Tauchphysik

Gesetz von Boyle-Mariotte: Druck und Gasvolumina

Wie wir wissen, können Gase komprimiert werden, d.h. sie verkleinern bei steigendem Druck ihr Volumen.

here Im Alltag sehen wir das bei der Fahrradpumpe. Wenn wir vorne das Ventil mit dem Finger zuhalten und den Kolben niederdrücken, verringert sich in der Pumpe das Volumen und der steigt.

Das hat natürlich auch große Auswirkungen auf das Tauchen. Wenn wir einen mit Luft gefüllten Ballon ins Wasser mitnehmen und abtauchen, sehen wir, dass der Ballon kleiner wird. Blasen wir umgekehrt einen Ballon in der Tiefe etwas auf, dann wird er beim Auftauchen größer, eventuell platzt er auch. Erklärt wird uns dies im Gesetz von Boyle und Marriotte:

Das Gesetz von Boyle und Mariotte

Dieses Gesetz beschreibt den Sachverhalt, dass in einem abgeschlossenen Behälter das Volumen sich proportional zum Druck ändert, sofern die Temperatur gleich bleibt. Das Verhältnis von Volumen zu Druck ist also konstant:

p · V = k

Wir können also auch zwei unterschiedliche Drücke und Volumina miteinander vergleichen:

p₁ · V₁ = p₂ · V₂

Damit kann man z.B. das Volumen eines gasgefüllten Gegenstands auf unterschiedlichen Tiefen ausrechnen, wenn man das Anfangsvolumen und die Drücke weiß:

Beispiel:
Wir blasen in 25m Tiefe in einen Hebesack 1,5l Luft . Wie groß ist das Volumen auf 12m Tiefe? Die Anfangstiefe von 25m entspricht 3,5 bar, die Endtiefe auf 12m entspricht 2,2 bar. Damit gilt:

Das Volumen des Hebesacks beträgt auf 12m Tiefe 2,38l.

Druckänderung beim Abtauchen

Nehmen wir einmal an, wir würden einen zwölf Liter Ballon mit in die Tiefe nehmen - wie stark würde sich das Volumen ändern? Seht selbst:

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Natürlich nehmen wir selten Ballons mit in die Tiefe, aber diese Volumenänderung betrifft alle luftgefüllten Räume die wir mit in die Tiefe nehmen, die unserer Ausrüstung (Luftbläschen im Neoprenanzug, Tarierjacket) und die unseres Körpers (Stirn- & Nebenhöhlen, Lunge, Ohr). Dabei unterscheiden wir zwischen flexiblen Räumen (z.B. Bläschen im Neopren) und starren (z.B. Nebenhöhlen). Bei den flexiblen können wir diese Volumenänderung beobachten - der Neoprenanzug wird dünner, aber die starren Knochenhöhlen können nicht nachgeben und ihr Volumen verringern. Deswegen ist es wichtig, dass diese mit dem Rachenraum verbunden sind, damit man einen Druckausgleich machen kann. Ist dies nicht der Fall kann es zu einem Barotrauma kommen. Die Ursachen und Auswirkungen werden im entsprechenden Teil des Kapitels Medizin behandelt.

Beim Abtauchen spielt das Gesetz von Boyle-Mariotte auch eine wichtige Rolle in Bezug auf unseren Abtrieb . Wenn wir abtauchen, reduziert sich das Volumen unseres Jackets und das des Neoprenanzugs. Durch die Volumenreduktion erhalten wir aber mehr Abtrieb, so dass wir schneller sinken. Um also eine kontrollierte Sinkgeschwindigkeit zu erhalten oder uns auf einer bestimmten Höhe auszutarieren , müssen wir durch Zugabe von Luft das Volumen des Jackets wieder erhöhen.

Druckänderung beim Auftauchen

Analog gilt natürlich, dass sich Luft gefüllte Körper ausdehnen, wenn sie auftauchen:

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Auch hier sind für uns sowohl flexible als auch starre Räume interessant. Flexible Räume können sich beim Aufstieg ausdehnen, bei starren muss die Luft entweichen, sonst kommt es zu einem Überdruck in diesen und damit wiederum zu einem Barotrauma.

Ganz besonders wichtig ist es aber, daran zu denken, dass auch bei flexiblen Körpern die Ausdehnung begrenzt ist. Wird die maximal mögliche Ausdehnung überschritten, kann dieser Körper platzen. Haben wir z.B. ein Jacket mit einem Volumen von 15l und pumpen es auf 20m auf 10l, hätte es auf 10m sein maximales Volumen erreicht (Volumenzunahme zwischen 20 und 10m entspricht 50% also in diesem Fall 5l). Steigen wir weiter, bestünde die Gefahr, dass das Jacket platzt. Damit dem nicht so ist, haben Jackets Überdruckventile eingebaut, damit der Druck entweichen kann. Da das Volumen proportional zunimmt, nimmt entsprechend der Auftrieb proportional zu, d.h. man würde in so einem Fall auch immer schneller steigen. Um nicht unkontrolliert aufzuschießen, müssen wir daher aus unserem Jacket beim Austauchen immer entsprechend Luft ablassen.

Unsere Lunge hat leider keine Überdruckventile. Wenn man davon ausgeht, dass eine Durchschnittslunge eine Totalkapazität von ungefähr 6l hat, kann man sich vorstellen was passieren würde, wenn man auf 10m mit 4l Luft in der Lunge zur Oberfläche steigen und dabei die Luft anhalten würde. Nach unserer Formel wäre die Totalkapazität erreicht bei:

1,33 bar haben wir auf einer Wassertiefe von 3,3m. Da die Lunge sehr empfindlich ist und nur einen ganz geringen Überdruck tolerieren kann, besteht bei weiterem Auftauchen mit angehaltenem Atem die Gefahr eines Lungenrisses! Deswegen ist es lebenswichtig, beim Auftauchen immer kontinuierlich (aus-) zu atmen!

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