Eine der fantastischen Konsequenzen der Anmeldung zu einem Sporttauchkurs besteht darin, einige grundlegende physikalische Konzepte zu erlernen und diese auf die Unterwasserwelt anzuwenden. Boyles Gesetz ist eines dieser Konzepte.
Das Boyle-Gesetz erklärt, wie sich das Volumen eines Gases mit dem Umgebungsdruck ändert. Viele Aspekte der Tauchphysik und Tauchtheorie werden klar, wenn Sie dieses einfache Gasgesetz verstehen.
Boyles Gesetz lautet:
In dieser Gleichung steht P für den Druck, V für das Volumen und c für eine konstante (feste) Zahl.
Wenn Sie kein Mathematiker sind, kann dies verwirrend klingen. Aber verzweifeln Sie nicht. Diese Gleichung besagt, dass für ein gegebenes Gas, wie z. B. Luft in der Tarierweste eines Tauchers, wenn Sie den Druck des umgebenden Gases mit dem Gasvolumen multiplizieren, Sie immer die gleiche Zahl erhalten.
Da sich die Antwort der Gleichung nicht ändern kann (deshalb wird sie als Konstante bezeichnet), wissen wir, dass das Volumen des Gases (V) kleiner werden muss, wenn wir den Druck um ein Gas (P) erhöhen. Umgekehrt wird das Volumen des Gases größer, wenn wir den Druck um das Gas verringern. Das ist es! Das ist Boyles gesamtes Gesetz.
Schon fast. Der einzige andere Aspekt des Boyle-Gesetzes, das Sie wissen müssen, ist, dass das Gesetz nur bei einer konstanten Temperatur gilt. Wenn Sie die Temperatur eines Gases erhöhen oder verringern, funktioniert die Gleichung nicht mehr.
Anwendung des Boyles-Gesetzes
Boyles Gesetz beschreibt die Rolle des Wasserdrucks in der Tauchumgebung. Es gilt und betrifft viele Aspekte des Gerätetauchens. Betrachten Sie die folgenden Beispiele:
- Abtauchen - Wenn ein Taucher abtaucht, erhöht sich der Wasserdruck um ihn herum, wodurch die Luft in seiner Tauchausrüstung und seinem Körper ein geringeres Volumen einnimmt (komprimiert).
- Aufstieg - Wenn ein Taucher aufsteigt, nimmt der Wasserdruck ab, daher besagt das Boylesche Gesetz, dass sich die Luft in seiner Ausrüstung und seinem Körper ausdehnt, um ein größeres Volumen einzunehmen.
Viele der Sicherheitsregeln und -protokolle beim Gerätetauchen wurden erstellt, um einem Taucher zu helfen, die Kompression und Expansion der Luft aufgrund von Änderungen des Wasserdrucks auszugleichen. Zum Beispiel führt die Kompression und Expansion von Gas dazu, dass Sie Ihre Ohren ausgleichen, Ihr BCD anpassen und Sicherheitsstopps einlegen müssen.
Beispiele für das Boyle-Gesetz in der Tauchumgebung
Wer einmal getaucht ist, hat das Gesetz von Boyle aus erster Hand erlebt. Zum Beispiel:
- Aufstieg - Wenn ein Taucher aufsteigt, nimmt der Wasserdruck um ihn herum ab und die Luft in seinem Tarierjacket dehnt sich aus. Aus diesem Grund muss er beim Aufsteigen überschüssige Luft aus seinem Tarierjacket ablassen, da er sonst durch die sich ausdehnende Luft die Kontrolle über seinen Auftrieb verliert.
- Abstieg - Wenn ein Taucher abtaucht, steigt der Wasserdruck um ihn herum und komprimiert die Luft in seinen Ohren. Er muss den Druck in seinen Ohren ausgleichen, um Schmerzen und eine mögliche Ohrverletzung, die als Ohr-Barotrauma bezeichnet wird, zu vermeiden.
Sicherheitsregeln beim Tauchen, abgeleitet von Boyles Gesetz
Boyles Gesetz erklärt einige der wichtigsten Sicherheitsregeln beim Gerätetauchen.
Hier zwei Beispiele:
- Halten Sie den Atem nicht unter Wasser an - Laut Tauchausbildungsorganisationen sollte ein Taucher niemals unter Wasser den Atem anhalten, denn wenn er (auch nur wenige Meter) in einen Bereich mit geringerem Wasserdruck aufsteigt, dehnt sich die in seinen Lungen eingeschlossene Luft entsprechend aus Boyles Gesetz. Die sich ausdehnende Luft kann die Lunge des Tauchers dehnen und zu einem pulmonalen Barotrauma führen. Dies geschieht natürlich nur, wenn Sie mit angehaltenem Atem aufsteigen, und viele Organisationen für technisches Tauchen ändern diese Regel in "Halten Sie nicht den Atem an und steigen Sie auf."
- Langsam aufsteigen - Der Körper eines Tauchers absorbiert während des Tauchens komprimiertes Stickstoffgas. Wenn er in eine Tiefe mit weniger Wasserdruck aufsteigt, dehnt sich dieses Stickstoffgas nach dem Boyleschen Gesetz aus. Wenn ein Taucher nicht langsam genug aufsteigt, damit sein Körper dieses sich ausdehnende Stickstoffgas eliminieren kann, kann es winzige Blasen in seinem Blut und Gewebe bilden und eine Dekompressionskrankheit verursachen.
Warum eine konstante Temperatur erforderlich ist, um Boyle's zu verwenden
Wie oben erwähnt, gilt das Gesetz von Boyle nur für Gase mit konstanter Temperatur. Das Erhitzen eines Gases bewirkt, dass es sich ausdehnt, und das Abkühlen eines Gases bewirkt, dass es komprimiert wird.
Ein Taucher kann dieses Phänomen beobachten, wenn er eine warme Tauchflasche in kälteres Wasser taucht. Die Manometeranzeige eines warmen Tanks sinkt, wenn der Tank in kaltes Wasser getaucht wird, da das Gas im Tank komprimiert wird.
Bei Gasen, die einer Temperaturänderung sowie einer Tiefenänderung unterliegen, muss die Änderung des Gasvolumens aufgrund der Temperaturänderung berücksichtigt werden, und das einfache Gesetz von Boyle muss modifiziert werden, um die Temperatur zu berücksichtigen.
Das Gesetz von Boyle ermöglicht es Tauchern, vorauszusehen, wie sich die Luft während eines Tauchgangs verhält. Dieses Gesetz hilft Tauchern, die Gründe für viele Sicherheitsrichtlinien des Gerätetauchens zu verstehen.