Fizyka nurkowania

Prawo Archimedesa

Wchodząc do wody czujemy się lżejsi, wręcz unosimy się na wodzie, dzieje się tak z powodu siły wyporu. Siła wyporu towarzyszy każdemu ciału znajdującemu się w wodzie, jej źródłem jest parcie cieczy. Zwrot działania siły wyporu skierowany jest przeciwnie, niż siły ciężkości. Odpowiednie prawo sformułował grecki uczony Archimedes. 

 

Na ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu,
równa co do wartości ciężarowi wypartej przez ciało cieczy .

 

Kontrola pływalności, należy do tych umiejętności płetwonurka, od których opanowania zależeć będzie komfort i bezpieczeństwo wszystkich nurkowań. Nauka kontroli pływalności opiera się w zasadzie głównie na ćwiczeniach praktycznych, jednak podanie podstawowych reguł rządzących zmianami pływalności oraz informacje dotyczące obsługi kamizelki ratowniczo-wyrównawczej (następny rozdział) powinny ułatwić opanowanie tej umiejętności.

Siła wyporu działa pionowo do góry i "zaczepiona" jest w tzw. środku wyporu, który pokrywa się ze środkiem ciężkości wypartej cieczy.

Należy pamiętać, że siła ciężkości nie przestaje działać. Jest ona równa ciężarowi ciała, skierowana pionowo w dół i "zaczepiona" w jego środku ciężkości.

W warunkach równowagi obie siły równoważą się. Jeżeli tak nie jest, ciało zmienia swoje położenie - opada albo wypływa.

Liczbowo, siłę ciężkości "G" oraz siłę wyporu "W" możemy wyrazić następującymi wzorami:

 

G = gcia* V * g, 
W =gcie * V *g

gdzie:

gcie - gęstość cieczy,
gcia- gęstość ciała,
V- objętość ciała,
g- przyspieszenie ziemskie =9,81

 

W zależności od relacji pomiędzy siłą wyporu i siłą ciężkości wyróżniamy następujące stany pływalności:

• pływalność "dodatnia", kiedy W>F,
• pływalność "ujemna", kiedy F>W,
• pływalność "zerowa" (neutralna), kiedy F=W.

Utrzymanie równowagi pod wodą - doskonała pływalność zerowa

Wiemy, że do regulacji pływalności służy sprzęt:

• system wypornościowy czyli BCD lub BC - pozwala na największe zmiany pływalności, od ujemnej, do dodatniej, utrzymywani nurka w sposób bezpieczny na powierzchni wody. Pojemność systemów wypornościowych waha się od 10-50kg, chodź może mieć i więcej. Przeciętnie system wypornościowy posiada wyporność między 15-20kg, powinien być dostosowany do posiadanego sprzętu.
• system balastowy – najczęściej w postaci pasa balastowy, pozwala zrównoważyć dodatnia pływalność skafandra nurkowego (pianki, skafandra suchego). Ilość balastu należy ustalić, przed każdym nurkowaniem, przed którym nasz sprzęt uległ zmianie w elementach wpływających na pływalność, chodzi tu o grubość oraz rodzaj skafandra, rodzaj butli, stosowany system wypornościowy, dodatkowe obciążenie, latarka, kamera filmowa. Nawet zmiana środowiska, z wody słonej na słodką i odwrotnie powinna być uwzględniona. Dobór balastu zostanie opisany przy ćwiczeniu „wyważenie kontrolne”.

Nie tylko właściwy sprzęt jest niezbędny, aby utrzymać pływalność neutralną. Nawet małe zmiany miedzy siłą wyporu a siłą ciężkości będą powodowały, zmianę pływalności na dodatnia albo ujemną. Płuca są ważnym elementem tego układu, nawet normalny oddech wpływa na zmianę pływalności. Przypomnę najważniejszą zasada w nurkowaniu brzmi, cały czas oddychaj i nigdy nie wstrzymuj oddechu. Zapytacie jak to zrobić, aby jednocześnie oddychać i regulować pływalność?

Spawa jest bardzo prosta, wstępnie pływalności regulujemy BCD, przez jej napełnienie lub opróżnienie. Płuca służą wyłącznie do utrzymania danej głębokości. Oddech powinien być normalny, zbyt głęboki wdech lub wydech powoduje duże zmiany pływalności utrudniające utrzymanie danego poziomu w wodzie. Nasza pływalność w wodzie jest zerowa, jednak nie znaczy to wcale, że nasze ciało nie posiada masy, strata masy ciała jest pozorna. Właśnie z powodu masy ciała, powstaje siła bezwładności, która powoduje, że wszelkie zmiany w pływalności zachodzą z pewnym opóźnieniem. I tak, jeżeli weźmiemy wdech, to wcale nie znaczy, że natychmiast zaczniemy się wynurzać, nastąpi pewna zwłoka czasowa. Regulacja pływalności płucami polega na takim wyregulowaniu oddechu, aby oddychać w przeciw fazie do zmian pływalności tzn., kiedy lekko opadamy, bierzemy wdech, kiedy podnosimy się do góry robimy wydech. Nasza pływalność będzie się zmieniała w minimalnym zakresie, maksymalnie kilku centymetrów.

Zapoczątkowanie zanurzania polega na wykonaniu wydechu, zanurzenie o kilka centymetrów powoduje wzrost ciśnienia wody i ściśnięcie, BCD – pływalność spadnie, zaczniemy się zanurzać, aby prędkość zanurzania nie była zbyt duża należy, w trakcie zanurzania cały czas dopełniać gazem BCD, aby utrzymać stałą, cały czas lekko ujemna pływalność. Gaz do BCD wpuszczamy przez impulsowe naciskanie przycisku oddawczego na inflatorze. Prawidłową obsługę inflatora wymaga treningu. Dobrym ćwiczeniem do uczącym regulacji pływalności jest: balansowanie na płetwach, zawiśnięcie w toni, oba są  opisane w dziale podstawowe umiejętności.

Gęstość ciała ludzkiego jest w przybliżeniu równa gęstości wody, tak, więc nie ubrani w sprzęt nurkowy, posiadamy pływalność neutralną a to czy unosimy się na powierzchni czy zanurzamy pod wodę zależy głównie od ilości powietrza wypełniającego nasze płuca.

Regulacja pływalności

Na pływalność płetwonurka pod wodą ma wpływ szereg czynników, zostały one przedstawione graficznie poniżej.

 

Przykład 1.

 

Nurek przy średnim wdechu ma pływalność zerową (pływalnością w żargonie nurkowym nazywamy różnicę pomiędzy siłą wyporu całkowicie zanurzonego ciała i jego ciężarem). Jaką pływalność będzie miał, jeżeli wypuści z płuc 2 l powietrza?

Rozwiązanie.
Po wypuszczeniu z płuc 2 l powietrza, objętość jego ciała zmniejszy o 2 l, zatem działająca na niego siła wyporu zmniejszy się o 2 kG. Ponieważ uprzednio siła ciężkości i wyporu równoważyły się, teraz ciężar jest o 2 kG większy od siły wyporu i nurek ma pływalność ujemną, równą -2 kG.

 

Zadanie 4A, 4B.

 

Nurek waży 60kg. Jedzie nurkować w Morzu Martwym, w którym na skutek zasolenia gęstość wody wynosi 1,3kg/l. O ile więcej kg obciążników będzie musiał zabrać zakładając, ze jest wyważony na warunki wody słodkiej?

Rozwiązanie.
Pomyślmy, płetwonurek waży 60kg i ma pływalność zerową, tzn że wyparł 60l wody. Woda słodka ma ciężar 1kg/l. Teraz też musi wyprzeć 60l wody aby mógł się zanurzyć, problem w tym że woda ma większą gęstość =1,3kg/l. Różnica w gęstości wynosi 1,3kg/l-1,0kg/l=0,3kg/l czyli aby zanurzyć każdy następny kg swojego ciała musi zabrać więcej o 0,3kg. Obliczenie jest już proste 60kg*0,3=18kg. Straszne o 18kg więcej.
Można zadać pytanie, jak często nurkuje się w Morzu Martwym? Odpowiedź wcale się tam nie nurkuje, chodzi tylko pokazanie jak wielki wpływ ma zmiana ciężaru wody. Przeprowadźmy podobne obliczenie dla Morza Śródziemnego. Jego zasolenie wynosi 39g/l co przy dużym uproszczeniu da nam ciężar wody ok. 1,04kg/l. Nasz płetwonurek będzie musiał zabrać 60kg * 0,04 = 2,4kg

 

Przykład 3.

 

Nurek mający bez skafandra pływalność "0" potrzebuje do zrównoważenia swojej pływalności na powierzchni 10 obciążników o ciężarze 0,5 kG.

a).Jaką będzie miał pływalność w skafandrze z tym obciążeniem na głębokości 40m?
b). Ile musi zabrać obciążników by mieć pływalność "0" na tej głębokości?

Rozwiązanie:
Praktycznie całe obciążenie 10*0.5 kG=5kG potrzebne jest do zrównoważenia siły wyporu działającej na powietrze zawarte w skafandrze. Zawiera on więc 5l gazu. Po zanurzeniu na głębokość 40m, gdzie panuje ciśnienie 5 at, powietrze to spręży się do objętości 5-cio krotnie mniejszej, czyli do 1 l i będzie na nie działać siła wyporu 1kG. Nurek wraz ze swoim skafandrem stracił 4l objętości. Ponieważ na powierzchni miał pływalność zerową, na 40 m ma pływalność ujemną, równą -4kG.

 

Przykład 4.

 

Nurek o pojemności całkowitej płuc 6l, ma na pełnym wdechu na powierzchni pływalność 2 kG. Jaką będzie miał po zanurkowaniu z zatrzymanym oddechem do głębokości

a). 10m,
b). 20m ?

Rozwiązanie:
Przy nurkowaniu zmienia się ciśnienie otaczające nurka. Ponieważ powietrze w płucach nie zmienia swojej temperatury, zgodnie z przemianą izotermiczną:

P*V=Po*Vo

V=Po*Vo/P

a). Ponieważ Po=Pa=1at, Vo=6 l, P1=Pa+Ph=2at V=3 l
Początkowa objętość powietrza równa 6 l zmniejszyła się do 3 l, zatem nurek po zanurzeniu zmniejszył swoją całkowitą objętość o 3 l, a pływalność o 3kG. Ponieważ na powierzchni jego pływalność wynosiła 2 kG, po zanurzeniu na głębokość 10m jego pływalność jest ujemna i wynosi -1kG.