jednostki fizyczne cechy fizyczne wody i powietrza prawa fizyczne przykłady obliczeń
DESCRIPTION
Jednostki fizyczne Cechy fizyczne wody i powietrza Prawa fizyczne Przykłady obliczeń. dr inż. Jan Parczewski INSTRUKTOR PŁETWONURKOWANIA KDP/CMAS POL M2 F0 000009. PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA. PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA CIŚNIENIE. J ednostki fizyczne nazwa oznaczeniejednostki - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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.)
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAPODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA
CIŚNIENIECIŚNIENIE
zamiana jednostek ciśnieniazestawienie dla praktyki nurkowej
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAPODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA
CIŚNIENIECIŚNIENIE
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
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIACIŚNIENIE
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
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAPŁYWALNOŚĆ CIAŁ
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
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAPŁYWALNOŚĆ CIAŁ
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
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIACIŚNIENIE
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.
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIACIŚNIENIE
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.
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PRAWA GAZOWE
prawo Charlesadla V=const, P/T= const => P1/T1= P2/T2,
przemiana izochoryczna
Zastosowanie: nagrzewanie i schładzanie butli.
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PRAWA GAZOWE
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.
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PRAWA GAZOWE
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.
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PRAWA GAZOWE
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!)
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PRAWA GAZOWE
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
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIA PRAWA GAZOWE
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
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAROZPUSZCZALNOŚĆ GAZÓW W
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
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAROZPUSZCZALNOŚĆ GAZÓW W
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.
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAPODSTAWY HYDRODYNAMIKI
PRAWO BERNOULLIEGO-przykłady (c.d)
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAPODSTAWY HYDRODYNAMIKI
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).
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAPODSTAWY HYDRODYNAMIKI
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.
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAPodstawy optyki podwodnej
WIDZENIE W WODZIE
PODSTAWY FIZYKI NURKOWANIAPodstawy optyki podwodnej
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