Sprawdź się — Fizyka nurkowania
Fizyka nurkowania · Sprawdź się
Sprawdź się — Fizyka nurkowania
Najpierw zapisz dane, wybierz wzór i oblicz wynik. Dopiero potem rozwiń rozwiązanie. Zadania są przykładami rachunkowymi; nie wyznaczają planu nurkowania.
Wspólne założenia
Jeśli zadanie nie podaje inaczej: przy powierzchni jest 1 bar, każde 10 m dodaje 1 bar, g = 9,81 m/s², a gaz traktujemy jako idealny. W prawach gazowych używamy ciśnienia absolutnego. Zadania Boyle’a zakładają stałą temperaturę i ilość gazu; obliczenia ilości gazu w butli pomijają jego nieidealność i zmiany temperatury.
RMV i litry powierzchniowe odnosimy tutaj do 1 bar przy tej samej temperaturze. Rachunki zużycia obejmują wyłącznie opisane odcinki, bez rezerwy i innych części profilu.
A. Ciśnienie i głębokość
Wróć do wyjaśnienia w rozdziale ↑
1. Ciśnienie na 18 metrach
Oblicz ciśnienie hydrostatyczne i absolutne na 18 m w modelu szkoleniowym.
Rozwiązanie zadania 1 — krok po kroku
- Ciśnienie słupa wody: pₕ = (18 m / 10 m) × 1 bar = 1,8 bar.
- Dodaj ciśnienie powierzchniowe: p_abs = 1 bar + 1,8 bar = 2,8 bar.
- Odpowiedź: ciśnienie hydrostatyczne wynosi 1,8 bar, a absolutne 2,8 bar.
Sprawdź rozumowanie: W prawach gazowych użyj 2,8 bar, nie 1,8 bar.
2. Z ciśnienia do głębokości
Przy powierzchni jest 1 bar, a na szukanej głębokości ciśnienie absolutne wynosi 3,5 bar. Jaka to głębokość w modelu szkoleniowym?
Rozwiązanie zadania 2 — krok po kroku
- Najpierw odejmij ciśnienie powierzchniowe: pₕ = 3,5 − 1 = 2,5 bar.
- Przelicz ciśnienie słupa wody: h = (2,5 bar / 1 bar) × 10 m = 25 m.
- Sprawdzenie: 1 + 25 / 10 = 3,5 bar.
Sprawdź rozumowanie: Wynik 35 m oznacza pominięcie ciśnienia atmosferycznego.
3. Dokładniejszy rachunek w wodzie słodkiej
Oblicz ciśnienie absolutne na 12 m dla ρ = 1000 kg/m³, g = 9,81 m/s² i ciśnienia powierzchniowego 1 bar. Porównaj z modelem 10 m na bar.
Rozwiązanie zadania 3 — krok po kroku
- pₕ = ρgh = 1000 × 9,81 × 12 = 117 720 Pa.
- 1 bar = 100 000 Pa, więc pₕ = 1,1772 bar.
- p_abs = 1 + 1,1772 = 2,1772 bar, czyli około 2,18 bar.
- Model szkoleniowy daje 2,2 bar. Różnica wynosi 0,0228 bar; jest skutkiem przybliżenia.
Sprawdź rozumowanie: Przelicz paskale na bary przed dodaniem ciśnienia powierzchniowego.
B. Prawo Boyle’a
Wróć do wyjaśnienia w rozdziale ↑
4. Zanurzenie elastycznego pojemnika
Szczelny, swobodnie odkształcający się pojemnik ma 4 l na 10 m. Jaką objętość osiągnie na 30 m? Temperatura i ilość gazu pozostają stałe.
Rozwiązanie zadania 4 — krok po kroku
- Wyznacz ciśnienia absolutne: p₁ = 2 bar, p₂ = 4 bar.
- Przekształć p₁V₁ = p₂V₂ do V₂ = p₁V₁ / p₂.
- V₂ = (2 bar × 4 l) / 4 bar = 2 l.
- Ciśnienie wzrosło dwukrotnie, więc objętość zmalała o połowę.
Sprawdź rozumowanie: Nie podstawiaj samych głębokości zamiast ciśnień absolutnych.
5. Rozprężanie przy spadku ciśnienia
Ta sama zamknięta porcja gazu zajmuje 6 l na 20 m. Jaką objętość zajmie na 5 m w elastycznym pojemniku przy niezmiennej temperaturze?
Rozwiązanie zadania 5 — krok po kroku
- p₁ = 3 bar, p₂ = 1,5 bar.
- V₂ = (3 × 6) / 1,5 = 12 l.
- Zmiana wynosi 12 − 6 = 6 l, czyli 100% początkowej objętości.
Sprawdź rozumowanie: Wynik dotyczy modelowego pojemnika, nie dowolnej przestrzeni w ciele człowieka.
6. Te same 10 metrów, inna zmiana procentowa
Porównaj względny wzrost objętości tej samej porcji gazu na odcinkach 20 → 10 m oraz 10 → 0 m. Ilość gazu i temperatura są stałe.
Rozwiązanie zadania 6 — krok po kroku
- Na pierwszym odcinku p zmienia się z 3 do 2 bar, więc V₂ / V₁ = 3 / 2 = 1,5.
- Przyrost względem początku tego odcinka: (1,5 − 1) × 100% = 50%.
- Na drugim odcinku p zmienia się z 2 do 1 bar. Objętość rośnie 2 razy, czyli o 100%.
- Procenty odnoszą się do objętości na początku każdego odcinka; nie dodaje się ich wprost.
Sprawdź rozumowanie: Od 20 m do powierzchni wzrost wynosi 200%, ponieważ 1,5 × 2 = 3, a nie 50% + 100%.
C. Wypór i ciężar
Wróć do wyjaśnienia w rozdziale ↑
7. Przedmiot o masie 8 kg
Całkowicie zanurzony przedmiot o stałej objętości wypiera 7 l wody słodkiej i ma masę 8 kg. Oblicz siłę wyporu, ciężar i różnicę sił. Przyjmij ρ = 1 kg/l.
Rozwiązanie zadania 7 — krok po kroku
- Masa wypartej wody: 1 kg/l × 7 l = 7 kg.
- Siła wyporu: Fw = 7 × 9,81 = 68,67 N. Ciężar przedmiotu: Fg = 8 × 9,81 = 78,48 N.
- Fw − Fg = −9,81 N. Różnica jest skierowana w dół; pływalność jest ujemna.
Sprawdź rozumowanie: Masa w kilogramach i siła w niutonach to różne wielkości.
8. Ta sama objętość w dwóch rodzajach wody
Układ zachowuje objętość 100 l. O ile większy jest wypór w wodzie o gęstości 1,025 kg/l niż w wodzie o gęstości 1 kg/l?
Rozwiązanie zadania 8 — krok po kroku
- Masy wypartej wody: 100 × 1 = 100 kg oraz 100 × 1,025 = 102,5 kg.
- Różnica mas wypartej wody: 102,5 − 100 = 2,5 kg.
- Różnica siły wyporu: 2,5 × 9,81 = 24,525 N, czyli około 24,5 N w górę.
Sprawdź rozumowanie: To rachunek dla zadanej objętości, nie uniwersalna instrukcja dodania 2,5 kg balastu.
9. Warunek neutralności
Sztywny, całkowicie zanurzony przedmiot ma masę 5 kg i wypiera 5 l wody słodkiej o gęstości 1 kg/l. Jaka jest jego pływalność, jeśli pominiemy inne siły?
Rozwiązanie zadania 9 — krok po kroku
- Masa wypartej wody wynosi 5 kg.
- Fw = 5 × 9,81 = 49,05 N oraz Fg = 5 × 9,81 = 49,05 N.
- Fw − Fg = 0 N: pływalność jest neutralna.
- Równość sił nie określa orientacji przedmiotu. Trym zależy także od rozmieszczenia masy i wyporu.
Sprawdź rozumowanie: Neutralność nie oznacza braku siły wyporu — oznacza jej równowagę z ciężarem.
D. Ilość gazu i RMV
Wróć do wyjaśnienia w rozdziale ↑
10. Gaz na odcinek o stałej głębokości
RMV wynosi 18 l/min w odniesieniu do 1 bar. Oblicz ilość gazu w litrach powierzchniowych dla 12 minut na stałej głębokości 15 m.
Rozwiązanie zadania 10 — krok po kroku
- Ciśnienie absolutne: p_abs = 1 + 15 / 10 = 2,5 bar.
- Mnożnik ciśnienia: p_abs / p_ref = 2,5 / 1 = 2,5.
- V = 18 l/min × 2,5 × 12 min = 540 l powierzchniowych.
Sprawdź rozumowanie: 540 l opisuje tylko wskazany odcinek. Nie obejmuje pozostałego profilu ani rezerwy.
11. RMV z pomiaru spadku ciśnienia
W butli 12 l ciśnienie spadło o 50 bar podczas 10 minut na stałej głębokości 20 m. Oblicz przybliżone RMV. Załóż stałą temperaturę oraz brak innych odbiorników gazu i wycieków.
Rozwiązanie zadania 11 — krok po kroku
- Ubytek gazu przeliczony do 1 bar: V = 12 l × 50 bar / 1 bar = 600 l.
- Na 20 m p_abs / p_ref = 3 / 1 = 3.
- RMV = 600 l / (10 min × 3) = 20 l/min.
- Sprawdzenie: 20 × 3 × 10 = 600 l.
Sprawdź rozumowanie: Jeśli z tej butli zasilano także kompensator lub skafander, pomiar obejmuje również ten gaz.
12. Różne butle, ten sam ubytek gazu
Z butli o pojemności wodnej 12 l i 15 l pobrano po 600 l gazu przeliczonego do 1 bar. O ile spadnie ciśnienie w każdej butli w modelu gazu idealnego, przy tej samej temperaturze?
Rozwiązanie zadania 12 — krok po kroku
- Przekształć V_pow = V_butli × Δp / p_ref do Δp = V_pow × p_ref / V_butli.
- Butla 12 l: Δp = 600 × 1 / 12 = 50 bar.
- Butla 15 l: Δp = 600 × 1 / 15 = 40 bar.
- Ta sama ilość gazu powoduje mniejszy spadek ciśnienia w większej butli.
Sprawdź rozumowanie: Nie porównuj zużycia w bar/min bez uwzględnienia pojemności butli.
E. Powtórka przekrojowa
Wróć do wyjaśnienia w rozdziale ↑
13. Pojemnik ma 2 l przy 4 bar. Ile zajmie przy 2 bar, w tej samej temperaturze?
Ciśnienia są absolutne. Przyjmij stałą ilość gazu i swobodną zmianę objętości pojemnika.
Rozwiązanie zadania 13 — krok po kroku
- Zapisz p₁V₁ = p₂V₂.
- V₂ = (4 bar × 2 l) / 2 bar = 4 l.
- Ciśnienie maleje o połowę, a objętość podwaja się.
Sprawdź rozumowanie: Nie zmieniaj jednostek ciśnienia tylko po jednej stronie równania.
14. Ile wynosi ppO₂ powietrza o 21% tlenu na 20 m w modelu szkoleniowym?
Oblicz wyłącznie ciśnienie parcjalne tlenu.
Rozwiązanie zadania 14 — krok po kroku
- Ułamek tlenu: 21% = 0,21. Ciśnienie absolutne: 1 + 20 / 10 = 3 bar.
- ppO₂ = 0,21 × 3 bar = 0,63 bar.
- Wynik opisuje ciśnienie parcjalne, nie czas ani kompletną ocenę ekspozycji.
Sprawdź rozumowanie: Podstaw 0,21, a nie 21.
15. RMV wynosi 15 l/min. Ile gazu powierzchniowego potrzeba na 10 min na 10 m?
RMV odniesiono do 1 bar. Rozpatruj tylko odcinek na stałej głębokości.
Rozwiązanie zadania 15 — krok po kroku
- Na 10 m ciśnienie absolutne wynosi 2 bar.
- V = 15 × (2 / 1) × 10 = 300 l powierzchniowych.
- Pozostałe części profilu i rezerwa nie są ujęte w wyniku.
Sprawdź rozumowanie: Nie traktuj 300 l jako całkowitego zapotrzebowania na nurkowanie.
16. Przedmiot ma 6 kg i wypiera 5 l wody słodkiej. Jaka jest jego pływalność?
Przyjmij gęstość wody 1 kg/l i całkowite zanurzenie.
Rozwiązanie zadania 16 — krok po kroku
- Masa wypartej wody wynosi 5 kg.
- Fw = 5 × 9,81 = 49,05 N; Fg = 6 × 9,81 = 58,86 N.
- Fw − Fg = −9,81 N: pływalność jest ujemna.
Sprawdź rozumowanie: Przedmiot tonący nadal doświadcza siły wyporu.
17. Dlaczego 20°C nie może być bezpośrednio użyte jako T w ogólnym prawie gazowym?
Przelicz temperaturę na skalę bezwzględną.
Rozwiązanie zadania 17 — krok po kroku
- W równaniu pV/T temperaturę wyraża się w kelwinach.
- T = 20 + 273,15 = 293,15 K.
- Do porównania dwóch stanów przelicz obie temperatury, a nie tylko jedną.
Sprawdź rozumowanie: Podwojenie temperatury w °C nie oznacza podwojenia temperatury bezwzględnej.
18. Czy prawo Henry’ego wystarczy do obliczenia bezpiecznego wynurzania?
Oddziel opis stanu równowagi od procesu zachodzącego w czasie.
Rozwiązanie zadania 18 — krok po kroku
- Prawo Henry’ego wiąże rozpuszczanie gazu w równowadze z jego ciśnieniem parcjalnym.
- Rzeczywista wymiana gazu zachodzi w czasie; znaczenie mają transport gazu i przebieg ekspozycji.
- Z samego prawa Henry’ego nie wyznacza się profilu wynurzania.
Sprawdź rozumowanie: Zależność równowagowa nie jest gotowym modelem dekompresji.
Podsumowanie: sześć rzeczy do zapamiętania
- Przed obliczeniem odróżnij ciśnienie absolutne, względne i hydrostatyczne.
- W prawie Boyle’a sprawdź stałość ilości gazu i temperatury.
- Porównuj siłę wyporu z ciężarem; kilogram nie jest jednostką siły.
- Przy obliczaniu gazu zapisz warunki odniesienia, czas i ciśnienie na danym odcinku.
- Stosuj spójne jednostki, a temperaturę w równaniach gazowych wyrażaj w kelwinach.
- Po obliczeniu sprawdź kierunek zmiany i zakres modelu. Poprawny rachunek nie opisuje automatycznie całego nurkowania.
Słowniczek pojęć
- Ciśnienie absolutne
- Ciśnienie liczone względem próżni; w wodzie jest sumą ciśnienia powierzchniowego i hydrostatycznego. Przeczytaj więcej →
- Ciśnienie względne
- Różnica względem wskazanego ciśnienia odniesienia, zwykle atmosferycznego. Przeczytaj więcej →
- Ciśnienie hydrostatyczne
- Przyrost ciśnienia wynikający z ciężaru słupa cieczy: ρgh. Przeczytaj więcej →
- Bar i paskal
- Jednostki ciśnienia: 1 bar = 100 000 Pa; 1 Pa = 1 N/m². Przeczytaj więcej →
- Masa i ciężar
- Masa jest wyrażana w kilogramach; ciężar to siła grawitacji, wyrażana w niutonach: Fg = mg. Przeczytaj więcej →
- Gęstość
- Masa przypadająca na jednostkę objętości, np. kg/m³ albo kg/l. Przeczytaj więcej →
- Siła wyporu
- Siła odpowiadająca ciężarowi wypartej cieczy, skierowana przeciwnie do siły ciężkości. Przeczytaj więcej →
- Pływalność i trym
- Pływalność opisuje relację wyporu i ciężaru; trym — ułożenie ciała lub zestawu. Przeczytaj więcej →
- Ciśnienie parcjalne
- W modelu mieszaniny gazów idealnych: udział danego gazu pomnożony przez ciśnienie całkowite. Przeczytaj więcej →
- RMV
- W tej części: zużycie oddechowe przeliczone na podane warunki powierzchniowe, wyrażone w l/min. Przeczytaj więcej →
- Litry powierzchniowe
- Umowny zapis ilości gazu jako objętości, którą zajmowałby w ustalonych warunkach powierzchniowych. Przeczytaj więcej →
- Pojemność wodna butli
- Wewnętrzna objętość butli; nie jest równa objętości rozprężonego gazu, który w niej zgromadzono. Przeczytaj więcej →
- Kelwin
- Jednostka temperatury bezwzględnej. Temperaturę w kelwinach otrzymuje się przez dodanie 273,15 do wartości w °C. Przeczytaj więcej →
- Gaz idealny
- Model upraszczający zależności między ciśnieniem, objętością, temperaturą i ilością gazu. Gazy rzeczywiste mogą od niego odbiegać. Przeczytaj więcej →
Przykłady i rozwiązania: opracowanie własne. Podstawy fizyczne: OpenStax, ciśnienie w cieczy, prawo Archimedesa i gaz idealny.
Dodatkowe pytania i wyjaśnienia
Dlaczego tlen rozpuszczony w wodzie nie jest tym samym co tlen w H₂O?
Rozpuszczony gaz to cząsteczki O₂ obecne w wodzie. W H₂O atom tlenu jest związany chemicznie z wodorem. Zmniejszenie ilości rozpuszczonego tlenu nie oznacza, że woda przestała zawierać tlen jako pierwiastek.
Jaka jest długość fali dźwięku 500 Hz przy prędkości 1500 m/s?
Korzystamy z λ = v / f. Wynik to 1500 / 500 = 3 m. Częstotliwość opisuje drgania w czasie, a długość odstęp przestrzenny. Rachunek nie określa natężenia ani głośności dźwięku.
Czy podwojenie temperatury z 10°C do 20°C podwaja ciśnienie zamkniętego gazu?
Nie. Dla stałej objętości i ilości idealnego gazu porównuje się kelwiny: 293,15 / 283,15 ≈ 1,035. Ciśnienie absolutne wzrośnie modelowo o około 3,5%, a nie o 100%.
Jakie jest ciśnienie absolutne przy 0,8 bara na powierzchni i przyroście 1,2 bara w wodzie?
Suma wynosi 2 bary absolutne. Stosunek do ciśnienia powierzchniowego to 2 / 0,8 = 2,5. Jest to przykład rachunkowy; nie pozwala samodzielnie wybrać tabeli ani planu nurkowania wysokościowego.
Dlaczego mocniejsza lampa może pogorszyć zdjęcie w mętnej wodzie?
Może silniej oświetlić cząstki przed obiektywem i zwiększyć rozproszenie wsteczne. Kontrast obiektu zależy od drogi oraz kierunku światła, nie wyłącznie od mocy źródła. Absorpcja i rozpraszanie są odrębnymi mechanizmami.