnienia jest paskal (siła 1 N na 1 m²). W praktyce stosowane są inne jednostki: bary (1000 hPa) lub atmosfery. Atmosfera techniczna nie jest równa atmosferze fizycznej. 1Atm (fizyczna) to 1.033at (techniczna).

W praktyce nurkowej najczęściej posługujemy się wartością ciśnienia absolutnego, czyli mierzonego w stosunku do próżni. Ujmując to inaczej, mówimy o ciśnieniu, które jest suma ciśnień atmosferycznego i hydrostatycznego. Dla uproszczenia przyjmuje się wartość ciśnienia atmosferycznego jako 1at. Wzór na ciśnienie absolutne to:

P = D/10 + 1

gdzie: P – ciśnienie, D – głębokość.

Pomijając różnice w gęstościach wody słonej i słodkiej, ze wzoru możemy wyliczyć ciśnienie jakie panuje do dowolnej głębokości. Na przykład: ciśnienie na 28 metrach wynosi 28/10 + 1 = 3.8at.

Prawo Daltona

Ponieważ powietrze to mieszanina gazów, to do bezpiecznego nurkowania musimy znać tzw. prawo ciśnień parcjalnych. Mówi ono, ze ciśnienie całkowite mieszaniny gazów równe jest sumie ciśnień składników które by wywierały gdyby były jedyny gazem w zbiorniku, czyli sumie ciśnień parcjalnych wszystkich składników. Każdy składnik mieszaniny ma ciśnienie parcjalne, które można wyliczyć mnożąc ciśnienie całkowite mieszaniny gazów przez procentową zawartość składnika. Jeżeli mamy gaz, który składa się w 80% z azotu i 20% tlenu, a całość znajduje się pod ciśnieniem 5at to ciśnienia parcjalne wynoszą:

PPn = 5*0.8 = 4at
PPo = 5*0.2 = 1at

gdzie: PPn – ciśnienie parcjalne azotu, PPo – ciśnienie parcjalne tlenu.
Prawo ciśnień parcjalnych nazywa się Prawem Daltona.

Prawo Henry’ego

W dużym skrócie, prawo to opisuje zależność ilości gazu jaka może się rozpuścić w cieczy od ciśnienia pod jakim gaz się znajduje. Mówiąc prosto: im większe ciśnienie gazu, tym więcej się go rozpuści. Mówiąc mniej prosto: Stężenie rozpuszczonego gazu, znajdującego się w równowadze w fazą gazową jest wprost proporcjonalne do ciśnienia wywieranego przez ten gaz.

C = k*P

gdzie C – stężenie rozpuszczonego gazu, k – współczynnik rozpuszczalności, P – ciśnienie

Prawo to ma ogromne znaczenie dla nurków, gdyż pokazuje jak będzie zachowywać się rozpuszczony w krwi gaz, w zależności od zmieniającej się głębokości. Jeżeli nurek wynurza się z określonej głębokości, ciśnienie wokół niego spada, w konsekwencji gaz (azot) rozpuszczony w krwi zaczyna znajdować się w stanie przesycenia i wydziela się z niej w postaci pęcherzyków. Ma to kolosalne znaczenie z punktu widzenia teorii dekompresji, o której będzie jeszcze mowa.

Prawo Guy–Lussaca

Prawo Guy–Lussaca zakłada, że przy stałej objętości gazu, stosunek ciśnienia gazu do temperatury jest również stały. Matematycznie możemy to zapisać tak:

P/t = const.

Inaczej mówiąc, przy stałej objętości gazu ciśnienie jest proporcjonalne do temperatury. Jeżeli zwiększymy dwukrotnie temperaturę to ciśnienie wzrośnie również dwukrotnie. Jeśli zaś chcemy zapisać ogólnie zależność miedzy dwoma stanami gazu 1 oraz 2 w tej samej objętości możemy zapisać, że:

P1/t1 = P2/t2

Rozważając przykład balonika wypełnionego gazem o temperaturze 10 st. C przy ciśnieniu 1 ata. Po podgrzaniu
do 20C ciśnienie wynosiło będzie:

P2=(t2/t1)*P1 czyli [(20+273)/(10+273)]*1 = 1.03 ata

Jak zapewne zauważyłeś, temperatura musi być wyrażona w Kelvinach. Prawo to związane jest z przemianą gazową, ktora nazywa się przemianą izochoryczną czyli przemianą przy zachowaniu stałej objętości.

Prawo Charles
a

Prawo to jest lekkim przekształceniem poprzedniego prawa. Mówi ono, że przy stałym ciśnieniu gazu, jego objętość jest proporcjonalna do temperatury. Czyli jeżeli zwiększymy temperaturę dwukrotnie, to objętość gazu wzrośnie również dwukrotnie.

V/t = const.

Wyrażając matematycznie zależność między dwoma stanami gazu możemy napisać, że:

V1/t1 = V2/t2

Prawo Ficka – dyfuzja

Prawo to określa sposób zachowania się cząsteczek gazu i ich samorzutnego rozprzestrzeniania się. Dyfuzja jest procesem prowadzącym do wyrównywania stężeń, ale po wyrównaniu nie ustaje. Mimo dokładnego wymieszania składników mieszaniny dyfuzja trwa nadal, choć nie prowadzi już do zmian stężeń. Różne gazy mają różna prędkość dyfuzji. Prawo to ma zastosowanie na przykład podczas wymiany gazowej w pęcherzykach płucnych przy zanurzaniu się lub wynurzaniu (dekompresji).

Efekt Joule’a – Thomsona

Jest to zjawisko z zakresu termodynamiki, ale znane chyba wszystkim. Jego pełne wyjaśnienie jest dość skomplikowane jednak w dużym skrócie polega ono na tym, że podczas przepuszczania gazu przez przegrodę, z obszaru o wyższym ciśnieniu do obszaru o niższym ciśnieniu, zmienia się temperatura tego gazu. Tak zwany współczynnik μ (wyliczany na podstawie liczby moli gazu, ciepła molowego gazu i entalpii) określa kierunek zmian – czy temperatura rośnie czy maleje. Współczynnik ten jest równy zero dla tzw. gazu doskonałego (który jest tworem teoretycznym i oczywiście nie istnieje). W życiu codziennym zjawisko  to obserwujemy gdy nabijamy syfon do wody sodowej – po wkręceniu naboju z CO2, jego temperatura gwałtownie spada. Gdy wypuszczamy powietrze z opony jest ono zimne. Zjawisko to ma znaczenie podczas nurkowań w zimnych wodach. Gaz pod ciśnieniem początkowym 200at jest przetaczany do układu średniego ciśnienia (czyli jego ciśnienie spada – następuje rozprężenie) poprzez automat pierwszego stopnia. Na tym etapie następuje ochłodzenie tego gazu. Jeżeli automat znajduje się w wodzie o temperaturze 4 st.C to może zaistnieć sytuacja, w której zamarznie.

Kontrdyfuzja izobaryczna

Znana tez jako kontrdyfuzja izobaryczna azotowa lub ICD (Isobaric Counterdiffusion). Jest to termin opisujący zjawisko dyfuzji gazów w tkankach płetwonurków, którzy jako mieszanek oddechowych używają tzw. trimixu (czyli mieszaniny tlenu, helu i azotu). To zjawisko jest dość kluczowe w bardziej zaawansowanych nurkowanich technicznych. Jak to działa? Pojęcie to odnosi się do dwóch gazów obojętnych (tych, które nie są metabolizowane przez organizm nurka) czyli do helu i azotu. Słowo „izobaryczna” oznacza, że zjawisko dyfuzji tych dwóch gazów zachodzi przy stałym ciśnieniu. Molekuły dwóch gazów dyfundują w przeciwnych kierunkach przy czym lżejszy gaz dyfunduje szybciej. Zjawisko zaczyna mieć znaczenie podczas nurkowania, w którym przełączamy się miedzy gazami w taki sposób, że nawet przy stałym ciśnieniu, ze względu na różnice w wielkościach molekuł, może dojść do przesycenia tkanek miękkich i tym samym do formowania się pęcherzyków. To z kolei wywoła objawy chroby dekompresyjnej. Problem można minimalizować poprzez zachowanie odpowiedniej kolejnosci przełączania sie miedzy gazami dekompresyjnymi. Nie bez znaczenia jest też gaz, którego używamy do inflacji skafandra.