Presentatie Les Fysica I - 3* NELOS

Fysica I - 3* NELOS
Daniela Diegner
Sportduikclub ‘de Walrussen’
© 2009
Fysica I - 3*










Definities
Atmosferische druk
Druk in vloeistoffen
Boyle-Mariotte
Gay-Lussac
Luchtberkening
Luchtverbruik onder water
Licht en Geluid onder water
Diffusie, Verstrooiing, Absorptie
Snellius
Definities



Massa (symbool m):
De grootheid waarmee wordt gemeten
hoe gemakkelijk het is een lichaam te
versnellen, noemen we zijn massa.
Massa heeft dus te maken met de
hoeveelheid materie die een lichaam
bevat.
De eenheid van massa is de kilogram (kg)
Definities


Kracht (symbool F):
De eenheid van kracht is de
newton (N).
1 newton is de kracht die aan een
massa van 1kg na 1 seconde een
snelheid van 1 m/s geeft.
Definities




Gewicht (symbool G):
Het gewicht van een lichaam is de kracht
waarmee de aarde het lichaam aantrekt.
Er is gemeten dat 1kg een gewicht heeft
van 9,8 N. (we mogen afronden tot 10 N)
PASCAL (Pa) :
1bar = 1.000 mbar = 100.000 Pa
overzicht in ons boek : bladzijde. 26
Atmosferische druk


Het belangrijkste gas waarmee we in
contact komen is lucht.
Normaal gezien bestaat het uit
•
•
•
•
•

21% Zuurstof,
78% Stikstof,
0.03% Koolstofdioxide,
0.97% Argon en
nog wat andere edelgassen.
De voornaamste gassen zijn dus stikstof
en zuurstof.
Atmosferische druk



De massa van 1 liter lucht bij
normale atmosferische druk en bij 0
ºCelsius is 1,29 gr (afgerond 1,3 gr)
Voor berekeningen is het voldoende
20% O2 en 80% N2
Atmosferische druk schommelt met
de weersomstandigheden:
ligt steeds rond de 1,013 bar (1013
mbar) afronden naar 1 bar .
Proef van Torricelli

Dezelfde proef zou
men met water
kunnen uitvoeren:
in een glazen buis
zou men dan een
waterzuil van 10 m
krijgen.
Alle 1000m / 100 mbar minder.
Absolute druk

Hydrostatische druk
•
•
•
•
•
•

0m
10 m
20 m
30 m
40 m
50 m
0
1
2
3
4
5
bar
bar
bar
bar
bar
bar
Absolute druk
•
•
•
•
•
•
0m
10 m
20 m
30 m
40 m
50 m
1
2
3
4
5
6
bar
bar
bar
bar
bar
bar


Hierbij komt de druk
die wij ondervinden
door de druk van de
verschillende
waterlagen (de
hydrostatische of
relatieve druk).
Deze twee drukken
samen geven ons de
werkelijke druk die op
ons lichaam heerst of
de absolute druk.
Druk in vloeistoffen



Wet van Pascal:
Een druk uitgeoefend op een deel van een
vloeistof, plant zich in alle richtingen voort
met dezelfde grootte.
Deze wet is belangrijk.
Het heeft voor een duiker geen belang in wat voor een omgeving hij duikt
(in een grot, in een lange buis, in een rivier, in de zee, ...) de
omgevingsdruk zal steeds afhangen van de diepte waarop hij zich bevindt.
Pascal
Wet van Boyle-Mariotte

Bij een constante temperatuur is het
volume van een bepaalde
hoeveelheid gas omgekeerd
evenredig met de druk.
Bij een constante temperatuur is het
product van druk en volume van een
bepaalde hoeveelheid gas constant.
P x V = constante
Toepassingen Boyle-Mariotte

Belangrijke toepassingen van de wet
van Boyle-Mariotte zijn onder
andere:
• Een compressor om de duikflessen te
vullen
• Capillaire dieptemeters (ultraplat)
• Luchtverbruik
• Trimvest
Wet van Boyle-Mariotte of het
verband tussen volume en druk





Wanneer wij een gas in een vat beschouwen, dan oefent dit
gas steeds een druk uit op de wanden van dit vat.
Het gas bestaat uit trillende moleculen die tegen de wanden
opbotsen.
Verkleinen wij nu het vat, dan krijgen wij een grotere
concentratie van moleculen met meer botsingen als gevolg.
Hierdoor zal de druk toenemen.
Zo kunnen wij een omgekeerde emmer van 10 L
onderdompelen in water. De lucht zit gevangen onder deze
emmer. Hoe dieper wij nu afdalen onder water met deze
emmer, hoe meer het gas zal samengedrukt worden (het
vat verkleint dus). Wij kunnen de druk in deze emmer
meten en wij zullen zien dat deze druk is toegenomen.
Wet van Gay-Lussac

Bij constant volume is de druk van
een hoeveelheid gas recht evenredig
met zijn temperatuur in graden
Kelvin.
P / T = constante
Wet van Charles

Bij constante druk is het volume van
een hoeveelheid gas recht evenredig
met zijn temperatuur in graden
Kelvin.
V / T = constante

Deze wet wordt ook wel
toegeschreven aan Gay-Lussac.
Invloed van de temperatuur op
gassen

Wanneer wij bij fysica spreken over
temperaturen, dan gebruiken wij steeds
de:
Kelvinschaal (K)
en niet de
Celsiusschaal (°C).

Ook de temperatuur is van belang
wanneer wij spreken over druk.
Invloed van temperatuur op
gassen



Bij een grotere temperatuur beginnen de
moleculen in een gas heviger te trillen
waardoor het aantal onderlinge botsingen
toeneemt en het gas gaat uitzetten.
Indien het gas in een vat zit, dan kan het
niet uitzetten maar de druk zal toenemen.
Wanneer de temperatuur terug afneemt,
dan zal het gas in volume afnemen of de
druk verminderen.
Toepassingen


De druk in een fles vermindert als we
met deze fles van het warme
vulstation overgaan naar een
bitterkoude Oosterschelde.
P1 x V1 / T1 = P2 x V2 / T2 =
Constant
Luchtberekening





Stel dat wij een duikfles hebben met een inhoud
van 15 liter.
Wanneer wij deze fles vullen met lucht, dan
stoppen wij hier wel meer dan 15 "gewone" liters
lucht in.
Dat komt omdat wij lucht blijven toevoegen aan
de fles. Een gas is immers samendrukbaar.
Zo kunnen wij een fles steeds vullen tot een druk
van 200 bar, een druk die 200 keer groter is dan
de normale luchtdruk van 1 bar.
De hoeveelheid lucht in de fles bedraagt dan:
200 bar x 15 L = 3.000 barl
Luchtverbruik onder water







Wanneer wij duiken, verhoogt onze omgevingsdruk.
Wanneer wij bijvoorbeeld op -30 m duiken, dan zitten wij
met een absolute druk van 4 bar in plaats van 1 bar boven
water.
Uit Boyle-Mariotte leren wij dat P x V een constante is.
Een gemiddelde mens verbruikt boven water 20 liter lucht
per minuut of vermits wij op 1 bar zitten, 20 barliter per
minuut.
Wanneer wij op -30 m zitten dan moeten wij 20 liter lucht
inademen onder een druk van 4 bar.
Wij verbruiken dan 20 L x 4 bar = 80 barl per minuut.
Dientengevolge zullen wij steeds meer verbruiken des te
dieper wij duiken.
Geluid onder water




Onder water horen wij de dingen niet zoals het "hoort".
Een motorboot lijkt vlakbij en uit alle richtingen te komen.
Hoe komt dat eigenlijk?
De snelheid?
Het geluid beweegt zich voort in een golfbeweging. De
tussenstof waarin het geluid zich voortplant neemt zelf deel
aan deze golfbeweging. Daarom is de snelheid van het
geluid afhankelijk van de tussenstof.
Snelheid van geluid:
• In lucht +/
• In water +/-
330 m/sec.
1.435 m/sec
Lucht en zicht onder water

Onder water zien wij de dingen
anders dan boven water.
• Zonder duikbril zien wij niet scherp.
• Alles lijkt groter en dichterbij.
• Kleuren zijn niet herkenbaar.


Hoe komt dat eigenlijk?
Alle voorwerpen onder water lijken
groter en dichter bij dan in
werkelijkheid het geval is.
Lucht en zicht onder water


1/3 groter zien dan de werkelijkheid.
Omdat een voorwerp groter lijkt, zullen
onze hersenen dit trachten te vertalen
naar een kleinere afstand.
Het blijkt dat wij op deze manier de
voorwerpen onder water 1/4 van de
werkelijke afstand dichterbij zien
(oftewel op 3/4 van de werkelijke
afstand).
Kleuren en lichtintensiteit
veranderen

Onder water veranderen de kleuren.
• Rode vissen lijken op grote diepte paars
te worden.
• Sommige kleuren zijn niet meer
waarneembaar.
• Hoe dieper wij duiken hoe groter het
effect.

Hoe komt dat eigenlijk?
Absorbtie



Wanneer een lichtstraal door het water
gaat, dan wordt zij geleidelijk aan
geabsorbeerd door de stofdeeltjes in het
water. De stofdeeltjes slorpen een deel
van de lichtenergie op en slechts het
overblijvende deel kan zijn weg naar
beneden vervolgen.
Daarom wordt het donkerder naarmate wij
dieper duiken.
Op een diepte van - 500 m heerst er
volledige duisternis.
Deze kleuren zijn steeds zichtbaar in dezelfde volgorde: ·
Rood · Oranje · Geel · Groen · Blauw · Indigo · Violet
Diffusie of verstrooiing


Er bestaat nog een ander verschijnsel dat
er voor zorgt dat kleuren anders lijken
onder water.
Wij laten een lichtstraal op een zeer klein
deeltje vallen. Als dit deeltje kleiner is of
gelijk aan de golflengte van dit licht, dan
wordt deze lichtstraal niet zomaar
geabsorbeerd, maar ze wordt verstrooid.
Diffusie of verstrooiing


Wanneer het water grotere stofdeeltjes of
plankton bevat (zoals in de Oosterschelde
en de Noordzee), dan is de intensiteit van
het licht veel minder afhankelijk van de
golflengte van het licht.
Wij krijgen wel nog een verstrooiing van
het licht, maar niet met een blauwe toon.
In dit geval spreken wij over de Tyndallverstrooiing.
Wet van Snellius



In het luchtledige legt het licht een
rechtlijnige weg af, maar bij een overgang
van het ene milieu naar het andere kan
het licht soms afbuigen.
Zo zal het licht "breken" bij de overgang
van lucht naar water en omgekeerd.
Wet van Snellius:
n1 x sin(i) = n2 x sin(r)
Wet van Snellius