Fizyka i chemia nurkowania, PORADNIKI, NURKOWANIE
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Fizyka i chemia nurkowania 1. Materia "Materia" jest substancją, która tworzy wszechświat. Dane, zarówno fizyków, jak i chemików, identyfikują ponad 100 odrębnych składników materii. Te różne formy materii zwane są "pierwiastkami". Z około 100 pierwiastków 90 występuje w naturze, pozostałe są produkowane w laboratorium. Na poziomie najbardziej podstawowym wszystkie substancje, zarówno żyjące, jak i nieożywione złożone są z pierwiastków, w różnych proporcjach i kombinacjach. Wg definicji pierwiastek jest substancją, która nie może być "rozłożona" w procesie chemicznym na substancje prostsze. Fundamentalną naturę pierwiastków przejrzyście obrazuje woda, złożona z dwóch pierwiastków: tlenu i wodoru. Poprzez różnorodne procesy chemiczne woda może być zredukowana do tych dwóch pierwiastków składowych, lecz żaden proces chemiczny nie może dalej zredukować tych elementów. Pierwiastki mogą być zmieniane bądź dekomponowane drogą rozszczepienia lub fuzji jądrowej, lecz wówczas nie zachowują właściwości pierwiastków. W rzeczywistości te procesy mogą tworzyć takie zasadnicze zmiany, że pierwiastek może stać się z materii energią, co jest zasadą energii atomowej. Tak więc pierwiastek jest najbardziej podstawową formą materii. Pierwiastki zawierają atomy. Atom jest najmniejszą cząstką pierwiastka, wykazującą specyficzne cechy chemiczne tego pierwiastka. Słowo "atom" pochodzi z greckiego pojęcia "niepodzielności". Atomy są tak małe, że aby osiągnąć grubość kartki papieru musielibyśmy posłużyć się ich kilkunastoma milionami. Atomy z kolei zawierają jeszcze mniejsze komponenty, ładunki ujemne - elektrony, ładunki dodatnie- protony oraz cząstki nie posiadające ładunków elektrycznych zwane neutronami. Przyciąganie ładunków dodatnich i ujemnych zapewnia spójność atomu. Dodatkowo, ponieważ całościowa liczba protonów i elektronów jest równa (w atomach niezjonizowanych - o tym więcej szczegółów dalej) atom jako całość ma charakter elektrycznie neutralny. Neutrony i protony są zlokalizowane w centrum atomu, do czego odnosimy określenie "jądro". Protony zaopatrują jądro w ładunek dodatni, wokół którego krążą ujemnie naładowane elektrony, co nazywamy. "chmurą elektronową". Pod względem wielkości średnica chmury elektronów jest 100,000 razy większa niż samego jądra. Można to zilustrować na przykładzie atomu wodoru: jeśli samo jądro miałoby wielkość pomarańczy, to średnica atomu miałaby około 6 km . Jednakże, ponieważ protony i neutrony są około 2000 razy cięższe od elektronów, jądro stanowi 99,9 % masy atomu. Całkowitą liczbę cząstek w jądrze atomu wyraża masa atomowa. Inną wielkością jest liczba atomowa. Mówiąc ogólnie, jest to liczba protonów wewnątrz jądra, która rozróżnia poszczególne pierwiastki.. Niektóre atomy tego samego pierwiastka mogą mieć różne liczby neutronów, choć zawierają ta samą liczbę protonów. Te wariacje tych samych pierwiastków nazywamy izotopami. Pod wpływem wielu czynników atomy łączą się wzajemnie w molekułę. Molekuły składają się z różnorodnych elementów określanych jako związek chemiczny. Molekuła jest najmniejszą częścią umiejącą zachowywać własności tego związku. Ponadto atomy tego samego pierwiastka czasami łączą się, by formować molekuły. Przykładem tego jest azot [Nitrogen], który tworzy dwuatomową molekułę gazową azota. Taka molekuła jest nazywana molekułą dwuatomową N2. Często wykazują one własności całkiem odmienne od pierwiastków, które je tworzą. Przykładem tego jest woda. Oba pierwiastki tego związku chemicznego; zarówno wodór jak i tlen w ich naturalnej postaci są gazami. Woda natomiast jest cieczą, substancją radykalnie różną od swych części elementarnych - gazów. Podobnie, elementy molekularne (tj. gaz azotowy) mogą zachowywać się różnie od tych samych elementów w postaci oddzielnych atomów. Atomy, wchodzące w skład molekuł połączone są w związki chemiczne. Tworzenie się związków chemicznych związane jest z reakcją chemiczną. Związki chemiczna mogą tworzyć jedynie atomy z kompatybilną strukturą atomową. Kompatybilność ta zależy od konfiguracji elektronów atomu. Elektrony okrążają jądro w określonych orbitach lub "powłokach", przy czym każda "powłoka" jest zdolna pomieścić jedynie określoną liczbę elektronów. O reaktywności pierwiastka decyduje konfiguracja elektronów na ostatniej (najdalszej) powłoce. Jeśli powłoka jest zapełniona, atom nie reaguje chemicznie. Takie pierwiastki nazywamy szlachetnymi ( przykładem jest tu He (hel) i N (azot). Inne pierwiastki mogą wchodzić w reakcje chemiczne, ale zawsze z określonymi komponentami. Najchętniej reagują z pierwiastkami mogącymi "uzupełnić" ich zewnętrzną powłokę elektronową. Tworzą wtedy wiązanie jonowe lub kowalencyjne. Typowym przykładem jest tu sól - chlorek sodu NaCl. Atom sodu posiada tylko jeden z 11 elektronów w zewnętrznej powłoce. Chlor zaś posiada prawie zapełnioną ( 7 elektronów z 8 możliwych) zewnętrzną powłokę. W tej sytuacji chlor "zabiera" jeden elektron od sodu i zapełnia swoją powłokę. W związku z tym ładunek całego atomu chloru zmienia się - staję się ujemny, tak jak przyłączony elektron. Jednocześnie zmienia się też konfiguracja sodu i jednocześnie jego ładunek staje się dodatni. Atomy naładowane (czyli w których ilość protonów nie równa się liczbie elektronów) nazywamy jonami. Takie dwa przeciwnie naładowane jony przyciągają się tworząc chlorek sodu, czyli popularną sól kuchenną. Niektóre atomy ani nie oddają ani nie przyjmują elektronów, dążąc do zapełniania zewnętrznych powłok. Zamiast tego "uwspólniają" z innym atomem zewnętrzne elektrony. Przykładem takiego wiązania jest woda H2O. Wiązanie takie nazywamy kowalencyjnym. W przypadku wody - dwa bardzo reaktywne pierwiastki - wodór H i tlen O łączą się tworząc stabilny związek chemiczny. Tlen wymaga dodania dwóch elektronów, aby zapełnić zewnętrzną powłokę. Każdy atom wodoru ma tylko jeden elektron i wymaga jeszcze jednego do zapełnienia powłoki. W kombinacji z dwoma atomami wodoru tlen otrzymuje jeden uwspólniony elektron od każdego z atomów wodoru, zaś każdy wodór otrzymuje po jednym uwspólnionym elektronie od tlenu. W rezultacie tej wzajemnej wymiany elektronów powstaje woda. Takie wiązanie powoduje wiele unikalnych własności wody, które będą omówione później. a) stany skupienia materii Pierwiastki i związki chemiczne mogą występować w jednej z trzech postaci: ciała stałego, cieczy i gazu. Woda np. występuje w swej naturalnej postaci jako ciecz, lecz również w postaci ciała stałego (lód) oraz gazu (para wodna). Postacie, w jakich występują zależą od tego, jak ściśle i sztywno poukładane są molekuły, tworzące substancję. Typowym najważniejszym czynnikiem, który ma na to wpływ jest temperatura (ciśnienie również lecz rzadziej), ponieważ ciepło wprawia molekuły w ruch. Temperatura jest miarą ruchliwości molekuł danej substancji. Najbardziej aktywne są molekuły ciepłej substancji, jeśli aktywność molekuł spada, mówi się o chłodzeniu substancji. Substancje z molekułami związanymi regularnie, w ścisłe wzory są ciałami stałymi. Jeśli temperatura rośnie, molekuły zaczynają wyślizgiwać się z ich ustalonych pozycji i poruszając następne, tworzą ciecz. Jeśli temperatura rośnie dalej powstaje gaz (rys. 1,2,3) Najlepszym przykładem są lód, woda i para, gdzie ciało stałe (lód) reprezentuje stan "najzimniejszy", a gaz (para) - "najcieplejszy". Ciała stałe i ciecze w nurkowaniu uważamy za nieściśliwe. Gazy natomiast są ściśliwe w wysokim stopniu. Molekuły tworzące gaz zajmują w przybliżeniu 1/1000 całkowitej objętości, jaką ma cały gaz w temperaturze pokojowej i normalnym ciśnieniu. To wyjaśnia ogromny stopień ściśliwości gazów i to jest ich cecha, która ma ogromne znaczenie dla nurkowania. 2) Energia Energia jest "zdolnością do wykonania pracy". Pojęcie energii i pracy jest bardzo zbliżone. Praca jest definiowana jako iloczyn siły i przesunięcia, mierzona jest w dżulach (J) (lub ergach). Erg to praca potrzebna do podniesienia 1 grama o 1 centymetr w polu grawitacyjnym. Dżul to mniej więcej 107 erga . W naszych rozważaniach ciężar i masa są utożsamiane co może być przyjęte dla uproszczenia chociaż w fizyce jest niedopuszczalne. Masa jest niezmienna (wyraża ilość materii) a ciężar zależy od siły grawitacji Z wyjątkiem reakcji jądrowych energia nie może być ani wytwarzana ani tracona lecz może zmieniać się w różne formy: ciepło, światło, elektryczność, energię chemiczną, energie mechaniczną. • Energia cieplna jest ruchem cząstek (molekuł) tworzących materię. Większa ruchliwość (większa średnia prędkość) to wyższa temperatura. Zapamiętajmy, że każda energia może się zamienić w ciepło. Ważne jest, że przy zamianie jednego rodzaju energii na inny zawsze część jest rozpraszana w postaci ciepła. • Światło to energia promieniowania elektromagnetycznego. Najlepszym przykładem jest energia słoneczna. Przykładem transformacji jest zmiana energii światła w procesie fotosyntezy na energia chemiczną. • Energia elektryczna jest wynikiem oddziaływania między ujemnie naładowanym elektronem i dodatnim protonem. Dobrym przykładem jest bateria. Gromadzi energię chemiczną, która poprzez energię elektryczną zmieniana jest na światło. • Energia chemiczna jest zgromadzona w postaci wiązań i układów molekuł. Np. benzyna - kiedy osiągnie temperaturę krytyczną reaguje z tlenem w reakcji chemicznej i oddaje ciepło. • Energia mechaniczna przejawia się jako ruch lub zdolność do ruchu. Jeśli ciało jest przytrzymane w jakiejś pozycji (np. na naciągniętej sprężynie) tak, że po zwolnieniu może wykonać jakąś pracę mówimy o energii potencjalnej. Gdy energia jest wynikiem samego ruchu, mówimy o energii kinetycznej. Przykładem obu energii jest ciało oscylujące na sprężynie. Energia kinetyczna cyklicznie zamieniana jest w energię potencjalną. 3) System metryczny i zero absolutne Objaśnianie chemii i fizyki wymaga poznania systemu metrycznego (SI) używanego przez te dziedziny. System metryczny dominuje w świecie, lecz niekoniecznie jest zrozumiały dla ludzi z kręgu kultury brytyjskiej (stopy, funty galony itp.). Dla nich krótki przegląd byłby użyteczny, a my skorzystamy z okazji poznania ich systemu. (rys.) W badaniach naukowych system metryczny jest zdecydowanie wygodniejszy poprzez fakt bazowania na częściach dziesiętnych. Dla zrozumienia prefiksów używanych w systemie dziesiętnym przypomnijmy: kilo = tysiąc (1000)(grec. - dla jednostek większych) mili = jedna tysięczna (0.001)(łac. - dla jednostek mniejszych) centi = jedna setna (0.01) deci = jedna dziesiąta (0.1) Podstawową jednostka mierzenia długości jest metr. 1 metr =39.37 cali. Mniejsze skale posługują się decymetrem (dm; dziesiąta część metra), centymetrem (cm; setna część metra) lub milimetrem(mm; tysięczna część metra). Dla większych odległości używany jest kilometr. 1 kilometr = 1000 metrów i w przybliżeniu sześć dziesiątych mili. Jednostki powierzchni są wyrażane jako kwadraty jednostek długości. Tak więc prostokąt 10 cm x 50 cm ma powierzchnię 500 cm2. Lub, innymi słowami, 0,05 m2 . Objętość jest wyrażana jednostką sześcienną, m3. Dodatkowo 1000 cm3 określane jest w systemie metrycznym jako litr. W przypadku skrzynki 10 cm x 20 cm x 30 cm mówimy o objętości 6000 cm3 lub 6 litrów , a nawet możemy powiedzieć o 6 000 000 mm3. Standardową jednostka metryczną dla mierzenia masy jest gram (g) zwyczajowo używaną dla określenia wagi.. 1 gram odpowiada wadze 1 cm3 wody. 1 kilogram = 1000 gram , tak więc kg = masie (wadze) 1 litra wody, która waży 2,2 funty w terminologii brytyjskiej. Jednostki długości mogą być używane pochodne (decygram i centygram - w Polsce nieprzyjęte) oraz miligram (mm). 1 kg = 1000g =1000 000mg lub 1g=0.001kg=1000mg (Uwaga! Ściśle rzecz ujmując CIĘŻAR i MASA to dwie różne wielkości. Ciężar to SIŁA z jaką Ziemia przyciąga ciało, zaś masa to ilość materii zgromadzonej w ciele. Ponieważ najłatwiej zmierzyć masę mierząc jej ciężar przy pomocy wagi, wynika stąd częste mylenie tych pojęć. Jest ono w większości przypadków nieszkodliwe - po prostu 1 kg masy na Ziemi ma ciężar 1kG. Bez szkody dla zrozumienia w dalszej części podręcznika te pojęcia są używane zamiennie. PAMIĘTAJ ! - 1 kilogram nie zawsze waży 1kG ! Np na Księżycu waży znacznie mniej choć masa jest nadal taka sama !) Nurkowie używający systemu metrycznego wyrażają ciśnienie w atmosferach fizycznych (1 atm) Często jest też w użyciu "milimetr słupa rtęci" (mmHg). W systemie metrycznym używany jest bar, który jest niemal równy 760 mmHg czyli 1 atm ( podstawową jednostka to paskal Pa = 1N/m2 ale to bardzo mała jednostka i niewygodnie używać tysięcy hektopascali) Użytkownicy systemu metrycznego używają OC (Celcjusz) do oznaczania temperatury. Skala ta bazuje na wodzie : 0OC ( 32F )-zamarzanie, 100OC ( 212F )- wrzenie. Konwersję miedzy C i F wyraża formuła: (1OC*1.8) + 32 = 1F lub 1OC=(1F-32)*0.555 (łatwiej zapamiętać ze 1.8=9/5 , 0.555=5/9) Prawidłową jednostka w systemie metrycznym jest kelwin (K). Jest to tzw. skala zera bezwzględnego. ( 0K=- 273C ) Skali K używa się w obliczeniach praw rządzących gazami. Zero absolutne to najniższa możliwa do osiągnięcia temperatura. W uproszczeniu można powiedzieć ze zanika ruch molekuł. 4) Woda Nurkowie zajmują się głównie zjawiskami fizycznymi występującymi pod wodą, dla zrozumienia zachodzących tam zjawisk potrzebne jest więc poznanie właściwości samej wody. Woda jest bardzo prostym związkiem chemicznym, lecz obdarzona niezwykłymi właściwościami. Jak wspomniano wcześniej, zawiera dwa atomy wodoru związane z jednym atomem tlenu (rys.). Atom tlenu przyciąga dwa atomy wodoru, co tworzy molekułę z dwoma atomami wodoru po jednej stronie i atomem tlenu po przeciwnej. Ujemny ładunek jest przesunięty w stronę tlenu zaś dodatni do wodoru. Skutkiem tej konfiguracji woda jest uważana za molekułę spolaryzowaną (dipol). Każda molekuła potrafi oddziaływać na pole innej molekuły wody. Tak więc woda posiada dwoistą charakterystykę wiązania. Podczas gdy jej atomy są związane chemicznie poprzez wiązanie kowalencyjne, molekuły wody są dodatkowo powiązane razem poprzez słabsze elektryczne (dipolowe) przyciąganie, określane jako wiązanie wodorowe, dzięki czemu woda jest cieczą. To słabsze wiązanie wodorowe odpowiedzialne jest za mnóstwo unikalnych własności wody. Np. bez zjawiska polaryzacji cząsteczki wody miałyby tendencję do łatwego rozseparowania, podobnie do innych substancji o podobnej masie cząsteczkowej. Gdyby tak było, woda w pokojowej temperaturze byłaby gazem a nie cieczą. Życie na ziemi w znanej formie nie mogłoby powstać. a) właściwości chemiczne i fizyczne wody Pierwszą istotną własnością wody jest występowanie zjawiska kohezji. Siły działające pomiędzy cząsteczkami cieczy nazywamy siłami kohezji, a pomiędzy cząsteczkami płynu i ciała stałego pozostającego w kontakcie z płynem siłami adhezji. Kohezja powoduje powstawanie napięcia powierzchniowego na powierzchni płynu. Napięcie powierzchniowe jest tak wielkie, że szpilka może być unoszona na jej powierzchni, mimo, że jest pięć razy cięższa od wody. Dlatego właśnie niektóre owady potrafią spacerować po wodzie. Rzeczywiście, woda ma najwyższe napięcie powierzchniowe ze wszystkich cieczy poza ciekłymi metalami. Woda jest również substancja wyjątkową ze względu na to, że jest niemal uniwersalnym rozpuszczalnikiem. Rzeczywiście, więcej substancji rozpuszcza się w wodzie niż w jakiejkolwiek innej pospolitej cieczy. To znów jest związane z jej polaryzacyjną naturą. Gdy jakaś substancja jest włożona do wody, molekuły zaczynają reagować w wyniku jej polaryzacji. Dodatnio naładowane części molekuł przyciągają stronę tlenową (ujemną) molekuły wody, a ujemnie naładowane części molekuł przyciągają stronę wodorową (dodatnią) molekuły wody. Substancje jonowe są w wodzie dosłownie rozpruwane (np. sól kuchenna) Warto zanotować, że molekuły niespolaryzowane niechętnie rozpuszczają się w wodzie. Ponieważ oleje i tłuszcze są niespolaryzowane, ich niezdolność do reakcji ze spolaryzowana wodą wyjaśnia, czemu olej i woda się nie mieszają. Mydło "miesza" wiązania miedzy spolaryzowanymi i niespolaryzowanymi molekułami, ułatwiając wodzie rozpuszczanie tłuszczu. b) woda i ciepło Inną ważna cechą wody są jej właściwości cieplne. Woda ma jedno z najwyższych w przyrodzie ciepło właściwe (pojemność cieplną) (amoniak jest jednym z wyjątków). Dla tego marzniemy podczas nurkowania w temperaturze, która w powietrzu byłaby komfortowa. Pojemność cieplna wyraża ilość ciepła, którą trzeba dostarczyć (odebrać) do ciała, aby zwiększyć (zmniejszyć) jego temperaturę. I znowu polarna natura wody odgrywa tu istotna rolę. Podczas ogrzewania wody część energii musi być najpierw "zużyta" na zerwanie wiązania wodorowego a dopiero potem zwiększana jest energia kinetyczna molekuł. Ta wielka pojemność cieplna wody jest jednym z podstawowych czynników stabilizujących klimat na Ziemi. Z tego tez powodu ciała zawierające wodę wolniej niż inne zmieniają swoją temperaturę. W porównaniu z innymi cieczami woda wolniej paruje podczas podgrzewania. Wolniej niż inne pospolite ciecze. Za to zjawisko odpowiedzialne jest duże ciepło parowania. Wynika ono z faktu że jak poprzednio część dostarczanej energii jest zużywana na rozbicie wiązań wodorowych Z tego samego powodu woda posiada wysokie ciepło topnienia. Kiedy woda zamarza wydziela mnóstwo energii, i podobnie kiedy topnieje pobiera energię. Inną ważna własnością wody jest zależność gęstości (ciężaru właściwego) od temperatury. Zwykła ciecz podczas ochładzania staje się coraz gęstsza i przechodzi w jeszcze bardziej gęste ciało stałe. Ciecz zamarza i jej cząsteczki zmniejszają swoją ruchliwość i zbliżają się do siebie. Ciało stałe jest gęstsze od cieczy i gromadzi się na dnie naczynia podczas zamarzania. Woda jednakże zachowuje się całkiem inaczej. Podczas ochładzania woda gęstnieje, ale tylko do temperatury 40C/39F gdzie jej ciężar właściwy osiąga maksimum. W tym punkcie spolaryzowane cząsteczki wody przylegają do siebie jak w sieci krystalicznej. W kryształach lodu cząsteczki są ułożone tak, że zajmują nieco więcej miejsca. W rezultacie lód ma MNIEJSZĄ gęstość niż woda i w rezultacie pływa a nie tonie. Pływający po powierzchni lód izoluje wodę i spowalnia proces dalszego zamarzania. Gdyby nie ta właściwość wody i lodu, ogromna cześć wody na Ziemi byłaby stale zamarznięta. Jednak dzięki tej właściwości woda o temperaturze 40C opada na dno i w głębokich jeziorach pozostaje w tej temperaturze cały rok. Wymaga tu wyjaśnienia istotna różnica między CIEPŁEM a TEMPERATURĄ. Choć popularnie myślimy, że to tożsame pojęcia, tak jednak nie jest. Ciepło jest miarą energii kinetycznej wszystkich molekuł danego ciała (jak ciało jest gęstsze to przy tej samej temperaturze zawieraj więcej energii niż ciało mniej gęste). Temperatura jest zaś miarą ŚREDNIEJ energii kinetycznej, czyli energii typowej cząsteczki w danym ciele. Dwie substancje mogą mieć tą samą temperaturę, lecz całkiem inne zgromadzone ciepło - całkowitą energię kinetyczną. Porównując wodę i powietrze - wyobraź sobie czajnik z powietrzem włożony do pomieszczenia o temperaturze 95 OC. Czajnik i powietrze w nim nagrzeją się do 95OC dość szybko. Gdyby czajnik był wypełniony wodą nagrzewałby się do tej temperatury znacznie dłużej. Jest to spowodowane faktem, że woda wymaga dużo więcej ciepła, aby zmienić swoja temperaturę w porównaniu z powietrzem. Tak wiec temperatura i ciepło są miarami innych wielkości fizycznych. Temperatura jest wyrażona w stopniach (C,F lub K) zaś ciepło w kaloriach, dżulach (J) zaś w UK w British Termal Units (BTU). Kaloria jest ilością ciepła (energią) wymaganą do podgrzania 1 cm3 wody o 1 stopień Celsiusa, BTU jest ciepłem wymaganym do podgrzania 1 funta wody o 1F . Poprzedni przykład w oczywisty sposób pokazuje, że jedna kaloria podgrzewa 1cm3 powietrza dużo więcej niż o 10C (analogicznie 1 BTU podgrzewa 1 funt powietrza dużo bardziej niż o 1F ) Tak naprawdę, gdyby MASY wody i powietrza były równe, woda wymagałaby tylko 4 razy więcej ciepła do podgrzania o tyle samo stopni. Z drugiej strony woda wymaga 3200 !!! razy więcej ciepła do podgrzania niż powietrze zajmujące tą sama OBJĘTOŚĆ. Wynika to oczywiście z różnych gęstości. Gęstość jest miarą MASY, która mieści się w pewnej OBJĘTOŚCI. Np. litr wody ma masę 1kg. ! litr powietrza ma masę 1.3 grama . Tak więc woda jest 770 razy bardziej gęsta niż powietrze ( 0.0013kg * 770 = 1kg) ( W systemie brytyjskim 1 stopa sześcienna wody ma masę 62.4 funta zaś powietrza 0.081 funta ) Dla wyjaśnienia efektów cieplnych podczas nurkowania, należy rozważyć różne powody przewodzenia ciepła. Występują tu 3 różne procesy: 1)przewodzenie, 2)konwekcja, 3)promieniowanie. Przewodzenie następuje w czasie bezpośredniego kontaktu. Przykładem jest łyżeczka w gorącej herbacie. Choć uchwyt pozostaje niezanurzony, w krótkim czasie staje się gorący. Molekuły wody w gorącej herbacie przekazują energię do zanurzonej części łyżeczki. Dalej energia jest przekazywana przez rączkę łyżeczki do góry, aż do momentu równowagi tzn. mniej więcej cała łyżeczka będzie miała jednakową temperaturę. Substancje łatwo transportujące ciepło ( np. metale) nazywamy dobrymi przewodnikami ciepła. Powietrze jest raczej dobrym izolatorem, ponieważ posiada złe przewodnictwo cieplne. Woda posiada tysiące razy większą pojemność cieplną od powietrza i jest ok. 20 razy lepszym przewodnikiem ciepła od powietrza. Dla tego też zanurzony nurek marznie o wiele szybciej niż w powietrzu. Konwekcja występuje podczas transmisji ciepła wewnątrz płynów lub gazów. Kiedy płyn jest podgrzewany, jego gęstość maleje i porcja ogrzanego płynu ma tendencje do wznoszenia się. Powoduje to ciągły ruch w podgrzewanej wodzie i transport ciepła do innych miejsc. Weźmy na przykład nurka pozbawionego ochrony cieplnej w wodzie. Woda ogrzana od skóry unosi się a na jej miejsce napływa zimniejsza. Z tego powodu zawsze marzniemy w chłodnej wodzie nawet jeśli pozostajemy nieruchomo. Promieniowanie odpowiada za transport ciepła poprzez fale elektromagnetyczne. Z takim zjawiskiem mamy do czynienia ogrzewając się w słońcu lub pobliżu ogniska. Taki rodzaj przepływu ciepła podczas nurkowania jest pomijalny. c) woda i światło Ludzkie oko widzi światło odbite od obiektów, zamieniając jego energie na impulsy elektryczne transmitowane do mózgu poprzez nerw wzrokowy. Ponieważ zachowanie światła zmienia się przy przejściu przez wodę, ludzie widzą pod wodą nieco inaczej niż w powietrzu. Woda zmienia bieg światła w wyniku zmącenia, rozpraszania, absorpcji oraz refrakcji. Każde z tych zjawisk zmienia światło w inny sposób. Chociaż tylko ok. 20% promieniowania osiąga głębokość 10m w czystej wodzie, dla procesów fotosyntezy wystarcza światła nawet na głębokości ok. 100m. Z drugiej strony w zmąconej wodzie, przy dużej koncentracji cząstek światło może być zaabsorbowane już na 3m. Duże stężenie przypadkowych cząstek jest odpowiedzialne za zmętnienie. Cząstki mogą być organiczne (np. plankton) lub nieorganiczne Zmętnienie może być spowodowane przez niegroźne czynniki jak np zmętnienie po deszczu, lub też szkodliwe dla zdrowia zanieczyszczenia. Nawet całkowicie czysta woda ugina i załamuje światło w zjawisku zwanym rozpraszaniem. Rozpraszanie redukuje zdolność światła do penetracji wody i zaburza jego kierunek. Dzięki temu cienie pod wodą są zredukowane lub nie występują wcale. Absorpcja po pierwsze wymaga zrozumienia natury energii świetlnej oraz sposobu w jaki oko reaguje na światło. Energia elektromagnetyczna ( w formie widzialnego światła) ma naturę falowa. Długość fali określa jej energię. Większość fal elektromagnetycznych jest niewidoczna dla oka ( np. podczerwień, nadfiolet, promieniowanie Roentgena, czy kosmiczne). Oko ludzkie rejestruje jedynie fragment widma, w zakresie długości fal od 400nm do ok. 760nm. Różnice w długościach fal widzimy jako kolory. Kiedy światło pada na jakiś obiekt, absorbuje on część promieniowania, a część odbija. Kiedy wszystkie długości fal odbijane są tak samo, dostrzegamy obiekt jako biały. Kiedy żadna (lub bardzo mało) fal nie obija się (całość jest absorbowana) oko dostrzega kolor jako czarny. Energia świetlna jest transportowana w postaci fal, które woda absorbuje. Kiedy światło penetruje wodę proces absorpcji zaczyna się od fal o najniższej energii - czerwonej końcówki widzialnego zakresu. Faktycznie światło czerwone zanika bardzo szybko wraz z głębokością. Kolejno absorbowane są pomarańcz i żółć. Stad głębiej obiekty, które były czerwone, lub żółte są teraz szare lub czarne. Jest tam już zbyt mało światła w takich barwach, które mogłoby się odbijać od przedmiotów. Czysta woda jest najbardziej przejrzysta dla fal o długości 480nm, co oko odbiera jako niebieski. Jednak w zanieczyszczonej wodzie maksimum przepuszczalności jest przesunięte do ok. 530 nm - pasmo zielono-żółte. To zjawisko wyjaśnia czemu niebieski dominuje w czystej wodzie, zaś w mętnej zielenie i żółcie. Efekty absorpcji uwidaczniają się zarówno w widzeniu kolorów jak i w kontraście. Trudniej w wodzie dostrzec obiekty o małym kontraście w stosunku do tła. Doświadczenie pokazuje, że zmętnienie, zasolenie, głębokość, oraz wielkość cząstek zanieczyszczeń mają wpływ na absorpcję światła w wodzie oraz kontrast widzenia. Jest to jedna z przyczyn dla których wyposażenie nurka często jest w kolorach fluorescencyjnych. Takie kolory są lepiej widzialne pod wodą ponieważ nie tylko odbijają barwy lecz także emitują światło o długości fal nie występujących pod woda. Dla tego też fluorescencyjne przedmioty zachowują swój kolor pod wodą. Zjawisko takie występuje również w naturze - np. niektóre ukwiały zachowują czerwony kolor pod wodą dzięki fluorescencji. Jeszcze jeden czynnik ma wpływ na sposób widzenia pod wodą. Oko adaptuje się do małej ilości światła otwierając tęczówkę. Gdy źrenica ma maksymalną średnicę, receptory światła w oku przestawia się z "widzenia dziennego" na "widzenie nocne". ( tzw pręciki i czopki) Zwiększa to czułość na światło lecz zmniejsza zdolność do rozróżniania barw. Ta adaptacja następuje po ok. 10 min , a w pełni po ok. 30 min. Aby przyspieszyć ten proces adaptacyjny szczególnie przed nocnym nurkowaniem, niektórzy nurkowie ( szczególnie wojskowi) ubierają czerwone okulary lub przebywają w czerwonym świetle przez 10-20 min przed nurkowaniem. Inną własnością światła mającą wpływ na widzenie podczas nurkowania jest refrakcja. Jest to tendencja do uginania się promieni światła podczas przechodzenia z jednego ośrodka do drugiego ( jak np. z wody do powietrza). Refrakcja jest spowodowana różną szybkością rozchodzenia się światłą w różnych ośrodkach. Np. światło rozchodzi się w powietrzu nieco szybciej niż w wodzie i kąt padania światła ugina się na granicy wody i powietrza (za wyjątkiem światła padającego prostopadle do lustra wody). Do patrzenia pod woda nurkowie używają maski. Światło przechodzi przez wodę, szkło, powietrze w masce i trafia do oka. Podczas każdej zmiany ośrodka następuje refrakcja. W rezultacie tego obiekty wydają się być bliżej ( są większe) Przybliżenie wynosi ok. 4/3. (np. obiekt odległy o ok. 4m wydaje się być oddalony o 3 m ). Początkujący nurkowie często mylą się z tego powodu, lecz z doświadczeniem szybko uczymy się prawidłowo oceniać odległość. Tendencja do zaniżania oceny odległości z powodu refrakcji jest bardzo ciekawa, ponieważ pozorna odległość może być przeciwnie - widoczna jako większa., tak wiec może się zdarzyć, ze obiekty wydają się być dalej niż w rzeczywistości. To zjawisko zwane efektem Tyndalla (visual reversal) zależy od głębokości i wydaje się być rezultatem zmniejszania jasności i redukcji kontrastu jak i braku zaznajomienia się ze zjawiskami zmian widzenia oraz braku wskazówek znanych człowiekowi na powierzchni. W bardziej zmąconej wodzie nawet bardzo bliskie obiekty mogą wydawać się dalsze. Jednakże generalną regułą pozostaje fakt, że obiekty wydają się być bliżej niż w rzeczywistości i jest to spowodowane refrakcją. W mętnej wodzie częściej zdarza się zjawisko wywołane efektem Tyndalla. Refrakcyjny efekt może powodować nie zmianę pozornej odległości, lecz wielkości. Powiększenie wynosi ok. 25% (jeżeli wydaje ci się, że obiekt ma metr to w rzeczywistości ma 75 cm ), lecz nurkowie szybko nabierają doświadczenia w kompensacji tego efektu. Zarówno zjawisko oddalenia jak i powiększenia są spowodowane tą sama refrakcją, lecz mózg nurka inaczej może zinterpretować efekt wizualny. Refrakcja może też być przyczyną powstawania ciągłego zafalowania i zmarszczek światła na dnie. Najlepiej jest to widoczne na płaskim piaszczystym dnie i jest spowodowane podobnym do soczewki działaniem fal na powierzchni. Grzbiet fali ugina światło skupiając je, co widzimy jako rozjaśnienia na dnie. Odbicia maja także wpływ na widzenie pod wodą. Kiedy światło pada na nieprzejrzysty obiekt jego część jak wspomniano ulega absorpcji, a cześć odbiciu co uzależnione jest od długości fali (koloru). Światło może się też odbijać od substancji prawie przeźroczystych, a nawet wody, jeżeli pada pod odpowiednim kątem. Z tego powodu najjaśniej pod woda jest między 10.00 a 14.00 kiedy słońce oświetla powierzchnie wody pod dużym kątem. Kiedy słońce jest niżej na niebie, coraz więcej światła odbija się od powierzchni wody i coraz mniej dostaje się pod powierzchnię. d) woda i dźwięk Podobnie jak w przypadku światła, dźwięk ma naturę falową. Podczas gdy fale świetlne przenoszą energię elektromagnetyczna, dźwięk zaś energie akustyczną (będąca forma energii mechanicznej). Energia elektromagnetyczna może być przenoszona niezależnie od materii (światło rozchodzi się w próżni), dźwięk zaś występuje tylko w materii. Jest on rezultatem pewnej akcji zachodzącej w obiekcie (np. drgań) czego efektem jest wytworzenie fali w ośrodku w którym występuje dźwięk. Taka fala może być kontynuowana w innym ośrodku. Np. dźwięk z wody (musi mieć bardzo duże natężenie) może być słyszalny na powierzchni. Fala dźwiękowa wzbudza błonę bębenkową w uchu, co nasz mózg interpretuje jako SŁYSZENIE. W przeciwieństwie do światła, dźwięk dobrze rozchodzi się w gęstych ośrodkach takich jak ciała stałe i ciecze. Molekuły w takich ciałach są gęściej upakowane i lepiej przenoszą zaburzenia falowe. W szczególności dźwięk nie rozchodzi się w próżni. Z powodu swojej gęstości woda jest wspaniałym ośrodkiem dla rozchodzenia się dźwięku. Prędkości dźwięku w czystej wodzie w temperaturze 15OC to ok. 1410 m/s ( w słonej, morskiej wodzie 1550m/s). Jest to ok. czterokrotnie więcej niż w powietrzu. Należy tu wspomnieć, że z punktu widzenia fizyki to nie gęstość, lecz sprężystość stanowi parametr decydujący o rozchodzeniu się dźwięku. Większość gęstych materiałów cechuje jednocześnie duża sprężystość, więc powyższe spostrzeżenie nie jest na ogół błędne. Przykładem są tu ołów i węgiel, które mimo dużej gęstości źle przewodzą dźwięk gdyż są mało elastyczne. Rezultatem dobrego przewodzenie dźwięku pod wodą jest lepsza niż na lądzie słyszalność z dużych odległości (szczególnie dźwięków o niskich częstotliwościach). Np. statek może być słyszalny nawet z 24 km ( 15 mil ) i nurkowie często słyszą łodzie będące daleko poza zasięgiem wzroku. Duża prędkość dźwięku w wodzie utrudnia rozeznanie co do kierunku z którego on dochodzi. Mózg określa kierunek dzięki interpretacji różnicy dźwięku w lewym i prawym uchu (różnica fazy dźwięku) co działa dobrze w powietrzu. Z powodu dużej szybkości dźwięku w wodzie, różnice te zanikają i nurek nie jest w stanie określić kierunku dźwięku. Ponieważ woda przewodzi dźwięk, ktoś może się zdziwić, że nie można mówić pod wodą. Struny głosowe wytwarzają dźwięk dzięki drganiu powietrza, zaś dźwięk z powietrza słabo przechodzi do wody. Z tego też powodu nurek zanurzony prawie nie słyszy dźwięków z powierzchni chyba, że są bardzo silne. Przez lata ludzie wymyślali różne urządzenia do komunikacji pod woda, lecz dopiero elektronika rozwiązała ten problem w sposób zadowalający. Różnice w prędkości dźwięku pod wpływem temperatury są widoczne szczególnie w pobliżu termokliny. Zmiany temperatury wywołują bowiem zmiany gęstości. Gdy dźwięk przechodzi miedzy ośrodkami o różnych gęstościach ( jak np. woda i powietrze) przy przejściu znaczna cześć energii jest rozpraszana. Tak więc, dźwięk ulega zmianie przy przejściu przez termoklinę lub porcję wody o innej temperaturze. Może się zdarzyć, że słychać dobrze dźwięk w jednym miejscu, zaś parę metrów dalej (np. pod termokliną) nie słychać go wcale. e) pływalność Siła jakiej poddane są zanurzone obiekty nazywana jest WYPOREM. Jest to siła działająca na każdy obiekt niezależnie czy zanurzony w toni czy pływający po powierzchni. Archimedes - grecki matematyk pierwszy opisał to zjawisko i stąd nazwa - prawo Archimedesa. Brzmi ono następująco: na ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu skierowana do góry równa ciężarowi cieczy wypartej przez to ciało. Prawo to jest spełnione dla dowolnych ciał zanurzonych ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
zanotowane.pldoc.pisz.plpdf.pisz.plgbp.keep.pl
|
