Tauchtiefe – Druck und Luftvolumen
Schlagwörter: Tauchen, Druck, Volumen, Luft
Beim Tauchen spielt der Druck eine wesentliche Rolle. Neben dem Druckausgleich beim Abtauchen, müssen wir auch berücksichtigen, dass der Druck einen Einfluss auf unsere Atmung und die Luft in unserer Flasche hat. Mit steigenden Tauchtiefen, nimmt auch unser Luftbedarf zu.
Welchen Einfluss hat die Tauchtiefe auf unsere Atmung?
Wir wissen, dass: Je tiefer wir tauchen, desto höher wird der Druck. ⇒ Druck in verschiedenen Tiefen
Wie wirkt sich das auf die Atmung unter Wasser aus?
Dazu betrachten wir eine Luftblase in verschiedenen Tiefen. ►01
Eine Blase oder ein Luftballon haben eine flexible Hülle. Im Innenraum befindet sich z.B. Luft. Die Luft wurde in diesem Beispiel an der Oberfläche bei einem Druck von 1bar eingeschlossen. Wenn sich der Außendruck ändert, dann ändert sich auch das Volumen der Blase (Gesetz von Boyle-Mariotte). Zwischen dem Innen- und Außendruck stellt sich ein Gleichgewicht ein, so dass in der Blase annährend der Außendruck herrscht.
Je tiefer wir tauchen, desto kleiner wird das Volumen der Blase. Das müssen wir bei der Planung des Tauchgangs berücksichtigen.
Wir betrachten eine normale 12 l Tauchflasche. Diese wird mit einem Druck von 200 bar mit Pressluft befüllt. Damit ist der Druck in der Flasche 200-mal höher, als der der Außenluft. Die Luftmenge in der Flasche entspricht also einem Volumen von 2400 l unter Normaldruck.
{\large \frac{12\,\,\text{Liter}}{\text{beim Druck }1\text{ bar}}\cdot 200\,\text{bar}\,\text{=}2400\,\text{Liter}}
Wenn die Luft die Flasche in einer Tiefe von 10 m verlässt, dann hat sich das Verhältnis von Innen- und Außendruck geändert.
{\large\frac{12\,\,\text{Liter}}{\text{beim Druck }2\text{ bar}}\cdot 200\,\text{bar}\,\text{=}1200\,\text{Liter} }
Obwohl die Stoffmenge in der Flasche unverändert ist, reduziert sich das Volumen des austretenden Gases.
Unser Körper ist verschwenderisch
Das Lungenvolumen eines 1,6 m großen Menschen beträgt ca. 4 l. Zur Bestimmung des Lungenvolumens gibt es verschiedene Faustformeln. Eine lautet:
{\large\displaystyle \begin{array}{l}\frac{\text{K }\!\!\ddot{\mathrm{o}}\!\!\text{ rpergr }\!\!\ddot{\mathrm{o}}\!\!\text{ }\!\!\beta\!\!\text{ e}}{\text{1 m}}\text{ }\cdot \,\text{2}\text{,5 l}\,\text{= Lungenvolumen}\\\\\frac{1,60}{1\,\text{m}}\,\,\cdot \,\,2,5\,\text{l}=\,4,0\,\text{l}\end{array} }
Bei normaler Belastung atmen wir pro Minute ca. 12-15-mal. Das normale Atemzugvolumen richtet sich u.a. nach der Körpermasse. In der Medizin geht man davon aus, dass das normale Atemzugvolumen bei ca. 6-8 ml/kg liegt.
Für eine Person (70 kg) gilt dann:
{\large\frac{7\text{ ml}}{kg}\cdot 70\text{ kg = }490\text{ ml pro Atemzug}}
In der Minute atmet ein Mensch mit der Masse 70 kg dann ca. 6,5 l Luft ein.
An der Oberfläche atmen wir mit jedem Atemzug ca. 0,5 l Luft ein. Wenn wir in einer Tiefe von 10 m einatmen, dann atmen wir das gleiche Luftvolumen ein. Da aber der Umgebungsdruck in 10m Wassertiefe doppelt so hoch ist, ist auch die eingeatmete Luft komprimiert. Dabei geht unser Körper sehr „verschwenderisch“ vor. Das Volumen das wir einatmen ist zwar das Gleiche geblieben, aber die Stoffmenge, also die Anzahl der Sauerstoff und Stickstoffatome hat sich verdoppelt. Obwohl unserem Körper in 10 m Wassertiefe die doppelte Anzahl von Sauerstoffatomen zur Verfügung stehen, müssen wir genauso viel Atmen, wie an der Wasseroberfläche. Diese Rechnung setzt sich für größere Tiefen fort. Damit reduziert sich auch das für die Oberfläche berechnete Luftvolumen.
Je tiefer wir tauchen, desto früher ist der Luftvorrat in unserer Flasche aufgebraucht.
Was passiert mit den „zu viel“ eingeatmeten Gasen?
Die zu viel eingeatmeten Gase können für unseren Körper auch gefährlich werden. Um diese Gefahren richtig abzuschätzen, benötigen wir eine weitere Größe, den Partialdruck.
Beispiele
Wir gehen davon aus, dass ein Taucher pro Minute 14-mal atmet. Dabei atmet er mit jedem Atemzug 0,5 l Luftvolumen.
{\large \frac{0,5\,\text{l}}{1\,\text{min}}\cdot 14\approx \text{7}\,\frac{\text{l}}{\text{min}}}
an der Oberfläche (0 m)
Die verwendete Tauchflasche hat ein Volumen von 12 l und wird unter einem Druck von 230 bar befüllt. Unter Berücksichtigung der Sicherheitsreserve von 50 bar stehen dem Taucher 180 bar zur Verfügung.
{\large \begin{array}{l}\frac{180\,\text{bar}}{1\,\text{bar}}\,\cdot \,12\,\text{l}=2160\,\text{l}\\\\2160\,\text{l}\,\text{:}\,\text{7}\,\frac{\text{l}}{\text{min}}\approx 300\,\text{min}\end{array}}
An der Oberfläche könnte der Taucher mit der Luft aus der Flasche optimal 300 min atmen.
in 10 m Tiefe
In 10 m Tiefe beträgt der Druck 2 bar.
{\large\begin{array}{l}\frac{180\,\text{bar}}{2\,\text{bar}}\,\cdot \,12\,\text{l}=1080\,\text{l}\\\\1080\,\text{l}\,\text{:}\,\text{7}\,\frac{\text{l}}{\text{min}}\approx 150\,\text{min}\end{array} }
In einer Tiefe von 10 m könnte der Taucher mit der Luft aus der Flasche optimal 150 min atmen.
in 20 m Tiefe
In 20 m Tiefe beträgt der Druck 3 bar.
{\large\begin{array}{l}\frac{180\,\text{bar}}{3\,\text{bar}}\,\cdot \,12\,\text{l}=720\,\text{l}\\\\720\,\text{l}\,\text{:}\,\text{7}\,\frac{\text{l}}{\text{min}}\approx 100\,\text{min}\end{array}}
In einer Tiefe von 20 m könnte der Taucher mit der Luft aus der Flasche optimal 100 min atmen.
in 30 m Tiefe
In 30 m Tiefe beträgt der Druck 4 bar.
{\large\begin{array}{l}\frac{180\,\text{bar}}{4\,\text{bar}}\,\cdot \,12\,\text{l}=540\,\text{l}\\\\540\,\text{l}\,\text{:}\,\text{7}\,\frac{\text{l}}{\text{min}}\approx 77\,\text{min}\end{array} }
In einer Tiefe von 30 m könnte der Taucher mit der Luft aus der Flasche optimal 77 min atmen.
Wir erkennen, je tiefer wir tauchen, desto früher haben wir die Luft in unserer Flasche aufgebraucht.
Die Berechnungen und die Tauchzeiten (optimal) gelten nur für sehr erfahrene Taucher. Ungeübte Taucher werden bis zu 4-mal mehr Luft benötigen. Die mehr benötigte Luft ist dabei auf die folgenden Faktoren zurückzuführen:
- Aufregung
- zusätzliche Kraftanstrengung bei der Bewegung unter Wasser
- keine waagerechte Position, dadurch mehr Anstrengung beim Bewegen
- falscher Einsatz der Flossen,
- Halten der Höhe durch Körperbewegungen statt Atmung und BCD
- Luft zum Tarieren des Auftriebs