Univerzita Hradec Králové Pedagogická fakulta SEMINÁRNÍ PRÁCE. Fyzika a potápní. Mgr. Michal Musílek

Transkript

1 Univezita Hadec Kálové Pedagogická fakulta SEMINÁRNÍ PRÁCE Fyzika a otání Mg. Mical Musílek kateda fyziky a infoatiky konzultant: Pof. RND. Ivo olf, Csc. studijní oga: P757 Secializace v edagogice studijní obo: teoie vyuování fyzice osinec 25

2 Úloa. 1 nebezeí zadžování decu i vystouání se k ladin Jední ze základníc avidel sotovnío otání s otáský ístoje je ísný zákaz vystuovat do enší loubky, nebo se vynoovat z vody se zadžený dece. Pokud otá be výstuu dýcá, uavuje se nožství dýcacíc lyn v lícíc tak, aby nitolicní tlak byl fyziologický. Pokud zadží dec, vzstá tlak uvnit lic tak, že že docázet k onikání bublinek lynu do licní tkán a cév, následn ke vzducové ebolii a v kajní íad i ke sti otáe. Rozodnte, zda je nebezeí oškození lic z etlaku vtší i vynoování z vtšíc loubek, nebo z enší loubky od ladinou. Poovnejte z lediska nebezenosti vystouání z loubky do loubky 25 a vynoení z loubky 5 na ladinu. Pito v obou íadec edokládejte, že se otá zluboka nadecl na obje 5,6 d a zadžel dec. Maxiální obje, na kteý se oou jeo líce oztánout bez izika závažnéo oškození zdaví je 6,4 d. Pito si líce edstavujee jako užný vak, kteý svj obje ní se znou objeu lynu uzavenéo v licíc i zadžené decu. Tlak dýcacíc lyn je dán absolutní tlake v dané loubce (to je souet noálnío tlaku vzducu nad ladinou,1 MPa a ydostatickéo tlaku slouce vody odovídajícío dané loubce od ladinou). Tedy v loubkác 5, 25 a od ladinou: 5,15 MPa 25,5 MPa,4 MPa Po znu objeu a tlaku lynu i stálé telot (izoteický dj) latí oylv-maiottv zákon:. konst. Konkétn o vystouání z loubky do loubky 25 : ,4 MPa 5,6 d,5 MPa 6,4 d Pi dané vystouání z vtší loubky je nebezenost zadžení decu aniní! Po vynoení z loubky 5 na ladinu: 5,15 MPa ,6 d 8,4 d,1 MPa Pi vynoení z loubky 5 je nebezenost zadžení decu veli výazná. Mže dojít k tvaléu oškození zdaví otáe, íadn i ke sti. Poovnání výsledk výot jse zjistili, že zadžování decu je nejvíce nebezené v alýc loubkác od ladinou (otáské íuky oznaují jako nebezenou zónu loubky do 1).

3 Úloa. 2 axiální bezená loubka i otání na nádec Pi otání na nádec, tedy bez ístoje, nebezeí osané v edcozí úloze neozí, otože nádec na lnou kaacitu lic je ožný ouze na ladin. Pi onoování otáe do loubky se však jeo líce stlaují sobení ydostatickéo tlaku. ezené je stlaení lic z oátenío objeu 5,6 d až na obje, kteý ají líce i dýcání na sucu v okažiku axiálnío usilovnéo výdecu. Tento tzv. zbytková kaacita lic je asi 1,6 d. Do jaké loubky se žee bezen otát na nádec? Tlak vzducu nad ladinou vody (v okažiku nádecu) je,1 MPa (tzv. noální tlak). Poocí oylova-maiottova zákona vyotee, že bez oblé vydžíe axiální tlak : 5,6 d 1,6 d,1 MPa,5 MPa bsolutní tlak,5 MPa je v loubce 25 od ladinou. Na nádec se žee bezen otát do axiální loubky 25. Závislost tlaku na loubce Po ydostatický tlak latí znáý vzoec g. Po ustotu vody 1 kg. - a tíové zyclení g 1.s -2 dostanee jednoducou závislost ydostatickéo tlaku na loubce. S každý ete loubky stoune ydostatický tlak o 1 Pa,1 MPa. Hydostatický tlak ovše není absolutní tlak, ale etlak oti noálníu tlaku vzducu nad ladinou. bsolutní tlak vyotee: + a naoak ydostatický tlak z absolutnío: - Takže o tlak,5 MPa je ydostatický tlak -,5 MPa,1 MPa,25 MPa a otože každý,1 MPa odovídá 1 loubky, jedná se o loubku 25. Neboli - ze vzoce o ydostatický tlak: ρ g 25 Pa 1 kg. 1.s 2 25

4 Úloa. funkce koenzátou (vyvažovací vesty) Potá obleený v neoénové obleku je nadleován bublinkai v neoénu. ztlaková síla se ní odle velikosti bublinek v neoénu s loubkou onou. Potá usí vyvažovat vztlak závaží a odle loubky také koenzátoe. Koenzáto je vesta (žaket) s nafukovací kasou, kteá odle nožství vzducu do ní nauštnéo vyvolává íslušnou vztlakovou sílu. Kasu je ožné nafukovat z lave (oocí stedotlakéo vývodu autoatiky), na ladin též ústy jako zácannou vestu. yfukuje se bu stiske tlaítka, nebo saoinný otevení ojistnéo ventilu. Potá á v loubce 5 nalnn koenzáto na ti tvtiny celkovéo objeu. Pojistný ventil koenzátou se otevíá i etlaku,5 MPa. jaké loubce se i výstuu k ladin oteve ojistný ventil? Potá i koenzáto jsou v loubce vystaveni tlaku,4 MPa. zduc v koenzátou zabíá obje,75 ax, tedy tí tvtin axiálnío objeu. Nejve usíe vyoítat v jaké loubce vylní vzduc uzavený v koenzátou celý jeo obje. Tlak vzducu x v této loubce bude:,75ax x,75,75,4 MPa, MPa ax To je tlak, kteý odovídá loubce 2. Pi další vynoování se už není obje ani tlak vzducu uzavenéo v koenzátou. by se otevel ojistný ventil koenzátou usí okolní tlak vody klesnout o dalšíc,5 MPa. To znaená z, MPa na,25 MPa. Tento tlak odovídá loubce 15. Pojistný ventil koenzátou se oteve v loubce 15.

5 Úloa. 4 lnní lave koesoe Potáské lave se zásobou stlaenéo vzducu se asto lní koesoe. Pi stlaování vzducu koesoe se vzduc zaívá. Pokud cce otá jít na ono ined o nalnní lave, usí oítat s tí, že kaacita lave nebude ln využita. Lave ají v odstat stálý obje a zavidla je ožné je lnit na axiální tlak 2 MPa. tlakové lavi o vnitní objeu 1 d je o odojení od koesou vzduc o tlaku 1 2 MPa a telot t 1 47 C. Jaký je tlak vzducu v lavi o oclazení na telotu t2 17 C? Po znu tlaku vzducu s telotou i stálé objeu (izobaický dj) latí Calesv zákon: T T1 T1 T Teloty T 1 a T 2 v této ovnici jsou však absolutní teodynaické teloty (v kelvinec), kteé získáe jednoducý evode: Odtud vyotee T [ t / C + 27 ] K, tedy T 1 22 K, T 2 19 K. T2 19 K 2 1 T 22 K 1 2 MPa 17, MPa Tlak v lavi bude jen 17, MPa.

6 Úloa. 5 eouštní vzducu Nkdy otebujee dolnit laev vzduce o oakovaný ono na beu, kdy neáe k disozici koeso, ale žee ít na. v zavazadlové ostou autoobilu vtší tlakovou laev se stlaený vzduce. Lave oojíe sojkou a otevee eouštcí ventil. Po vyovnání tlaku onecáe lave njakou dobu v klidu tak, aby se telota vzducu v lavíc o eouštní vyovnala s telotou okolnío vzducu a tí byla stejná jako ed eouštní. Ze 4-litové tlakové lave eustíe vzduc o tlaku 18 MPa do 1-litové lave, ve kteé je tlak 2 MPa. Jaký bude tlak vzducu o euštní? lávi je vzduc o tlaku a objeu, jeo látkové nožství žee vyoítat ze stavové ovnice ideálnío lynu. Stejné je to o láev : n n n n Po oojení obou laví latí o stavové veliiny v obou lavíc: ( + ) ( n + n ) n + n ( + ) Jisté je, že celkové látkové nožství lynu v obou lavíc je ed i o eouštní n + n, tedy: ( + ) ( + ) Po naše konkétní zadání: MPa.4 d 4 d + + MPa.1 d 1 d 15 MPa Tlak vzducu v obou lavíc bude o eouštní 15 MPa.

7 Úloa. 6 výoet soteby vzducu i lánování doby onou Pi otání dýcá otá vždy vzduc o takové tlaku, v jaké je zovna loubce. Hustota dýcanéo vzducu tedy oste s loubkou odobn jako tlak. Pná ventilace lic na ladin vycází,5 až,5 d.s -1. S olede na bezenost otání oítáe vždy s oní anicí tooto ozezí, tedy,5 d.s -1. Po ventilaci lic v loubce ak latí: kde je tlak vody v loubce a je noální tlak. Další bezenostní aaete je tzv. iniální ezeva tlakovéo vzducu, kteou obvykle lánujee v odnot MPa. Za jak dlouo vydýcá otá vzduc z láve o vnitní objeu 12 lit, nalnné na tlak 2 MPa v loubce 4 et? yužitelný tlak je dán ozdíle axiálnío tlaku a iniální ezevy, tedy. yužitelný obje vzducu na ladin by ak byl (odle oylova-maiottova zákona):, kde je obje láve. ( ) Na ladin by tato zásoba vzducu vydžela na dobu t loubce ovše ouze na dobu t íseln o naše konkétní zadání t 2 MPa MPa 12 d,5 MPa,5 d. s s 1,6 in Zásoba vzducu vystaí otái v loubce 4 na dobu 1,6 in.

8 Úloa. 7 ovení zásoby vzducu na lánovaný ono ystaí zásobník vzducu o objeu 12 lit nalnný na tlak 2 MPa o sestu, i kteé otá setvá 2 inut v loubce 2 et a 1 inut v loubce ety? Uvažujee ezevu MPa a ladinovou sotebu vzducu lit za inutu. Povedee evody jednotek a výoty tlak v íslušnýc loubkác: 12 l 12 d t 2 2 in 12 s t 1 in 6 s,1 MPa 2, MPa l.in -1,5 d.s -1 Noální obje využitelné zásoby vzducu (tedy obje za noálnío tlaku) vyotee 2 MPa MPa,1 MPa ( ) 12 d 24 d 2,4 Obje vzducu sotebovaný o dvacetiinutový obyt v loubce 2 by byl 2 2 t 2 2 t 2, MPa,1 MPa. 1,5 d s 12 s 18 d 1,8 a odobn obje vzducu sotebovaný o desetiinutový obyt v loubce t t,1 MPa,1MPa. 1,5 d s 6 s 9 d,9 Poteba vzducu 2 + 2,19 je vtší než zásoba vzducu 2,4. Zásobník vzducu o zaýšlený ono nestaí. Tvání sestuu je nutné zkátit nebo oužít laev s vtší zásobou vzducu.

9 Úloa. 8 výoet axiální loubky otání i dýcání vzducu Kyslík dýcaný od aciální tlake vtší než,16 MPa sobí na lidský oganizus toxicky! Jaká je teoeticky axiální dosažitelná loubka i otání, jestliže jako dýcací ss oužíváe stlaený vzduc? Po ešení úlo na zné dýcací ssi je dležité znát Daltonv zákon: e ssi ideálníc lyn, kteé solu ceicky neeagují, se každá z lynnýc složek cová tak, jako by daný obje zaujíala saa a ídí se svou vlastní stavovou ovnicí. Pito se celkový tlak ssi ovná soutu aciálníc tlak všec složek ssi. Dsledke Daltonova zákona je, že aciální tlak i jednotlivé složky i dýcací ssi vyoítáe z celkovéo tlaku ssi lyn, jestliže znáe její objeovou koncentaci: i x i x i i Objeová koncentace kyslíku ve vzducu x i 2,95 %,21, takže tlak vody do kteéo je ožné se otoit se zásobou vzducu je x O2 O2,16 MPa,21,76 MPa Tento (absolutní) tlak odovídá loubce 66. Se stlaený vzduce je ožné se otát axiáln do loubky 66 et. e vtšíc loubkác ozí otava kyslíke!

10 Úloa. 9 výoet složení dýcací ssi TRIMIX Pi otání do vtšíc loubek oužívají otái dýcací ss TRIMIX, jejíiž lavníi složkai jsou kyslík, dusík a eliu. Pidání elia se nejen zaezí ožnosti otavy oganizu kyslíke, ale také se sníží iziko loubkovéo oojení, kteé je zsobeno dýcání dusíku od vyšší aciální tlake. Dýcací ss TRIMIX se iavuje sícání elia se stlaený vzduce ío v tlakové lavi. Do lave nejve eustíe eliu a oto koesoe idáváe vzduc. Jaká iniální objeová koncentace elia usí být ve výsledné dýcací ssi, aby neolo dojít k otav kyslíke, okud oítáe s axiální loubkou sestuu 8? loubce 8 od ladinou je absolutní tlak,9 MPa. Maxiální íustný aciální tlak kyslíku je,16 MPa. Z tcto dvou údaj vyotee axiální ožnou objeovou koncentaci kyslíku v dýcací ssi TRIMIX: O2,16 MPa xo2,177 17,7 %,9 MPa Podíl kyslíku se tedy usí snížit z vodníc 21, % na 17,7 %. e stejné ou se usí snížit odíl vzducu ve ssi vzduc eliu. Oznaíe-li ocentuální odíl elia ve výsledné dýcací ssi TRIMIX x He, sníží se odíl vzducu z vodníc 1 % na (1 x He ) % a usí latit: 1 x He 1 17,7 21, a o úavác x He 1 17,7 21, 1, tedy x He 15,7 %. e ssi TRIMIX o otání do loubky 8 usí být iniáln 15,7 % elia.

11 Úloa. 1 výoet složení dýcací ssi NITROX Pi otání do stedníc loubek (ezi a 5 od ladinou) neozí otái otava kyslíke, ale veli nebezené že být loubkové oojení dusíke, kteý je vdecován od vyšší aciální tlake než na ladin. Hloubkové oojení á odobné ojevy jako alkoolové oojení a stejn jako je veli individuální toleance na alkool, icází loubkové oojení u znýc lidí v zné loubce odle jejic tlesné konstituce, zkušeností, oentální únavy a dalšíc vliv. U zaáteník a citlivýc jedinc se že dostavit i dýcání vzducu už i ekoení anice (u vtšiny otá ovše až v loubkác vtšíc než 4 ). Dýcací ss NITROX se iavuje sícání kyslíku se stlaený vzduce ío v tlakové lavi. Láev nejve ásten nalníe vzduce z koesou, oto eustíe kyslík a nakonec koesoe dolníe vzduc na ožadovaný tlak. Jaké objeové koncentace kyslíku a dusíku usí být ve výsledné dýcací ssi, aby neolo dojít ani k otav kyslíke, ani k loubkovéu oojení, okud oítáe s axiální loubkou sestuu 4? loubce 4 od ladinou je absolutní tlak,5 MPa. Maxiální íustný aciální tlak kyslíku je,16 MPa. Z tcto dvou údaj vyotee axiální ožnou objeovou koncentaci kyslíku v dýcací ssi NITROX: O2,16 MPa xo2,2 2, %,5 MPa Dále zjistíe, i jaké iniální aciální tlaku dusíku že dojít k loubkovéu oojení. Hloubce odovídá celkový tlak,4 MPa. Objeová koncentace dusíku ve vzducu je ibližn 78 %. Tedy aciální tlak dusíku v loubce : N2. x N2,4 MPa.,78,1 MPa Z této odnoty a z tlaku v loubce 45 zjistíe (odobn jako u kyslíku) axiální ožnou objeovou koncentaci dusíku v dýcací ssi NITROX: N2,1 MPa xn2,62 62 %,5 MPa Jak je vidt, oocí ssi NITROX není ožné ideáln vyovt oba ožadavk, otože x O2 + x N2 2 % + 62 % 94 % < 1 %. Situaci lze ešit dvojí zsobe: 1. Použijee dýcací ss NITROX s obsae kyslíku x O2 2 % s tí, že iziko loubkovéo oojení je iniální. 2. Pokud áe k disozici eliu, oužijee dýcací ss TRIMIX.

12 Záv Potání je bezesou zajíavý sot. Po uitele fyziky jde o výbonou otivaci k výot stavu ideálnío lynu. Po otáe je znalost fyziky naostou nezbytností. Pito není oteba jít nad áec stedoškolské fyziky. souvislosti s otání by saozej šlo ešit i úloy z jinýc oblastí fyziky, na. odo oti oybu ve vod, šíení zvuku ve vod. eli zajíavá je otázka vidní ve vod (es sklo otáskýc býlí) a s tí související zkeslení vníání vzdáleností edt i steeoskoické vidní. Liteatua Dobeš, Dušan: Pístojové otání, aktická íuka o každéo otáe. no, CP ooks a.s vyd., 172 st. ISN