PADI Tauchtheorie auf Deutsch

Tauchtheorie – Physik ist eines der 5 Themen, die bei der PADI Tauchlehrerprüfung geprüft werden.

Ich habe diese PADI Tauchtheorie Studyguide auf Deutsch erstellt, um dir bei der Vorbereitung auf deine PADI Instructor Prüfung oder PADI Divemaster Prüfung zu helfen. Wenn du dich entscheidest, deinen PADI Divemaster Kurs oder PADI IDC mit Asia Scuba Instructors zu machen, wirst du Zugang zu vielen weiteren Materialien in unserem ‚Online-Classroom‘ haben.

Die Tauchtheorie – Physik Studyguide und die Übungsprüfungen sind hier auch in Englisch erhältlich.

Physik

Licht

Die Lichtgeschwindigkeit ändert sich beim Durchgang durch verschiedene Medien wie Luft, Glas oder Wasser. Dies beeinflusst die Art und Weise wie wir Dinge unter Wasser mit einer Tauchmaske sehen.

Wenn das Licht durch das Glas der Maske in den Luftraum der Maske fällt, bewirkt der Geschwindigkeitsunterschied eine Beugung der Lichtstrahlen. Diesen Effekt nennt man Refraktion. Für den Taucher erscheinen Objekte daher größer und näher zu sein als sie tatsächlich sind – etwa 33% größer und näher im Verhältnis 3:2.

Trübheit (schlechte Sicht unter Wasser) kann dazu führen, dass der Taucher denkt Objekte seien weiter entfernt sind als sie tatsächlich sind, weil sie durch Partikel im Wasser verdeckt werden. Dieses Phänomen ist bekannt als visuelle Umkehr.

Wenn Licht in das Wasser eindringt, werden die Lichtwellen in alle Richtungen gestreut. Deshalb erhalten unsere Augen weniger Licht, wenn wir tiefer gehen. Je klarer das Wasser ist und je höher der Sonnenwinkel ist (beispielsweise zur Mittagszeit), desto mehr Licht dringt ein.

 Licht wird zudem absorbiert wenn es durch Wasser dringt. Die roten Farben verschwinden zuerst und die blauen zuletzt. Deshalb sehen Unterwasserbilder oft blau aus.

Schall

Schall bewegt sich vier mal schneller durch das Wasser als durch die Luft. Das liegt daran, daß Wasser ein dichteres und elastischeres Medium als Luft ist – ca. 800-mal dichter. Weil der Schall beide Ohren fast gleichzeitig erreicht kann das Gehirn nicht bestimmen aus welcher Richtung das Geräusch kommt. Das Geräusch scheint von überall gleichzeitig zu kommen oder von oben.

Obwohl Taucher die Richtung nicht erkennen können, so können sie je nach Lautstärke feststellen ob das Geräusch näher oder weiter entfernt ist. Schall kann unter Wasser sehr lange Strecken zurücklegen.

 

Wärme

Wasser hat eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft; dies ist die Fähigkeit, Wärme von einem anderen Objekt wie einem Taucher abzuleiten. Wasser leitet Wärme ca. 20 mal schneller vom Taucher weg als Luft. Aus diesem Grund kühlt ein Taucher auch in wärmerem Wasser ohne Schutzanzug schnell ab.

Ein Taucher verliert unter Wasser durch drei verschiedene Methoden Wärme:

Konduktion (Wärmeleitung) hat den größten Einfluss auf den Taucher. Dies wird dadurch verursacht, daß der Taucher durch direkten Kontakt mit dem Wasser Wärme verliert.

Die zweite Methode ist KonvektionDies wird dadurch verursacht, dass warmes Wasser aufsteigt (weg vom Taucher) und durch kälteres Wasser ersetzt wird. So wie warme Luft aufsteigt und Wolken bildet.

Radiation (Strahlung) hat den geringsten Einfluss auf den Taucher; dies ist Wärmeübertragung ohne direkten Kontakt. Genau wie durch Sonnenstrahlen.

Konduktion (Wärmeleitung)

Konvektion

Radiation (Strahlung)

Druck

Druck wird in bar oder Atmosphären (atm) gemessen, die im Wesentlichen gleich sind.

Der Relative Druck ist der Druck des Wassers in einer bestimmten Tiefe (ohne Berücksichtigung des atmosphärischen Drucks).
Ein Manometer an einer Tauchflasche zeigt den relativen Druck an. Es wird Null angezeigt, wenn die Flasche leer ist.

Absoluter Druck oder Umgebungsdruck ist der Wasserdruck plus der atmosphärische Druck. (Auf Meereshöhe beträgt der atmosphärische Druck 1 bar / atm).

Der Druck im Meerwasser ändert sich alle 10 Meter um 1 bar.
Der Druck im Süßwasser ändert sich alle 10.3 Meter um 1 bar.

 

Um den relativen Druck in bar zu berechnen, multipliziere einfach die Wassertiefe mit 0,1 für Meerwasser und mit 0,097 für Süßwasser.

Beispiel:

Um den relativen Druck auf 37m in Meerwasser zu berechnen.
37 x 0,1 = 3,7 bar.
Der relative Druck auf 16m in Süßwasser.
16 x 0,097 = 1,55 bar.

Um den absoluten Druck in bar zu berechnen, wiederhole einfach den obigen Vorgang und addiere dann 1bar für den Luftdruck.

Beispiel:
Der absolute Druck auf 27m in Meerwasser.
27 x 0.1 = 2.7
2,7 + 1 = 3,7 bar.

Den absoluten Druck auf 22m in Süßwasser.
22 x 0.097 = 2.14
2,14 + 1 = 3,14 bar.

Denk daran, dass bei allen Fragen der Tauchphysik normalerweise der absolute Druck gefragt wird, außer wenn ausdrücklich nach dem relativen Druck gefragt wird

Druck und Volumen

Eine Flüssigkeit oder ein Feststoff sind nicht komprimierbar, aber ein Gas kann komprimiert werden, weil die Moleküle weiter voneinander entfernt sind.
Das Volumen eines Gases ist umgekehrt proportional zum Umgebungsdruck auf das Gas.

Beispiel: 
Wenn ein umgedrehter Eimer auf 20m heruntergenommen wird, was würde dann mit dem Luftvolumen in ihm geschehen?
Druck = 1 x 3
Volumen = ⅓

 

Wenn ein Ballon an der Oberfläche 15 Liter Luft enthält; was wäre sein Volumen, wenn dieser auf 40m abgesenkt würde?
15 ÷ 5 = 3 liter.

Wenn ein Ballon in 30m Tiefe, 7 Liter Luft enthält und dann an die Oberfläche gebracht wird; Wie groß wäre dann das Volumen?
7 x 4 = 28 liter.

Überlege: „Würde der Ballon größer oder kleiner werden?“ Dann weißt du, ob du multiplizieren oder dividieren musst.
Wenn das Objekt von einer Tiefe in eine andere wechselt ist es am einfachsten es zuerst gedanklich an die Oberfläche und dann wieder auf die neue Tiefe zu bringen.

Beispiel:
Du nimmst einen Ballon, der 5 Liter Luft enthält, von 35m bis 15m in Salzwasser, wie groß wäre sein neues Volumen?
5 x 4,5 = 22,5 Liter an der Oberfläche. Dann auf 15m bringen;
22.5 ÷ 2.5 = 9 liter auf 15m.

Und das gleiche in Süßwasser:
5 x 4,395 = 21,975 Liter an der Oberfläche.
21.975 ÷ 2.455 = 8.95 Liter auf 15m

Wenn in der Frage über einen flexiblen Behälter gesprochen wird, solltest du an einen Ballon denken. Ein unflexibler Behälter ist wie eine Tauchflasche – Eine Tauchflasche ändert, beim Wechseln der Tiefe weder das Volumen noch die Luftmenge die sie enthält.

Partialdruck

In einem Gasgemisch übt jedes Gas einen Druck aus, der proportional zum Prozentsatz dieses Gases im Gemisch ist. Wir nennen das Partialdruck.
Luft ist ein Gasgemisch, das 21% Sauerstoff und 79% Stickstoff enthält. An der Oberfläche beträgt der Druck 1 bar. Der Sauerstoffpartialdruck beträgt also 0,21 bar und der Stickstoffpartialdruck 0,79 bar.

Wenn wir tiefer gehen, steigt der absolute Druck, aber der Prozentsatz der Gase bleibt gleich.
Um den Partialdruck eines Gases in der Tiefe zu berechnen dividierst du den Prozentsatz des Gases in der Mischung durch 100 und multiplizierst ihn dann mit dem absoluten Druck auf dieser Tiefe.

Beispiel:
Wie hoch ist der Sauerstoffpartialdruck bei 30m mit Luft?
21 ÷ 100 = 0.21
0,21 x 4 = 0,84 bar.

 

Wie hoch ist der Partialdruck von Stickstoff bei 25 m mit EANx32?
(EANx32 enthält 32% Sauerstoff und 68% Stickstoff)
68 ÷ 100 = 0.68
0,68 x 3,5 = 2,38 bar.

Eine andere Frage, die sich auf Partialdrücke und kontaminierte Luft bezieht, ist die Folgende:
Wenn ein Taucher Luft mit 0,5% Kohlenmonoxid (CO) in 30m Tiefe atmet, hat dies den gleichen Effekt wie das Einatmen von ______% Kohlenmonoxid an der Oberfläche. In diesem Fall multiplizierst du einfach den Partialdruck:
0,5% x 4 bar = 2,0%

Aber wenn die Frage wäre wie viel Prozent CO der Taucher auf 30 m atmet, dann wäre die Antwort 0,5% . Der Prozentsatz ändert sich nicht. Lies die Fragestellung genau!

Druck und Absorption von Gasen

Wenn der Druck eines Gases in Kontakt mit einer Flüssigkeit erhöht wird, löst sich das Gas in der Flüssigkeit auf, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist. (gesättigt).
Wenn der Druck eines Gases, das mit einer Flüssigkeit in Kontakt kommt, verringert wird, bewegt sich das Gas aus der Flüssigkeit heraus (Übersättigung). Wenn dies schnell geschieht, können sich Blasen in der Flüssigkeit bilden.
Dies verursacht die Dekompressionskrankheit.

 

Sinken oder Treiben

Wenn ein Objekt in Salzwasser neutral tariert ist, sinkt es im Süßwasser. Wenn ein Objekt in Süßwasser neutral tariert ist, treibt es im Salzwasser. Wenn ein Objekt positiv oder negativ tariert ist kann nicht bestimmt werden was passiert wenn es von Süßwasser in Salzwasser gebracht würde oder umgekehrt. Dies weil du nicht weißt wieviel positiven oder negativen Auftrieb das Objekt hat.

 

Druck, Temperatur und Volumen

Druck, Volumen und Temperatur hängen zusammen. Wenn die Temperatur in einem Behälter steigt, so steigt entweder auch der Druck oder es steigt das Volumen. Als Faustregel gilt, dass sich in einer Tauchflasche die einer Temperaturänderung von einem Grad ausgesetzt wird der Druck um 0,6 bar ändert.
Das Volumen einer Tauchflasche ändert sich nicht.

EBeispiel:
Eine Tauchflasche wird bei 15 Grad Celsius auf 200 bar befüllt und erreicht dann eine Temperatur von 30 Grad Celsius in der Sonne. Wie hoch wäre jetzt der Druck in der Flasche?
30 – 15 = 15 Grad höher
15 x 0,6 = 9 bar höher
Druck wird = 209 bar.

 

Eine Tauchflasche wird bei einer Temperatur von 35° C auf 210 bar befüllt und kühlt dann im Wasser auf 5° C. Wie hoch wäre nun der Druck in der Flasche?
35 – 5 = 30
30 x 0.6 = 18
210 – 18 = 192 bar.

Auftrieb:

Wenn ein Objekt unter Wasser gedrückt wird,
drückt das Wasser zurück mit einer Kraft, die dem Gewicht des verdrängten Wassers entspricht.
Mit Süßwasser ist das einfach weil 1 Liter Süßwasser 1 Kilo wiegt .
Kilo und Liter sind also der gleiche Wert.
Wenn ein Objekt ein Volumen von 5 Litern hat, drückt das Wasser es mit also 5 Kilo nach oben.

In Meerwasser ist es ebenso einfach:
Aber 1 Liter Meerwasser wiegt 1,03 Kilo.
Kilo und Liter sind nicht die gleichen Werte.
5 Liter in ein Hebesack ergibt demnach 5 x 1,03 = 5,15 Kilo Auftrieb.

Wenn ein Objekt neutralen Auftrieb hat, entspricht die Kraft, die das Objekt nach unten drückt (das Gewicht des Objekts), der Kraft, die es nach oben drückt (die Kraft des Wassers).
Es kann hilfreich sein, ein kleines Schema zu zeichnen, um dies zu visualisieren.

Beispiel:
Ein Anker wiegt 220 kg. Er verdrängt 100 Liter Wasser. Was ist das Mindestvolumen, das zum Anheben dieses Ankers benötigt wird?

 

Süßwasser:
220 – 100 = 120 Liter

Meerwasser:
220 ÷ 1.03 – 100 = 113.6 Liter

Beispiel:
Meine Kamera und Gehäuse wiegen zusammen 4,4 kg. Wie viel Gewicht bräuchte ich um sie neutral zu machen, wenn das Gehäuse 5,2 Liter verdrängt?

Süßwasser:
5,2 – 4,4 = 0,8 kg

Meerwasser:
5.2 x 1.03 – 4.4 =
5,4 – 4,4 = 1 kg

Wenn wir Liter in Kilo umrechnen müssen oder umgekehrt,
ist es einfacher, in die Richtung zu rechnen, wonach gefragt wird.

Beispiel:
Ein Taucher in voller Tauchausrüstung wiegt 85kg. Er verdrängt 90 Liter Meerwasser. Wie viel Blei bräuchte er um neutral zu schweben?
Es wird nach kg gefragt also; Liter in Kilo umrechnen:

Nach unten
85 kg + ?? 

Nach oben
90 x 1.03 kg = 92.7 kg (Die Kraft nach oben entspricht dem Gewicht des verdrängten Wassers).

85 kg + ? = 92,7 kg
92,7 kg – 85 kg = 7,7 kg

 

 

Beispiel:
Ein Taucher in voller Tauchausrüstung wiegt 95 kg. Er verdrängt 90 Liter Meerwasser. Wie viel Luft braucht er in seinem BCD, um neutral zu schweben?

Umrechnen nach Liter:

Nach unten
95 ÷ 1.03 = 92.2 Liter  (92.2 Liter Meerwasser wiegen 95 kg !)

Nach oben
90 Liter + ??

90 Liter + ?? = 92.2 Liter
?? = 2.2 Liter

Anders gesagt:

Der Taucher möchte neutral tariert werden. Er wiegt 95 kg und müsste daher mit 95 kg Kraft angehoben werden. Dafür muss er mit seinem BCD 92,2 Liter Meerwasser verdrängen. Er verdrängt bereits 90 Liter Meerwasser mit seinem Körper und seiner Ausrüstung, so dass er nur 2,2 Liter mehr benötigt.

Auftrieb und Druck kombiniert

Bei einigen Fragen befindet sich ein Objekt auf einer bestimmten Tiefe.
Ist diese Tiefe wichtig? Nein.
Wenn ein Objekt 10 kg auf 12 Metern wiegt, so wiegt es auch 10 kg auf 45 Metern.
Wir brauchen stehts das gleiche Volumen, um es anzuheben.

Das Volumen im Liftbag nimmt zu, wenn das Objekt an die Oberfläche gebracht wird.
Wenn gefragt wird, wie viel Volumen der Liftbag hat, wenn er die Oberfläche erreicht, oder wie viel Luft von der Oberfläche in den Liftbag gepumpt werden muss, spielt die Tiefe durchaus eine Rolle.

Beispiel:
Mit einem Liftbag hebst du ein Objekt, das 10 kg wiegt und 2 Liter Meerwasser verdrängt.
Das Objekt liegt auf 30 Metern Tiefe.
Wie groß ist das Luftvolumen im Liftbag beim Erreichen der Oberfläche?

 

Wieviel Meerwasser müssen wir verdrängen, um 10 kg zu heben?
10 ÷ 1.03 = 9.7 Liter

Das Objekt verdrängt schon 2 Liter, also brauchen wir 7.7 Liter zusätzlich.
Auf 30 Metern ist der Druck 4 bar, so dass das Volumen an der Oberfläche 4 mal soviel beträgt:

4 x 7.7 Liter = 30.8 Liter