Duikfysica

Iedereen die wil gaan duiken zal wat moeten leren over duikfysica, de natuurkundige elementen en verschijnselen die bij het duiken een rol spelen. Nou hoef je geen natuurkundige te worden, maar het is handig als je wat weet over natuurkundige aspecten die komen kijken bij het duiken. Deze spelen namelijk een belangrijke rol bij de effecten van het duiken op je lichaam en je materiaal. Achtereenvolgens worden de volgende begrippen en verschijnselen van de duikfysica behandeld: druk, lucht, het oplossen van gas in vloeistof, drijven, geluid en water en licht en water.

Duikfysica: het verschijnsel druk

De meeste mensen kennen dit verschijnsel wel van het klaren van de oren in het vliegtuig of van de duik in het zwembad. Door de afname of toename van de druk zul je de druk binnen het oor gelijk moeten krijgen met de druk buiten het oor, de omgevingsdruk. Druk is niet hetzelfde als kracht, maar is daar een afgeleide van. Druk is de hoeveelheid kracht die op een bepaald oppervlakte wordt uitgeoefend. Druk wordt uitgedrukt in Pascal, maar in de duikfysica spreekt men liever over bar. Hierbij geldt 1 bar = 100.000 Pascal.

In formule: p = F/A
p= druk (Pascal = Pa)
F = Kracht (Newton = N)
A = Oppervlakte (vierkante meter = m2)

Atmosferische druk = luchtdruk

Buiten het water hebben we te maken met luchtdruk. Luchtdruk wordt veroorzaakt door het gewicht van de luchtlagen die zich boven je bevinden (de luchtmoleculen). Op zeeniveau is de luchtdruk, bij normale weersomstandigheden, gelijk aan 101.300 Pascal. Naarmate je hoger komt in de atmosfeer neemt de luchtdruk af. Op 5000 meter hoogte is de luchtdruk bijvoorbeeld nog maar de helft van de luchtdruk op zeeniveau.

Hydrostatische druk = druk in vloeistof

Ook water oefent druk uit. Deze is anders dan de luchtdruk, want deze wordt veroorzaakt door de watermoleculen en die zijn zwaarder.  De druk in een vloeistof wordt hydrostatische druk genoemd. Bij duiken spreken we ook wel van waterdruk.  Hoe dieper we duiken, des te meer gewicht aan water op ons drukt. Dus, hoe dieper je duikt, des te meer hydrostatische druk. Dankzij meneer Pascal weten we dat druk uitgeoefend op een deel van een vloeistof zicht voortplant in alle richtingen met dezelfde grootte. Druk is dus afhankelijk van diepte. Lees meer over hydrostatische druk op wikipedia.

Wat je moet onthouden is dat bij elke 10 meter de (water)druk ongeveer met 1 bar toeneemt. Op 10 meter diepte heb je te maken met een druk van 2 bar (de lucht drukt ook nog met 1 bar!). Deze totale druk wordt ook absolute druk genoemd. In de eerste meters onder water zijn de drukverschillen relatief het grootst.  Hieronder zie je een handig tabelletje.

Diepte Waterdruk Luchtdruk Absolute druk drukverschil
0 meter 0 bar 1 bar 1 bar
10 meter 1 bar 1 bar 2 bar 100%
20 meter 2 bar 1 bar 3 bar 50%
30 meter 3 bar 1 bar 4 bar 33,3%
40 meter 4 bar 1 bar 5 bar 25%
50 meter 5 bar 1 bar 6 bar 20%
duikfysica: druk neemt toe naar diepte. Speciale kleding is nodig bij diepzeeduiken
diepzeeduiken kan alleen met speciale apparatuur en kleding
Lucht

Lucht is een (samengesteld) gas. Lucht bestaat uit verschillende gassen waarbij stikstof (N2) met 78% en zuurstof (O2) met 21% de hoofdbestandsdelen zijn. Een gas gedraagt zich op een speciale manier bij verschillende drukken en volumes en temperaturen. Wat je moet onthouden is dat als bij een constante temperatuur de druk stijgt het volume (van een gas) evenveel afneemt. Een met lucht gevulde ballon is op 10 meter diepte dus 2 maal zo klein als boven het wateroppervlak.

Voor de liefhebbers… dit volgt uit de algemene gaswet:

In een afgesloten systeem geldt: p . V = n . R . T
Hierin is: p = druk in Pa
V = volume in m3
n = aantal moleculen in mol (1 mol = 6,02×1023 deeltjes)
R = gasconstante = 8,31 J / K.mol
T = temperatuur in Kelvin (T=t+273,15)

Kelvin is een andere schaal voor temperatuur. Misschien heb je wel eens gehoord van de absolute nultemperatuur. Deze is nul graden Kelvin = -273 graden Celsius. Om Celsius om te rekenen naar Kelvin moet je dus 273 graden bij de temperatuur in Celsius optellen.

Dankzij meneer Dalton weten we dat de totale druk van een samengesteld gas gelijk is aan de totale som van drukken van de gassen afzonderlijk (ptotaal = p1+ p2 + p..).

Deze natuurkundige principes zijn  relevant bij heel veel aspecten van het duiken, zoals het luchtverbruik, de volumes van de met lucht gevulde ruimtes in ons materiaal en in ons lichaam. Het is ook mogelijk om met verschillende samenstellingen van lucht te duiken, dat leer je bijvoorbeeld bij de specialisatie nitrox duiken.

Duikfysica: Gas en vloeistof

Het zal je bekend zijn dat ons lichaam voor een groot deel bestaat uit water (vloeistof). De holle ruimtes in ons lichaam zijn gevuld met lucht (gas). Nu kunnen gassen ook oplossen in vloeistof. Dus ook in je bloed en lichaamsweefsels. Dit is een vrij essentieel verschijnsel bij het duiken, want het is dit verschijnsel dat de zogenaamde nultijd bepaalt, je stijgsnelheid bepaalt en er voor kan zorgen dat je decompressiestops moet maken.

Lang geleden heeft William Henry onderzoek gedaan naar het oplossen van gassen in een vloeistof. De wet van Henry vertelt ons dat bij een constante temperatuur een vloeistof net zoveel gas zal opnemen totdat de gasdruk van het gas in de vloeistof gelijk is aan de druk waarop het gas de vloeistof raakt. De mate waarin een gas oplost in een vloeistof is afhankelijk van de druk, de tijd, de temperatuur, het contactoppervlakte en het soort gas en vloeistof. Wat je voor het duiken moet onthouden is dat als de druk toeneemt er meer gas in een vloeistof kan worden opgenomen. Lees ook de pagina over de effecten van duiken op je lichaam.

Drijven: de wet van Archimedes

De Griekse geleerde Archimedes ontdekte lang geleden al dat er op een lichaam in het water ook een opwaartse kracht uitgeoefend wordt.  Deze vinding wordt de wet van Archimedes genoemd en luidt:  “De opwaartse kracht die een lichaam in een vloeistof (of gas) ondervindt is even groot als het gewicht van de verplaatste vloeistof (of gas).”

Deze wet is continu van toepassing bij het duiken of meer specifiek bij het dalen, stijgen en zweven (trimmen). Wat verder van belang is om te weten is dat zoet water een andere dichtheid heeft dan zout water. Zout water is zwaarder en oefent daardoor een grotere opwaartse kracht uit op jou als duiker (meer lood nodig dus…).
Duikfysica: Archimedes ontdekte de stuwende kracht van water
Duikfysica: Archimedes ontdekte de stuwende kracht van water
Geluid en water: horen onder water

Je weet misschien dat geluid trillingen/golven zijn die zich door een medium verplaatsten. Deze trillingen worden door onze oren en hersenen omgezet in geluid. Nu gedragen deze geluidsgolven zich in lucht anders dan in water. Logisch, lucht is een gas en water een vloeistof. Je kent waarschijnlijk wel het dempende effect van water. Je hoort ook nauwelijks geluid van boven het wateroppervlakte. Ook horen we hoge tonen niet goed onder water.

Geluid verplaatst zich in water veel sneller dan in lucht (ongeveer 4 a 5 keer zo snel). Dit heeft als gevolg dat wij als mensen onder water niet goed kunnen inschatten van waar het geluid vandaan komt. Je kunt alleen inschatten of iets dichterbij komt of juist verder weg, maar dus niet uit welke richting.

Door deze effecten van water op geluid gebruiken duikers dus handgebaren!

Licht en water: zien onder water

Net als geluid heeft ook licht een bepaalde golflengte. Het zichtbare licht van de zon bestaat uit verschillende kleuren (van de regenboog) en iedere kleur heeft een iets andere golflengte. Dit kun je waarnemen bij de breking van het licht, bijvoorbeeld door een prisma of waterdruppels. Wanneer licht overgaat in een ander medium (bijvoorbeeld water of glas) dan breekt het. Scherpstellen met je ogen onder water is daardoor niet goed mogelijk. Met een duikbril gaat het wel, maar door de breking van het licht zal je alle voorwerpen dichterbij en groter waarnemen. Afstanden inschatten onder water is dus erg lastig!

De breking van licht zoals te zien in een regenboog
De breking van licht zoals te zien in een regenboog

In water wordt het licht ook gefilterd (geabsorbeerd). De reden dat wij helder water als blauw zien komt ook door de absorptie van het licht en het feit dat blauwe het diepste reikt in het water (daarna achtereenvolgens groen, geel, oranje en rood).  Hoe dieper je komt, des te minder licht dringt er nog door in het water. Op grote diepte is het dus helemaal donker! Voor het duiken in het donker of beperkt zicht kun je de specialty nachtduiken volgen.

Er is nog een reden waarom wie kleuren onder water anders zien. Dit verschijnsel heet verstrooiing of diffusie. Licht met een korte golflengte (blauw) wordt veel beter verstrooid dan licht met een lange golflengte (rood). Dit zogenaamde Raleigh effect is de oorzaak dat wij de hemel als blauw zien.

Pin It

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *