Jednostki fizyczne Cechy fizyczne wody i powietrza Prawa fizyczne Przykłady obliczeń

Jednostki fizyczneJednostki fizyczne

Cechy fizyczne wody i powietrzaCechy fizyczne wody i powietrza

Prawa fizycznePrawa fizyczne

Przykłady obliczeńPrzykłady obliczeń

dr inż. Jan ParczewskiINSTRUKTOR PŁETWONURKOWANIA KDP/CMAS

POL M2 F0 000009

PODSTAWYPODSTAWY

FIZYKI NURKOWANIAFIZYKI NURKOWANIA

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAPODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA

CIŚNIENIECIŚNIENIE

Jednostki fizycznenazwa oznaczenie jednostki

masa m g, kgsiła, ciężar F, Q G, kG, Ndługość l, L cm, m, kmpowierzchnia S cm2, m2

objętość V l, m3

ciśnienie p, P Pa, hPa, MPa, bar, at, atm, (ata), psi

temperatura t, T ˚C, ˚K, (˚F, ˚R)prędkość v m/sprzyspieszenie a, g(ziemskie) m/s2

czas t s, min, h (=godz.)



zamiana jednostek ciśnieniazestawienie dla praktyki nurkowej



zamiana jednostek ciśnienia - przykłady

1at = 1kG/cm2 ≈ 10N/(0,01m)2 = 10/0,0001 N/m2 == 10 * 10000 Pa = 105Pa = 1bar ≈ 10mH2O

1atm = 760mmHg = 76cm * 13,6 G/cm3 == 1033G/cm2 = 1,03kG/cm ≈ 1at

1bar ≈ 1at ≈ 1atm1MPa = 10barów ≈ 10at ≈ 10atm

UWAGA: 1kG = 9,81N ≈ 10N

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAPODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA WODAWODA

własności wody

• niezwykła zależność gęstości od temperatury- pływanie lodu- opadanie wody 4˚C

• b. wysoka przewodność cieplna: efektchłodzenia

• b. duże ciepło właściwe (tzn. ilość ciepłapotrzebna do ogrzania 1g o 1˚)

• b. duże ciepło parowania (tzn. ilość ciepłapotrzebna do odparowania 1g)

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA WODA

własności wody (c.d.)

• b. duże ciepło zamarzania / topnienia• b. duże napięcie powierzchniowe• b. duży efekt kapilarny• b. wysoka stała dialektyczna – efekt rozpuszczania• praktyczna nieściśliwość

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAWODA

niezwykła zależność gęstości od temperatury

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAPOWIETRZE

cechy fizyczne powietrza

powietrze - skład

Azot 78,00%Tlen 21,00%Dwutlenek węgla 0,03%Inne gazy 0,97%w tym argon 0,93%

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAPOWIETRZE

ciśnienie i gęstośćgęstość przy 0˚C, 1atm = 1,23kg/m3

1km ≈ -0,1atwysokość ciśnienie

[km] [bar]

0 1,011 0,902 0,803 0,704 0,625 0,546 0,477 0,418 0,36

Mount Everest

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIACIŚNIENIE

Ciśnienie całkowite –PRAWO TORICELLI’EGO

Ciśnienie całkowite na danej głębokości w wodzie jest sumą ciśnień powietrza na powierzchni oraz ciśnienia (nadciśnienia) słupa wody.

Pcałk.= Patm + Pwody

≈ 1 + h/10 [at], [ata], [bar]

Gdzie h[m] – głębokość w wodzie


Prawo Torricelli’ego

PAtmosferyczne

PHydrostatyczne

P Atmosferyczne + P Hydrostatyczne

= P Całkowite

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAPŁYWALNOŚĆ CIAŁ

pływalność ciał –PRAWO ARCHIMEDESA

Ciało zanurzone w wodzie traci na wadze tyle, ile waży wada przezeń wyparta.

pojęcia:-siła wyporu, środek wyporu-siła ciężkości, środek ciężkości-pływalność, stateczność

pływalność = siła wyporu – siła ciężkości


Prawo Archimedesa

10 kG

123456789

10

9 kG

123456789

10

Objętość [V] = 1 litr

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA Pływalność ciał

Kontrola pływalności

Dodatnia

Obojętna

UjemnaUjemna

Dodatnia

Obojętna


prawo Archimedesa –przykład

pływalność nurka wzrasta w trakcie nurkowania w skutek ubytku powietrza na danej głębokości w tempie ok.:

(1+h/10)*0,023 kG/m3

tak więc, dla h = 40 m, t = 10 minspadek ciężaru nurka = 1,15 kG


Prawo Pascalaciśnienie w danym punkcie zbiornika,

wypełnionego cieczą lub gazem, jest identyczne we wszystkich kierunkach,

lub inaczej –

zanurzone na określoną, stałą głębokość ciało podlega równomiernemu ciśnieniu ze

wszystkich stron.


Prawo PascalaJeżeli na płyn (gaz lub ciecz) w zamkniętym zbiorniku

zostanie wywarte ciśnienie, wówczas ciśnienie to rozchodzi się w zbiorniku równomiernie we wszystkich

kierunkach.

R1 = R2 = R3

R

R1 R2

Jelita

Płuca

Żołądek

Tchawica

Oskrzela

Zatoki

Drogi oddechowe

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA Prawa gazowe

prawa gazowegaz doskonały

p*V=const

T

równanieClapeyrona

(równanie stanu gazu doskonałego)

T=const p. Boyle’a – Mariotte’a(izoterm.) zmiana P, V

P=const p. Charlesa(izobar.) zmiana V, T

(izochor.) zmiana P, T

(adiabat.) zmiana P, V, T

V=const p. Gay-Lusaca

H=const p. Poissona

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAPrawa gazowe

Równanie Clapeyrona P*V/T = const (= n*R) => P1*V1/T1 = P2*V2/T2

gdziestan „1” – przed zmianą, stan „2” – po zmianie; const (constans) = stałe [łac.]P – ciśnienie absolutne, mierzone zwykle (w Europie) w barach lub atmosferach, V – objętość, mierzona zwykle w m3 lub litrachT – temperatura absolutna, mierzona zwykle w stopniach Kelvina [º K] = 273 + t [º C]Dodatkowo: n – miara ilości gazu [w gramocząstkach] oraz R – uniwersalna stała gazowa)

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA Prawa gazowe

prawo Boyle’a-Mariotte’adla T=const, P*V = const => P1*V1= P2*V2,

przemiana izotermiczna

Zastosowanie: zmiana obj. gazów i zużycie powietrza pod wodą, zapas gazu.

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAJEDNOSTKI FIZYCZNE

POWIETRZE1/5

Dla ustalonej masy gazu, przy stałej

temperaturze,ciśnienie jest

odwrotnie proporcjonalne

do objętości

1 0 m 1 at

1/210 m 2 at

1/320 m 3 at

1/430 m 4 at

1/540 m 5 at

POWIETRZE1/4

POWIETRZE1/3

POWIETRZE1/2

POWIETRZE1

1 at 0 m

2 at 10 m

3 at 20 m

4 at 30 m

5 at 40 m

Prawo Boyle’a – Mariotte’a

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PRAWA GAZOWE

prawo Boyle’a-Mariotte’a

przykład – nurkowanie na bezdechu na 20m

P1=1at

P2=1+h/10=3at

V1=6l

V2=P1V1/P2=1*6/3=2l

Pływalność spada o 4 kG.


prawo Charlesadla V=const, P/T= const => P1/T1= P2/T2,

przemiana izochoryczna

Zastosowanie: nagrzewanie i schładzanie butli.


prawo Charlesa

przykład – Butla bezpośrednio po naładowaniu do 200 at ma temperaturę 35º C. Jakie jest ciśnienie w butli gdy schłodzimy ją do temp. 4º C.Odp. wg prawa Charlesa: P2=P1*T2/T1 = 200*(273+4)/(273+35) = 200*0,899=179,8 at (ubytek ciśnienia 10%)Uwaga1: wynik nie zależy od objętości butli.Uwaga2: zużycie powietrza liczone wg standardowej zasady 20 l./min. / 4º C może być przeszacowane – powietrze w płucach przy każdym wdechu ogrzewa się od tkanki, zwiększając objętość.


prawo Poissona

P*Vk = const T const, k = 1,4 (dla „doskonałego” powietrza) H= const (brak wymiany ciepła z otoczeniem)przemiana adiabatyczna

Zastosowanie: chłodziarki sprężarkowe gazu, zapłon samoczynny w silniku Diesla.


Zagadka: pojemnik dwukomorowy

po wyrównaniu się ciśnienia, a) T -> T1, b) T=T1, c) T<T1?

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA GAZY RZECZYWISTE

efekt Joule`a–Thomsona efekt dodatni: spadek temperatury gazu rzeczywistego przy rozprężaniu poprzez dyszę lub zawór (uwaga: gaz idealny – nie istniejący w naturze, nie wykazuje takich efektów)

(H1=H2 => przemiana adiabatyczna)

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA EFEKT JOULE’A-THOMSONA (C.D.)

Uwaga: jeśli T1 jest większa niż tzw. „temperatura inwersji”, określona dla każdego gazu rzeczywistego, gaz ten nagrzewa się przy wypływie, a nie schładza! Temperatury inwersji: He = 40º K, N2 = 621º K, O2 = 764º K, Ne = 231º K, tzn. w temperaturach użytkowych np. +/- 40º C hel będzie się nagrzewał, azot i tlen schładzały.

W automacie oddechowym efekt ten powoduje obmarzanie dysz - przy oddychaniu powietrzem (inaczej niż przy helioksie!)


PRAWO DALTONA - ciśnienie mieszaniny gazów

Ciśnienie całkowite mieszaniny gazowej jest równe sumie ciśnień parcjalnych wszystkich składników

P = P1 + P2 + P3 +... Pn

Ciśnienie parcjalne danego składnika gazu Pi

(i=1,2..., n), przedstawić można jako iloczyn ciśnienia całkowitego P mieszaniny oraz udziału (frakcji) Fi tego składnika w mieszaninie

Pi = Fi * P


PRAWO DALTONA - przykładowe obliczenia

· ciśnienie parcjalne tlenu i azotu w powietrzu atmosferycznym · maksymalna głębokość nurkowania na powietrzu· maksymalna głębokość nurkowania na czystym

tlenie · maksymalna głębokość nurkowania dla Nitroksu · głębokość równoważna co do nasycenia azotem dla

Nitroksu (w stosunku do powietrza)

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAPRAWA GAZOWE

PRAWO DALTONA – przykład (c.d.) maksymalna głębokość nurkowania na powietrzu - ze względu na zatrucie tlenem

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAROZPUSZCZALNOŚĆ GAZÓW W

CIECZACH

PRAWO HENRY’EGO – rozpuszczanie się gazu w danej cieczyRozpuszczalność gazu w cieczy rośnie proporcjonalnie do ciśnienia gazu będącego w kontakcie z cieczą

C = k*P gdzie: C - stężenie rozpuszczonego gazu k - wsp. rozpuszczalności danego gazu P - ciśnienie gazu


CIECZACH

PRAWO NERNSTA – rozpuszczanie się gazu w różnych, nie mieszających się cieczachStężenie rozpuszczonego gazu w każdej, nie mieszającej się cieczy poddanej wspólnemu ciśnieniu jest proporcjonalne do ciśnienia gazu oraz charakterystycznego dla danej cieczy tzw. współczynnika podziału

Ci=ki * P gdzie: Ci - stężenie rozpuszczonego gazu w i-tej cieczy

ki - współczynnik podziału (wsp. rozpuszczalności gazu w danej cieczy)

P - ciśnienie gazu


CIECZACH

Zmiany w czasie rozpuszczalności gazów w cieczach - nasycanie i odsycanie tkanek w trakcie nurkowania

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAPODSTAWY HYDRODYNAMIKI

PRAWO BERNOULLIEGOZwiązek między prędkością przepływu gazu (cieczy) z jego ciśnieniem statycznym (tzn. mierzonym prostopadle do strugi) jest następujący: ρgh + 0,5 ρV2 + p = constgdzie:ρ - gęstość płynu (gazu)g – przyspieszenie ziemskieh – wysokość. przykłady: wiatrowe wzbudzanie falowania wody, przyciąganie się mijających się statków. Automat oddechowy – wspomaganie.


PRAWO BERNOULLIEGO-przykłady (c.d)


EFEKT VENTURIEGO różnica ciśnień wskazywanych przez barometr jest proporcjonalna do kwadratu prędkości przepływu płynu v przed dyszą i wynosi: (ρV2/2)[(1- (S/s)2] = p – P < 0tzn. S/s > 1 => p - P < 0Przyrząd wynalazł włoskifizyk G.B. Venturi(1746-1822).


SIŁA OPORU W WODZIE:

Px = (ρV2/2)SCx; Cx=Cx(V) ≈const .

Obiekt całkowicie zanurzony: Px ~ V, V2;

Obiekt częściowo zanurzony: Px ~ V, V2, V3 nurek Cx > 0,5, ryba Cx < 0,1, samochód Cx = 0,3-0,4 Przepływy:· laminarne· turbulentne· nieoderwane · oderwane.

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAPodstawy optyki podwodnej

PRAWO SNELLIUSA - załamanie światła pomiędzy ośrodkami

prawo optyki geometrycznej opisujące zjawisko załamania światła. Wyraża się wzorem:n = sin(α) / sin(β) = v/ugdzie: przykład:n - współczynnik załamaniaα - kąt padania światłaβ - kąt załamania światłav i u - prędkości światła odpowiednio w I i II ośrodku.


WIDZENIE W WODZIE


PENETRACJA ŚWIATŁA W GŁĄB WODY

PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAPodstawy akustyki podwodnej

330 m/s?Kierunek

?Kierunek

1.500 m/s

dr inż. Jan ParczewskiINSTRUKTOR PŁETWONURKOWANIA M2 F000009

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

Jednostki fizyczne Cechy fizyczne wody i powietrza Prawa fizyczne Przykłady obliczeń

Documents

Transcript of Jednostki fizyczne Cechy fizyczne wody i powietrza Prawa fizyczne Przykłady obliczeń