Presentatie Les Fysica I - 2* NELOS

Fysica 2* NELOS
- Deel 1
Boyle-Mariotte & Archimedes
© 2010 - G.W. Van der Vegt
Sportduikclub ‘de Walrussen’
Inhoud





Definities
Wat zijn natuurkundige wetten?
Waarom zijn deze zo belangrijk?
Archimedes
Volledige gaswet:
–
–
–
Boyle Mariotte
Gay-Lussac
Charles’s Law
Definities





Massa
Kracht
Gewicht
Druk
Temperatuur
Massa, kracht en gewicht






Massa (m) heeft te maken met de hoeveelheid materie.
SI Eenheid is kg (kilogram)
Kracht (F) is gedefinieerd als datgene wat een massa in
beweging kan brengen
SI Eenheid is N (Newton)
1 N is gedefinieerd de kracht die een massa van 1 kg na 1
seconde een snelheid heeft van 1 m/s.
Gewicht is de kracht die een massa ondervind t.g.v. de
zwaartekracht (aantrekkingskracht).
Op aarde heeft een massa van 1kg een gewicht van 9.81 N.
Druk






Druk is de kracht op een oppervlakte gedeeld door deze
oppervlakte.
Dus de druk is niet afhankelijk van het oppervlakte!
SI eenheid is Pa (Pascal) = 1 N / m2.
Als duikers gebruiken we een wat grotere eenheid,
1 Bar = 100.000 Pa (100 kPa).
Op zeeniveau spreken we van een atmosferische druk van 1
Bar.
Oorzaak is de kracht die de kolom lucht op ons uitoefent (het
van deze kolom gewicht dus).
Druk





Onderwater komt er elke 10 meter één Bar bij.
Deze extra druk, tgv de waterkolom die op ons drukt,
noemen we de hydrostatische druk.
Samen met de atmosferische druk vorm deze de
absolute druk.
Absolute druk = 1 + (Diepte/10) Bar.
Dus bv op 30m diepte hebben we een absolute druk
van:
1 (Atmosferische druk) + 3 (Hydrostatische) = 4 Bar
Temperatuur

We kennen meerdere temperatuurschalen:

Graden Celsius (ºC)
Graden Fahrenheit (ºF)
Kelvin (K) = 273.15 + temperatuur in ºC


–
–
Dus 20 ºC is 293.15 K
0 K heet ‘Het absolute nulpunt’.
Natuurkundige Wetten

Twee delen:
1.
2.
–
–
Simpele ‘wet’
Soms lastige en/of lange ‘disclaimer’
Soms meerdere schrijfwijzen.
Soms meerdere namen
Waarom belangrijk?



We duiken in een ‘vreemde’ omgeving waar
de druk sterk varieert.
Mensen zijn (plaatselijk) samendrukbaar.
De hulpmiddelen (trimvest, uitloden, fles etc)
werken volgens natuurkundige principes.
Voorbeelden

Oa. Boyle-Mariotte ligt ten grondslag aan
mechanische ongevallen (baro trauma’s).

Andere toepassingen (icm Archimedes):
–
–
–
–
Uitloding, stijgen & dalen.
Lucht in de duikfles.
Werking trimvest.
Luchtverbruik op diepte.
Voorbeelden

Oa. Henry & Dalton liggen ten grondslag aan
chemische ongevallen (deco-ongevallen).
Boyle-Mariotte kan dit nog vergeren.

Andere toepassingen:
–
–
–
–
Duikcomputer, Duiktabellen.
Duiken met Nitrox.
Gasvergiftigingen zoals dieptedronkenschap.
100% zuurstof toediening.
Boyle-Mariotte

Het volume van een gas is omgekeerd evenredig met de
druk.

Bij constante temperatuur
en
Bij constante hoeveelheid gas.




P*V = constant [BarL]
of
P1*V1 = P2*V2
Bij constante temperatuur is het volume van een bepaalde
hoeveelheid gas omgekeerd evenredig met de druk.
Gay-Lussac

De druk van een hoeveelheid gas recht evenredig met zijn
temperatuur in Kelvin.

Bij constante hoeveelheid gas.
en
Bij een constant volume.




P/T = constant [bar/K]
of
P1/T1 = P2/T2
Bij constant volume is de druk van een hoeveelheid gas
recht evenredig met zijn temperatuur in Kelvin.
Volledige Gaswet

De verhouding van Druk * Volume en de
Temperatuur is constant.

Bij constante hoeveelheid gas
Temperatuur in K
Tot drukken van +/-240 Bar !




P*V/T = constant [barl/K]
of
P1*V1/T1 = P2*V2/T2
Archimedes

Een lichaam, ondergedompeld in een
vloeistof, ondergaat een opwaartse
stuwkracht gelijk aan het gewicht van de
verplaatste vloeistof.

Let op: de verplaatste vloeistof !

Zout water is zwaarder dan zoet water (dus
meer opwaartse kracht).
Toepassingen

Archimedes:
–
–
–
–
–
Zweven= Opwaartse kracht = gewicht
Zinken = Opwaartse kracht < gewicht
Stijgen = Opwaartse kracht > gewicht
Drijven = Opwaartse kracht = gewicht
(Gedeeltelijke onderdompeling!)
Schijnbaar gewicht: Gewicht - Opwaartse kracht
0
+
0
Toepassing

Archimedes:

Gewicht zoet water 1 kg/L
Gewicht zout water (NL) 1.025 kg/L


Zoet water van 4 ºC is het zwaarst en zakt
naar de bodem (op diepte dus altijd kouder).
Toepassingen

Een ballon van 10L die we vanaf bv 40m laten
opstijgen zet uit volgens P*V = constant:
Diepte
[m]
Druk
[Bar]
Volume Contante (P*V)
[L]
[BarL]
Lift (Archimedes)
[Kg]
40
5
10
50
0
30
4
12.5
50
2.5
20
3
16.6
50
6.6
10
2
25
50
15
0
1
50
50
40
Toepassingen

Een ballon van 10L die we vanaf de oppervlakte
meenemen krimp volgens P*V = constant:
Diepte
[m]
Druk
[Bar]
‘Extra’ gewicht
[Kg]
Volume Contante (P*V)
[L]
[BarL]
0
1
10
10
0
10
2
5
10
5.0
20
3
3.3
10
6.7
30
4
2.5
10
7.5
40
5
2
10
8.0
Toepassingen

Bij een luchtverbruik van 20L/min aan oppervlakte
gebruiken we op diepte:
Diepte
[m]
Druk
[Bar]
Verbruik
op Diepte
[L/min]
Contante (P*V)
[BarL]
Verbruik aan
1 Bar (Opp.)
[BarL/min]
0
1
20
20 1*20 = 1*20
10
2
20
40 2*20 = 1*40
20
3
20
60 3*20 = 1*60
30
4
20
80 4*20 = 1*80
40
5
20
100 5*20 = 1*100
Toepassingen


Wat bevat een duikfles en hoe lang duiken we ermee?
* Let op: voor 300 Bar flessen gaat de gaswet niet op!
Inhoud
[L]
Druk
[Bar]
Lucht
[BarL]
Duiktijd
op 10m
Druk
[Bar]
Lucht
[BarL] *
Duiktijd
op 10m *
10
200
2000
50
300
3000
75
12
200
2400
60
300
3600
90
15
200
3000
75
300
4500
112.5
10
100
1000
25
½ druk
150
1500
37.5
10
50
500
12.5 reserve
50
500
12.5
Rekenen

Hoe lang kunnen we duiken met een 10L,
200Bar fles op 30m diepte?

Oplossing:
–
–
–
–
We moeten bovenkomen met 50 Bar reserve in de fles.
Luchtvoorraad is dus (200-50) Bar * 10L is 1500 BarL.
Gebruik op 30m is 4 Bar * 20L/min = 80 BarL/min.
Duiktijd dus 1500/80 = 18.75 min.
Rekenen

Duiken van 75 kg en uitrusting van 20kg heeft 5kg
lood nodig in zoet water. Hoeveel lood heeft deze
duiken zout water nodig?

Totaal gewicht is 100kg (75+20+5)m
Verplaats volume is: 100L (1L = 1kg).

1L zeewater weegt: 1.025 kg
Gewicht verplaats volume is: 102.5 kg

Dus 2.5 kg extra nodig.
Vullen fles

We vullen een 10L fles tot 200 Bar. Na het vullen is
deze 60 ºC. Wat is de druk na afkoeling tot 20 ºC?

P*V/T
= constant
200Bar * 10L
/ (273+60 ºC)= 6.006
P * 10L
/ (273+20 ºC)= 6.006
P * 10L = 6.006 * 293
= 1760
P = 1760 / 10
= 176 Bar.


