Tauchen
Schlagwörter: Tauchen, Auftrieb, Druck, Projekt, Ausrüstung, Maske, BCD, Druckausgleich
Das Tauchen eröffnet den Einblick in einen faszinierenden Teil unserer Welt. Während wir uns über Wasser nur auf dem Boden bewegen können, bietet uns das Tauchen die Möglichkeit, uns frei in 3 Dimensionen zu bewegen. Das ist eine unglaubliche Erfahrung. Aber auch der erste Atemzug unter Wasser ist eine Erfahrung, an die sich die meisten Taucher noch erinnern können.
Neben der Faszination bietet das Tauchen aber auch Gefahren, so wie im täglichen Leben üblich. Daher ist es sinnvoll, sich vor dem Tauchen mit der Physik des Tauchens und einigen Regeln vertraut zu machen.
Inhalte zum Tauchen
Die folgenden Inhalte zum Tauchen sollen beschrieben werden:
- Druck
- Auftrieb
- Druckausgleich
- Taucherausrüstung
- ABC (Maske, Schnorchel, Flossen)
- Regulator, Atemregler, Oktopus
- BCD und Inflator
- Flasche
- Neopren
- Blei
- Tauchcomputer
- Tauchen und Sicherheit
- Tauchtiefen und Partialdruck
- Tauchtiefe und Luftbedarf (Tiefe-Druck-Volumen)
- Theorie – zu den Gasgesetzen
- Dekompression
- Optik unter Wasser
- Ist der Fisch wirklich so groß? … optische Hebung
- Licht und Farbe
Der Druck
Einen wesentlichen Einfluss beim Tauchen hat der Druck p. Schon beim Abtauchen ist er deutlich zu spüren. Der Druck hat aber auch einen entscheidenden Einfluss auf unsere Atmung, die Menge an benötigter Luft und damit auf unsere Gesundheit.
Auf der Erde baut sich der Luftdruck über die Luftsäule, die sich über uns befindet auf. Der Luftdruck auf N.N. beträgt ca. 1000 hPa bzw. 1 bar. ►03
Der gleiche Druck baut sich am Boden einer 10 m hohen Wassersäule auf. (vgl. Otto von Guericke). Das bedeutet, dass sich in 10 m Wassertiefe, der Druck auf unseren Körper verdoppelt hat, in 20 m Wassertiefe verdreifacht, … u.s.w. ►04
Dieser Druckunterschied ist beim Tauchen zu spüren. Daher sollte man auch nicht zu schnell ab- und auftauchen.
zwei Aspekte des Druckunterschiedes
Druckausgleich in der Maske
Wenn wir die Tauchermaske vor dem Abtauchen aufsetzen, dann herrscht im Raum zwischen Maskenglas und unserem Gesicht der Normaldruck p0. Beim Abtauchen vergrößert sich der Außendruck pA. Das Maskenglas wird zunehmend an unser Gesicht gepresst. Daher ist es erforderlich, einen Druckausgleich durchzuführen. Wenn wir ein wenig durch die Nase ausatmen, dann gelangt zusätzliche Luft in die Maske. Innen- und Außendruck gleichen sich aus. Wenn wir zu stark ausatmen, dann wird die Luftmenge, die einen Überdruck erzeugen würde, über die Ränder der Maske abgegeben. Auf die gleiche Weise können wir auch Wasser, das in die Maske eingedrungen ist, ausblasen.
Gasmenge in der Atemluft
Wenn sich der Außendruck erhöht, dann wirkt dieser auch auf die eingeatmete Luft. Wenn die Luft durch den höheren Druck stärker komprimiert wird, dann atmen wir auch mehr Sauerstoff und Stickstoff ein.
Die normale Verteilung der Gase in unserer Atemluft ist ca. 21% Sauerstoff und 78% Stickstoff. Das fehlende Prozent enthält Kohlenstoffdioxid und Edelgase. Die werden im Folgenden nicht berücksichtigt.
Anteil vs. Absolutmenge
Wir gehen davon aus, dass wir unter Normaldruck eine Luftmenge von 0,6 Liter einatmen. Diese enthält dann 21% Sauerstoff und 78% Stickstoff.
Wenn wir uns in einer Wassertiefe von 10 m befinden, dann hat sich der Außendruck verdoppelt. Wir atmen wieder 0,6 Liter Luft ein. Die prozentuale Verteilung von Sauerstoff und Stickstoff hat sich nicht geändert. Was sich geändert hat ist die Anzahl der Sauerstoff und Stickstoffatome, sie hat sich verdoppelt. (für größere Tiefen analog)
Unser Körper erhält jetzt mit jedem Atemzug die doppelte Menge an Stickstoff und Sauerstoff.
Wie schon Paracelsius sagte: „Die Dosis macht das Gift.“, ist auch hier zu viel des Guten zu Viel. Zum Leben benötigen wir Sauerstoff, aber ab einer gewissen Menge wirkt der Sauerstoff für unseren Körper giftig. Erste Symptome der Sauerstoffvergiftung sind z.B. Übelkeit, Schwindel, Angstzustände, Krämpfe. Auswirkungen der Sauerstoffvergiftung machen sich ab einem Partialdruck von 1,4 bar bemerkbar.
In der Luft ist aber auch Stickstoff enthalten. Eine erhöhte Stickstoffmenge führt zu Ausfallerscheinungen. Der Stickstoff löst sich u.a. im Gehirn und verursacht dadurch Symptome wie bei einem Alkoholrausch. Eine Stickstoffvergiftung führt u.a. zur Orientierungslosigkeit und einer verlangsamten Reaktionszeit.
Die Auswirkungen der Stickstoffvergiftung machen sich ab einem Partialdruck von ca. 3,2bar bemerkbar.
Partialdruck
Das Wort Partialdruck setzt sich aus den Teilen partial + Druck zusammen. Partial bedeutet „teilweise“. Damit ist das Wort auch schon erklärt. Mit dem Partialdruck sind die Teildrücke verschiedener Gase in einem Gasgemisch gemeint. Die Summe der Partialdrücke aller Gase in einem Gemisch ergibt den Gesamtdruck.
Beispiel: Um das eine Prozent der Restgase zu vernachlässigen, runden wir den Stickstoffanteil auf 79%.
- Luft bei Normaldruck 1 bar:
- 21% Sauerstoff – Partialdruck 0,21 bar
- 79% Stickstoff – Partialdruck 0,79 bar
- Summe der Partialdrücke: 0,21 bar + 0,79 bar = 1 bar.
- In einer Tiefe von 10m – beträgt der Druck 2 bar:
- 21% Sauerstoff – Partialdruck 0,42 bar
- 79% Stickstoff – Partialdruck 1,58 bar
- Summe der Partialdrücke: 0,42 bar + 1,58 bar = 2 bar.
Wir wissen, dass ab einem Partialdruck von 1,4 bar eine Sauerstoffvergiftung und ab einem Partialdruck von 3,2 bar eine Stickstoffvergiftung auftreten kann. In welchen Tiefen erreichen wir diese Partialdrücke?
Wir gehen bei folgender Tabelle von Atemluft (normale Verteilung der Gase) aus.
Wir sehen in der Tabelle, dass die Tauchtiefe bei normaler Atemluft durch den Partialdruck von Stickstoff auf eine Tiefe von 31 m begrenzt ist. Sauerstoffvergiftungen würden erst ab einer Tiefe von ca. 57 m auftreten.
Wenn mit anderen Gasgemischen getaucht wird, dann werden sich auch die Partialdrücke deutlich ändern. Eine übliche Gasmischung ist sauerstoffangereichetes Gas – NITROX.
Für NITROX 32% beträgt die MOD (Maximum Operating Depth) 33,7 m.
Wie können wir die MOD berechnen?
In der Beispielrechnung nutzen wir mit Sauerstoff angereichertes Gas, NITROX-32. Hier beträgt der Sauerstoffgehalt z.B. 32%. Der Partialdruck des Sauerstoffs darf maximal 1,4 bar betragen.
{ \begin{array}{l}MOD\,=\,\left( \frac{\max imaler\,\,Partialdruck\,\,des\,\,Sauerstoffs}{Anteil\,\,des\,\,Sauerstoffs\,\,im\,\,Gas}-Normaldruck \right)\cdot 10\frac{m}{bar}\\\\MOD\,=\,\left( \frac{1,4\,bar}{0,32}\,-\,1\,bar \right)\cdot 10\frac{m}{bar}\\MOD\,=\,\left( 4,375\,bar-1\,bar \right)\cdot 10\frac{m}{bar}\\MOD\,=\,\left( 3,375\,bar \right)\cdot 10\frac{m}{bar}\,\\MOD\,=\,33,75\,m\end{array} }
Wenn wir mit NITROX 32% tauchen, dann beträgt die MOD (Maximum Operating Depth) 33,7 m.
Dekompression
Die Dekompression ist ein eigenes Thema und wird ⇒ hier betrachtet.
Wie reguliere Ich als Taucher den Auftrieb?
zum BCD
Bevor wir ins Wasser gehen, füllen wir das BCD (Buoyancy Control Device) mit Luft. Egal, ob wir von einer Plattform springen, oder eine Rückwärtsrolle vom Boot machen, das befüllte BCD sorgt dafür, dass wir an die Oberfläche zurückkommen.
Zum Abtauchen lassen wir langsam Luft aus dem BCD. Die Auftriebskraft sinkt und wir können abtauchen. Das Volumen des BCDs bleibt jetzt aber nicht konstant. Je tiefer wir sind, desto höher wird der Druck. Dadurch wird auch unser BCD stärker zusammengepresst. Das Volumen des BCDs sinkt. Je tiefer wir tauchen, desto mehr Luft müssen wir im BCD nachfüllen.
Beim Auftauchen müssen wir das auch beachten. Das Luftvolumen, das sich in 20 m Tiefe in unserm BCD befunden hat, wird sich bis zu Oberfläche hin verdreifachen. Je näher wir der Wasseroberfläche kommen, desto größer wird der Auftrieb.
Neopren
Wie bereits bei der Ausrüstung gezeigt, sind im Material viele kleine Lufteinschlüsse. Auch diese beeinflussen den Auftrieb. Wie die Luft im BCD, so werden auch die Luftblasen im Neopren zusammengepresst. Damit nimmt der Auftrieb des Neoprens mit zunehmender Tiefe ab.
Blei
Um den positiven Auftrieb den unser Körper, das BCD und der Neopren erzeugen zu kompensieren, benötigen wir Blei. Blei hat eine sehr große Dichte.
Die Menge des verwendeten Bleis hängt von unserer Körpermasse, dem Neopren, dem Salzgehalt des Gewässers und ein wenig von der persönlichen Erfahrungen ab.
Bei der Beratung verlasst euch auf die jeweilige Tauchschule. Die verwendete Bleimenge wird ca. 5% bis 10% von eurer Körpermasse betragen.
Atmung
Bei jedem Atemzug hebt und senkt sich euer Brustkorb. Das Körpervolumen ändert sich. Damit ändert sich auch der Auftrieb. Im „Spiel“ mit der Atmung lässt sich der Auftrieb kontrollieren. Je mehr Luft sich in unseren Lungen befindet, desto größer ist der Auftrieb.
Eine beliebte Übung zur Auftriebskontrolle sind die Liegestütze ohne Arme. In einer Tiefe von 10 m werden die Flossenspitzen auf dem Grund platziert. Die Arme werden vor der Brust verschränkt. Durch gezieltes Atmen kann der Oberkörper wie bei Liegestützen gehoben und abgesenkt werden.
Flasche
Die Pressluftflaschen gibt es aus Aluminium und Stahl. Die Stahlflaschen haben eine größere Masse. Daher benötigt ihr bei der Verwendung von Stahlflaschen weniger Blei.