Читать книгу Moderne Tauchmedizin - Kay Tetzlaff - Страница 12
Оглавление2 Physikalische Grundlagen
S. G. Scholz
Das Tauchen spielt sich in einer für den Menschen fremden Umgebung ab, denn unter Wasser unterliegt er fremden Kräften und Einflüssen, die zu ungewohnten Effekten führen. Die Grundlage für das Verständnis dieser Einflüsse stellt die Physik dar. Möchte man die Vorgänge beim Tauchen und die tauchmedizinischen Auswirkungen verstehen, kommt man nicht umhin, sich mit grundlegenden Gesetzmäßigkeiten auseinander zu setzen.
2.1 Druck
Physikalisch ist Druck definiert als Kraft pro Fläche. Dabei wird der senkrecht auf eine Fläche angreifende Kraftanteil berücksichtigt. Wirkt auf eine Fläche von einem Quadratzentimeter (cm2) die Kraft von 10 Newton (N), so herrscht ein Druck von 1 bar. Beim Tauchen spielt der Druck, dort der Umgebungsdruck, eine entscheidende Rolle, da er Auswirkungen auf die Bereiche Gasverbrauch, Dekompression, Tarierung und indirekt auch auf den Wärmehaushalt hat.
2.1.1 Luftdruck
Der Luftdruck beträgt auf Meereshöhe 1,013 bar. Alle Berechnungen beim Tauchen können in guter Näherung mit folgender vereinfachter Betrachtungsweise durchgeführt werden: Luftdruck auf Meereshöhe ist 1 bar und Abnahme des Luftdrucks ist 0,1 bar pro 1000 m. Tatsächlich nimmt der Luftdruck jedoch nicht in dieser linear angenommenen Weise ab. Der tatsächliche Verlauf wird durch die barometrische Höhenformel beschrieben und folgt einer exponentiellen Kurve. Dies muss beim Tauchen in größerer Höhe (z. B. Bergseen) berücksichtig werden. Ab ca. 600 m Höhe müssen für die Tauchgangsberechnung und Dekompression Tabellen verwendet werden, die den reduzierten Luftdruck berücksichtigen.
2.1.2 Wasserdruck
Mit zunehmender Tiefe nimmt der Wasserdruck zu. Die auf die Tauchtiefe bezogene Zunahme des Wasserdrucks hängt dabei von der Dichte des Wassers ab. Salzwasser hat je nach Salzgehalt eine höhere Dichte als Süßwasser, wodurch bei gleicher Tauchtiefe der Wasserdruck im Salzwasser (Ozeanwasser, 3,5 % Salzgehalt bei 20 °C Wassertemperatur) ca. 2,5–3 % größer ist als im Süßwasser. Für Tauchgangsberechnungen wird in der Regel mit 1 bar Druckzunahme pro 10 m Tauchtiefe gerechnet. Diese Genauigkeit reicht für fast alle Anwendungsgebiete aus.
2.1.3 Umgebungsdruck
Der Druck, dem wir als Taucher ausgesetzt sind, wird als Umgebungsdruck bezeichnet. Er setzt sich aus Luftdruck und Wasserdruck zusammen und ist eine entscheidende Größe beim Tauchen. Von dieser Größe hängen Gasverbrauch, Tarierung und Dekompressionsdaten ab. Der Umgebungsdruck auf Meereshöhe ist die Summe aus 1 bar Luftdruck und pro 10 m Wassertiefe einem weiteren Bar an Wasserdruck. In 10 m Tiefe herrscht also in guter Näherung ein Umgebungsdruck von 2 bar, in 37 m Wassertiefe ein Umgebungsdruck von 4,7 bar.
2.2 Prinzip des Archimedes
2.2.1 Herleitung
Das Gesetz des Archimedes besagt, dass ein Körper, der in eine Flüssigkeit getaucht wird, an Gewichtskraft verliert (Abb 2.1). Der Gewichtskraftverlust entspricht dabei der Gewichtskraft der von ihm verdrängten Flüssigkeitsmenge. Prinzipiell sind drei Zustände möglich: Die verlorene Gewichtskraft ist größer als die Gewichtskraft des Körpers, wodurch der Körper schwimmt. Wenn der Gewichtskraftverlust exakt gleich der Gewichtskraft des Körpers ist, so resultiert der Zustand des Schwebens oder des hydrostatischen Gleichgewichts. Ist der Gewichtskraftverlust kleiner als die Gewichtskraft des eingetauchten Körpers, sinkt der Körper ab. Sein „Gewicht“ im Wasser hat sich dann in Bezug auf sein ursprüngliches „Gewicht“ an Land reduziert.
Die Herleitung des Archimedischen Prinzips beruht auf der Betrachtung der Kräfte, die an einem eingetauchten Körper angreifen. Dabei wirken Druckkräfte auf die Unterseite des Körpers als Auftriebskräfte und Druckkräfte auf die Oberseite des Körpers als Abtriebskräfte. Da aber auf der Unterseite des Körpers ein größerer Umgebungsdruck herrscht als auf der Oberseite, ist die resultierende Kraft nach oben gerichtet, der Körper verliert also an Gewichtskraft, wobei der Gewichtskraftverlust umso größer ist, je größer die Dichte des umgebenden Mediums ist.
Abb. 2.1: Das Archimedische Prinzip beruht auf einem Druckunterschied zwischen Körperober- und Körperunterseite. Dabei betrachtet man die Kräfte, die auf die Ober- und Unterseite des Körpers (der in eine Flüssigkeit getaucht ist) wirken. Die Kraft auf der Oberseite (F1) ergibt sich aus dem Produkt aus der Stirnfläche (A), der Tiefe bis zur Körperoberseite (h1), der Dichte der Flüssigkeit (ρF) und der Erdbeschleunigung (g). Analog für die untere Stirnfläche des Körpers (Index 2). Da der Druck auf die untere Stirnfläche nach oben wirkt, ist auch die Kraft F2 nach oben gerichtet (negatives Vorzeichen). Die Gewichtskraft des Körpers (FG) berechnet sich aus der Dichte der Körpers (ρG) multipliziert mit dessen Volumen (V). Die resultierende Gewichtskraft des Körpers in der Flüssigkeit (FK) ergibt sich aus der Summer der Kräfte FK = F1 + FG – F2 (Vorzeichen beachten)
2.2.2 Anwendungen
Beim Tauchen regulieren diese drei Zustände (Auftrieb, Abtrieb und Schweben) die Positionierung des Tauchers im Wasser. Generell wird das hydrostatische Gleichgewicht angestrebt, in dem Auf- und Abtriebskräfte gleich groß sind und der Taucher neutral schwebt. Durch Veränderung seiner Auftriebskraft, entweder durch Veränderung des Volumens (Aufblasen des Tarierjackets, Einatmen) oder der Gewichtskraft (Zusatzblei), kann er sich aus der neutralen Position nach oben oder unten bewegen. Um jederzeit Auftrieb zu gewähren, ist es wichtig, schon vor dem Tauchen die Auftriebskräfte zu berechnen.
Fallbeispiel. Ein komplett ausgerüsteter Taucher hat eine Masse von 132 kg (Gewichtskraft von 1320 N) und ein Volumen von 130 l. Im Süßwasser (Dichte ρ = 1,00 kg/l) erfährt er einen Gewichtskraftverlust von 1300 N (130 l × 1,00 kg/l × 10 m/s2 = 130 kg × 10 m/s2 = 1300 N.) In diesem Beispiel kann in guter Näherung mit einer Gravitationskonstanten g = 10 m/s2 gerechnet werden (exakt: 9,81 m/s2). Da den meisten Tauchern die physikalisch korrekte Rechung mit Gewichtskraft in N nicht vertraut ist, wird in der Praxis vom Gewicht (in kg) statt der Gewichtskraft ausgegangen. Vergleicht man den Gewichtskraftverlust mit seiner Gewichtskraft an Land, so stellt man fest, dass eine nach unten gerichtete Kraft von 20 N (2 kg × 10 m/s2) resultiert und der Taucher damit Abtrieb hat. Diesen Abtrieb kann er durch Vergrößerung seines Volumens (z. B. Einlass von Luft in sein Tarierjacket) ausgleichen, bis er wieder ein hydrostatisches Gleichgewicht erreicht hat. Die Volumenvergrößerung beträgt dabei 2,0 l (2,0 kg/1,00 kg/l = 2,0 l). Neben Volumen und Gewichtskraft ist die Dichte des Mediums für die Berechnung wichtig. Man beachte, dass der gleiche Taucher im Salzwasser (Dichte ρ = 1,025 kg/l) Auftrieb hätte. Der Gewichtskraftverlust des Tauchers im Salzwasser beträgt 130 l × 1,025 kg/l × 10 m/s2 = 133,25 kg × 10 m/s2 = 1332,5 N) und ist damit größer als das „Gewicht“ des Tauchers an Land. Folglich resultiert eine nach oben gerichtet Kraft. Um wieder ein hydrostatisches Gleichgewicht zu erreichen, muss der Taucher zusätzliches (Blei-)Gewicht mitnehmen.
Hinweis. Das Gesetz des Archimedes erklärt den Effekt, dass man sich als Taucher unter Wasser schwerelos bewegen kann.
2.3 Gase
2.3.1 Tauchgase
Luft
Das Gas, das beim Sporttauchen überwiegend Anwendung findet, ist normale atmosphärische Luft, die in Druckgaszylindern komprimiert wird. Luft besteht aus einem Gemisch unterschiedlicher Gase: 78 % Stickstoff (N2), 21 % Sauerstoff (O2), 0,03 % Kohlendioxid (CO2) und einem geringen Anteil Edelgase (Argon, Neon, Helium etc.). Für Berechnungen im Bereich Tauchen/Überdruckexposition reicht in guter Näherung die Betrachtung der Hauptkomponenten Stickstoff, Sauerstoff und CO2. Stickstoff nimmt nicht an den Stoffwechselprozessen im Körper teil und wird deshalb als inert bzw. Inertgas bezeichnet. Stickstoff wird aber in Abhängigkeit des Umgebungsdrucks in den Körpergeweben gelöst, Sauerstoff dagegen wird für metabolische Prozesse im Körper benötigt, wobei etwa 4 % des eingeatmeten Sauerstoffs in CO2 umgewandelt werden und wieder in die Ausatemluft gelangen. Kohlendioxid spielt eine wichtige Rolle bei der Steuerung der Atmung und des Atemreizes.
Mischgase
In den letzten Jahren erfahren Mischgase beim Tauchen immer größere Bedeutung. Dabei wird das Gasgemisch in der Regel aus unterschiedlichen Reingasen je nach Anwendung zusammengemischt. Bei größeren Tauchtiefen wird oft ein größerer Anteil an inertem Helium verwendet und der Sauerstoffanteil reduziert (Trimix). Gemische aus Sauerstoff und Stickstoff mit einem Sauerstoffanteil > 21 % (Nitrox) finden Verwendung bei Tauchgängen bis 40 m (s. Kap. 6, Nitroxtauchen).
2.3.2 Gasgesetze
Im Folgenden werden die für das Tauchen wichtigsten physikalischen Gesetzmäßigkeiten kurz erläutert.
Boyle-Mariotte
Das Gesetz von Boyle-Mariotte (nach Robert Boyle [1627–1691], britischer Naturforscher, und Edme Mariotte [1620–1684], französischer Naturforscher) besagt, dass für eine gegebene Gasmenge bei konstanter Temperatur der Druck im umgekehrten Verhältnis zum Volumen steht (s. Formel). Diese isotherme Zustandsänderung hat für das Tauchen große Bedeutung: Doppelter Druck (p) bedeutet halbes Volumen (V). Dies hat Auswirkungen auf alle volumenveränderlichen gasgefüllten Räume im Körper und der Tauchausrüstung. So dehnt sich eine gasgefüllte Blase (z. B. das Tarierjacket) mit abnehmender Wassertiefe aus, und durch das zusätzlich verdrängte Wasser erhöht sich der Auftrieb. Umgekehrt wirkt mit zunehmender Tiefe ein erhöhter Druck auf den Körper, d. h., es entsteht ein relativer Unterdruck im Mittelohr, wodurch sich das Trommelfell nach innen wölbt, da das Gas im Mittelohr komprimiert wird. Um eine Schädigung des Trommelfells zu vermeiden, muss zusätzliches Gas (also in der Regel Atemluft) ins Mittelohr gelangen (Druckausgleichsmanöver), so dass das Trommelfell in seiner natürlichen Position verweilt. Boyle-Mariotte gilt dabei nur für den Zeitraum, in dem die Gasmenge im Mittelohr konstant ist, da mit Durchführen des Druckausgleichs die Gasmenge verändert wird.
(Erläuterung: Für das Verhältnis zweier Drücke [p1 und p2] gilt bei konstanter Temperatur, dass das Verhältnis der Volumina [V1 und V2] reziprok ist. Das Produkt aus Druck [p] und Volumen [V] ist eine Konstante, bzw. der Druck ist proportional zu 1/V.)
Hinweis. Das Gasgesetz von Boyle-Mariotte ist eines der wichtigsten Gasgesetze beim Tauchen und Ursache für viele druckbedingte Schädigungen, z. B. das Barotrauma.
Gay-Lussac
Das Gesetz von Gay-Lussac (Joseph Louis Gay-Lussac [1778–1850], französischer Physiker) besagt, dass bei konstantem Druck das Volumen (V) einer abgeschlossenen Gasmenge in gleichem Verhältnis wie die absolute Temperatur (T) steigt (s. Formel). Die Bedeutung beim Tauchen beschränkt sich auf Gasmengen, die ihre Temperatur verändern.
(Erläuterung: Für das Verhältnis zweier Volumina (V2 und V1) gilt bei konstantem Druck (p), dass dieses Verhältnis dem Verhältnis der absoluten Temperaturen (T2 und T1 in Kelvin) entspricht. Der Quotient aus Temperatur (T) und Volumen (V) ist eine Konstante, bzw. das Volumen ist proportional zur absoluten Temperatur (T).)
Fallbeispiel. Zum Beispiel sinkt der Druck in einem mit 210 bar gefüllten Druckgastauchgerät, das eine Temperatur von 42 °C hat, beim Eintauchen ins Wasser (Abkühlung auf 12 °C) auf191 bar (210 bar × (12 K + 273 K) / (42 K + 273 K) = 191 bar).
Henry
Das Gesetz von Henry (nach William Henry [1775–1836], englischer Chemiker) besagt, dass die in einer Flüssigkeit gelöste Gasmenge direkt proportional zum Druck des Gases über der Flüssigkeit ist und zusätzlich vom Löslichkeitskoeffizienten und der Temperatur der Flüssigkeit abhängt. Das Gesetz von Henry beschreibt quasi-stationäre Zustände und bildet beim Tauchen die Grundlage für die im Kapitel Dekompression (s. Kap. 4) beschriebenen Mechanismen, da hiermit die Lösung der Inertgase in den einzelnen Geweben in Abhängigkeit des Umgebungsdrucks beschrieben werden kann. Die durch eine Veränderung der Tauchtiefe hervorgerufene zeitliche Veränderung des Umgebungsdrucks führt zu Auf- und Entsättigungsprozessen in den Geweben, und die symptomfreie Abgabe des gelösten Inertgases in der Auftauchphase ist die wichtigste Grundlage für die Berechnung der Kompressionsvorschriften (s. Dekompression, Kap. 4).
Vereinfacht ausgedrückt, beschreibt das Gesetz von Henry die Auf- und Entsättigungsvorgänge im menschlichen Körper. Je höher der Anteil eines Inertgases, also eines am Stoffwechsel nicht beteiligten Gases, in der Einatemluft ist, desto höher ist sein Anteil in allen Körperflüssigkeiten. Mit zunehmendem Druck steigt die Menge des im Körper gelösten Gases, d. h., ein gesättigter menschlicher Körper auf 10 m Wassertiefe trägt die doppelte Menge Stickstoff in sich. Wird der Umgebungsdruck wieder gesenkt, muss das Inertgas wieder abgegeben werden. Geschieht dies zu schnell, wird also das Löslichkeitsprodukt überschritten, perlen Gasblasen im Gewebe aus. Sehr anschaulich kann dies beim Öffnen einer Sprudelflasche verdeutlicht werden: Mit Öffnen der Flasche wird der Druck zu schnell für das Löslichkeitsprodukt gesenkt und es entstehen Gasblasen. Würde man die Flasche über einen längeren Zeitraum sehr langsam öffnen, würden keine Gasblasen entstehen.
Hinweis. Das Gesetz von Henry ist die Grundlage für die Entstehung der Dekompressionserkrankung.
Dalton
Nach Dalton (John Dalton [1766–1844], englischer Naturforscher und Lehrer), gilt der folgende Zusammenhang: Der Gesamtdruck p eines Gasgemisches setzt sich aus der Summe der Einzelpartialdrücke (pGas) der jeweiligen Gase zusammen. So gilt z. B. für Luft auf Meereshöhe (1 bar):
Die Partialdrücke der einzelnen Gasbestandteile spielen beim Tauchen eine erhebliche Rolle. Die Partialdrücke der Inertgase sind für die Bereiche Dekompression und Narkose entscheidend, der Sauerstoffpartialdruck muss auf Grund seines toxischen Grenzwerts berücksichtigt werden.
2.3.3 Ideales Gas – reales Gas
Vernachlässigt man das Eigenvolumen der Gasmoleküle und die Wechselwirkung der Gasmoleküle untereinander, so erhält man den Begriff des idealen Gases, für das die oben formulierten Gesetze Anwendung finden. Bei der Betrachtung von idealen Gasen werden die Moleküle als ausdehnungslose Massepunkte gesehen, die sich als elastische Kügelchen im Raum bewegen. Die in der klassischen Tauchphysik relevanten Druck-, Temperatur- und Volumenbereiche lassen in guter Annäherung die Betrachtung der Gase als ideale Gase zu. Daraus ergeben sich die Zustandsgleichungen für die Parameter p (Druck), V (Volumen) und T (Temperatur):
■ Isobare Zustandsgleichung (1. Gesetz von Gay-Lussac): V/T = konstant, bei konstantem Druck.
■ Isochore Zustandsänderung (2. Gesetz von Gay-Lussac): p/T = konstant, bei konstantem Volumen.
■ Isotherme Zustandsgleichung (Gesetz von Boyle-Mariotte): p × V = konstant, bei konstanter Temperatur.
■ Zusammengenommen ergibt sich daraus folgende Zustandsgleichung für ideale Gase: p × V/T = konstant.
Bei realen Gasen spielt die Bewegung der Moleküle und deren Wechselwirkung untereinander eine Rolle. Die Kohäsionskräfte zwischen den einzelnen Molekülen bewirken einen Binnendruck, der proportional zur Anzahl der benachbarten Moleküle ist und zusätzlich berücksichtigt werden muss. Außerdem muss das Gasvolumen um das Kovolumen (Volumen der Moleküle bei dichtester Packung) verkleinert werden. Für reale Gase gilt die Van der Waal’sche Zustandsgleichung.
Hinweis. Um die zugrunde liegenden Mechanismen beim Tauchen einfacher beschreiben zu können, geht man von idealen Gasen aus.
2.4 Wärmeregulation
2.4.1 Wärmeübertragung
Wärmeenergie kann auf unterschiedliche Art und Weise von einem Körper zum anderen transportiert werden. Häufig hat man es in der Praxis mit Mischformen der einzelnen Übertragungsmechanismen zu tun.
Wärmestrahlung
Wärmestrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung. Die abgegebene Strahlungsenergie ist dabei proportional zur Kelvin-Temperatur des Körpers. Mittels Strahlung wird Wärmeenergie transportiert, ohne dass ein Übertragungsmedium vorhanden sein muss (Vakuum). Die ausgetauschte Wärmeenergiemenge (Q in Watt) ist dabei ausschließlich von der Temperatur beider Körper abhängig und wird durch das Bolzmann-Gesetz beschrieben.
Ein Körper kann Strahlung emittieren (aussenden), transmittieren (durchlassen) oder absorbieren (aufnehmen). Dabei spielen Oberflächeneigenschaften eine Rolle.
Konvektion
Wärmekonvektion beschreibt den Transport von Wärmeenergie mittels Materietransport. Wärmeenergie wird weitergeleitet, indem Teilchen transportiert werden, die ihre kinetische Energie (Wärmeenergie) mitführen. Ein warmer Körper wird z. B. von kalter Luft angeströmt, diese erwärmt sich und wird sofort durch nachströmende kalte Luft ersetzt. Dabei werden zwei grundsätzliche Transportmechanismen unterschieden: die natürliche und die erzwungene Konvektion. Von natürlicher Konvektion wird gesprochen, wenn die sich an dem Körper erwärmende kalte Luft durch Verringerung der Dichte aufsteigt (z. B. ruhender Taucher). Erzwungene Konvektion liegt vor, wenn der Körper z. B. durch ein Gebläse zwangsweise angeströmt wird (z. B. bewegter Taucher).
Wärmeleitung
Bei Wärmeleitung handelt es sich um einen Transportmechanismus, bei dem Wärmeenergie innerhalb eines Körpers (Festkörper oder ruhende Flüssigkeit) weitergegeben wird. Dabei wird die Schwingungsenergie der Moleküle an benachbarte Molekülgruppen übertragen. Die Menge der gesamtmöglichen übertragenen Wärmeenergie pro Zeiteinheit ist dabei stark von den Stoffeigenschaften abhängig.
Kondensation und Verdunstung
Bei Verdunstungsprozessen können große Mengen an Wärmeenergie umgesetzt werden. Der Phasenwechsel z. B. von Wasser in Wasserdampf erfordert eine große Energiemenge (freie Verdampfungsenthalpie bei Wasser ist ~2500 kJ/kg). Dieser Prozess wird z. B. verwendet, um durch Schweißproduktion und anschließendem Verdampfen auf der Haut dem Körper auf effektive Weise Energie/Wärme zu entziehen. Bei Kondensationsprozessen (Übergang Gas – Flüssigkeit) werden entsprechend große Energiemengen frei. In der Praxis hat man es meist mit der Kombination aller Wärmeübertragungsmechanismen zu tun.
Fallbeispiel. Ein Taucher, der am Ufer steht, wird durch Sonnenstrahlung stark erwärmt. Gleichzeitig gibt der Taucher über Wärmeleitung Wärmeenergie nach außen ab. An der Materialoberfläche (des Tauchanzugs) wird diese Wärme über Konvektion an die Umgebung abgegeben. Herrscht Wind, handelt es sich um erzwungene, bei Windstille um natürliche Konvektion. Hat sich der Taucher vorher im Wasser aufgehalten und die Oberfläche des Tauchanzug ist noch nass, wird zusätzlich ein großer Anteil an Wärmeenergie über Verdunstung abgegeben.
2.4.2 Regelmechanismen im Körper
Die Anteile der verschiedenen Mechanismen zur Wärmeregulierung (Strahlung, Verdunstung, Konvektion, Wärmeleitung, Kältezittern) können je nach Situation und Art des Kälteschutzes beim Tauchen stark variieren (Abb 2.2, s. auch Kap. 3). So ist bei Tauchgängen in kalten Gewässern ein ausreichender Kälteschutz genauso wichtig wie ein effektiver Schutz vor Sonneneinstrahlung beim Tragen eines Neopren Anzugs an Land. Der menschliche Körper kann auf verschiedene Weise auf die unterschiedlichen Umgebungsbedingungen reagieren und die Körpertemperatur regeln. Dabei stehen bei Auskühlung effektive Wärmebildungsmechanismen sowie bei Überhitzung Möglichkeiten von verstärkter Wärmeabgabe zur Verfügung (Abb 2.3).
Abb. 2.2: Möglichkeiten der Wärmeregulation im Körper
Abb. 2.3: Einfluss der verschiedenen Wärmeübertragungsmechanismen auf die Körperkerntemperatur. Die Temperatur des Körpers wird vor allem von Wärmeproduktion (Stoffwechsel) Wärmeabgabe und dem Körper zugeführte Wärme beeinflusst. Die Wärmeproduktion im Körper kann dabei in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen stark variieren (durch unterchiedlich große Flächen dargestellt). Die Wärmezufuhr durch die Umgebung geschieht i. d. R. durch Strahlung und variiert hier ebenfalls. Nennenswerten Einfluss hat dies bei direkter Sonneneinstrahlung. Diese Fälle sind durch von links kommende Pfeile dargestellt. Die Mechanismen der Wärmeabgabe sind rechts der Wärmebildungsprozesse im Körper visualisiert. Sie variieren je nach Umgebungsbedingungen. Ziel ist es, diese Einflüsse beim Tauchen durch die Wahl geeigneter Kälteschutzanzüge zu minimieren
2.5 Maßeinheiten
2.5.1 Umrechnung SI-Einheiten
In verschiedenen Ländern und Anwendungsgebieten werden unterschiedliche Einheiten verwendet. In Europa finden in Alltag, Industrie und Wissenschaft (außer Medizin) überwiegend SI-Einheiten Verwendung, in einigen anderen Ländern, z. B. in den USA, werden eigene Einheiten verwendet (z. B. Imperialsystem). Im Folgenden werden die wichtigsten für das Tauchen relevanten Einheiten und deren Umrechnung aufgelistet.
Länge
| Kurzzeichen | Einheit/Konstante | Wert ca. | Wert exakt |
| m | Meter | – | SI-Einheit |
| „ | Zoll | – | 2,54 cm |
| in. | inch | – | 2,54 cm |
| ft. | foot | – | 30,48 cm |
Fläche
| Kurzzeichen | Einheit | Wert ca. | Wert exakt |
| m2 | Quadratmeter | – | SI-Einheit |
| sq.in. | square inch | 6,45 cm2 | 6,4516 cm2 |
| sq.ft. | square foot | 929,00 cm2 | 144 sq.in. |
| sq.yd. | square yard | 0,8361 m2 | 9 sq.ft. |
Volumen
| Kurzzeichen | Einheit | Wert ca. | Wert exakt |
| m3, cbm | Kubikmeter | – | SI-Einheit |
| L, L | Liter | – | 0,001 m3 |
| cm3, ccm | Kubikzentimeter | – | 1 ml |
| cu.in. | cubic inch | 16,387 ml | – |
| cu.ft. | cubic foot | 28 l | – |
| cu.yd. | cubic yard | 765 l | – |
| fl.oz. | (fluid) ounce | 29,6 ml (?) | – |
| gal. | (U.S.) dry gallon | 4,4 l | – |
| Imp.gal. | (Imperial) gallon | 4,5459 l | – |
Temperatur
Um über das subjektive qualitative Temperaturempfinden (warm, kalt, heiß) hinaus eine quantitative Bestimmung der Temperatur (Zahlenwerte) zu erreichen, benötigt man Thermometer mit objektiven Temperaturskalen (Abb 2.4). Historisch begründet haben sich drei Skalen entwickelt, die in den unterschiedlichen Anwendungsbereichen bis heute verbreitet sind.
| Kurzzeichen | Einheit | Wert ca. | Wert exakt |
| K | Kelvin | – | SI-Einheit |
| °C | Grad Celsius | – | n °C = (n + 273,15) K |
| °F | Grad Fahrenheit | – | n °F = (n – 32)/1,8 °C |
Celsius-Skala. A. Celsius (1701–1744), schwedischer Astronom. Ein Grad Celsius (1 °C) ist der hundertste Teil der Temperaturdifferenz zwischen Eispunkt und Siedepunkt von Wasser bei normalem Atmosphärendruck (p0 = 1013,25 hPa).
Kelvin-Skala. W. Thomson alias Lord Kelvin(1824–1907), englischer Physiker. Die Kelvin-Skala ist eine thermodynamische Temperaturskala. Sie ist über die Zustandsgleichungen für ideale Gase und den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik definiert. Die Einheit der Absoluten Temperatur ist Kelvin (1 K). Ein Kelvin ist der 1/273,15te Teil der Temperatur am Tripelpunkt des Wassers. Der Tripelpunkt des Wassers (Koexistenz von Eis, Wasser und Dampf) beträgt 273,15 K. Der absolute Nullpunkt (0 K) ist die tiefste denkbare Temperatur, die durch den Stillstand der Moleküle gekennzeichnet ist, und entspricht –273,15 °C.
Abb. 2.4: Die wichtigsten Temperaturskalen im Vergleich
Fahrenheit-Skala. D. G. Fahrenheit (1686–1736), deutscher Physiker. Ein Grad Fahrenheit (1 °F) ist der hundertste Teil der Temperaturdifferenz zwischen der niedrigsten mit Salmiak/Eismischung herstellbaren Temperatur und der Bluttemperatur des menschlichen Körpers.
Masse
| Kurzzeichen | Einheit | Wert ca. | Wert exakt |
| kg | Kilogramm | – | SI-Einheit |
| oz. | Ounce, Unze | 28,35 g | – |
| lb. | Pound | 453,59 g | – |
Druck
| Kurzzeichen | Einheit | Wert ca. | Wert exakt |
| Pa | Pascal | – | 1 N/m2 |
| kp/cm2 | Kilopond je Quadratzentimeter | 98,0665 kPa | – |
| kp/mm2 | Kilopond je Quadratmillimeter | 9,80665 MPa | – |
| Torr | Torr | 133,322 Pa | 1/760 atm |
| atm | Physikalische Atmosphäre | 101,325 kPa oder 101,3232 kPa | – |
| at | Technische Atmosphäre | 98,0665 kPa | 1 kp/cm2 |
| bar | Bar | – | 100 kPa |
| mbar | Millibar | – | 1 hPa |
| hPa | Hektopascal | – | 100 Pa |
| mmHg | Millimeter Quecksilbersäule | 1 Torr | – |
| mmWS | Millimeter Wassersäule | 9,80665 Pa | – |
| PSI | Pound per square inch | – | – |
| – | Normalluftdruck | 1013 mbar | – |
Kraft
| Kurzzeichen | Einheit | Wert ca. | Wert exakt |
| N | Newton | – | 1 kg × m/s2 |
| kp | Kilopond | 9,80665 N | – |
Energie
| Kurzzeichen | Einheit | Wert ca. | Wert exakt |
| W | Watt | – | 1 Nm/s oder 1 J/s |
| PS | Pferdestärken | 0,735499 kW | – |
| kcal/h | Kilokalorien je Stunde | 1,163 W | – |
Leistung
| Kurzzeichen | Einheit | Wert ca. | Wert exakt |
| J | Joule | – | 1 Nm oder 1 Ws |
| Nm | Newtonmeter | – | 1 J |
| Ws | Wattsekunde | – | 1 J |
| kcal | Kilokalorie | 4,1868 kJ | – |
Tipps für Tauchlehrer
1. Ein solides physikalisches Wissen ist die Basis für die widerspruchsfreie Erklärung des Beziehungsgeflechts zwischen Wasser, Mensch und Technik beim Frei- und Gerätetauchen.
2. Durch die klare und überzeugende Herleitung der Verhaltensregeln sicheren Tauchens fördert der Tauchlehrer die konsequente Umsetzung dieser Regeln durch den Schüler in der Praxis.
3. Im Verlauf der Ausbildung muss die Bleimenge minimiert bzw. optimiert werden (austariert mit leerem Jacket in 3 m, Flaschendruck 50 bar).
4. Im Meer ausgebildete Taucher müssen wissen, dass sie im Süßwasser ca. 2–4 kg weniger Blei benötigen (Absturzgefahr!).
5. Aufgrund der großen relativen Druckänderungen ist das Flachwasser einerseits die anspruchsvollste Tiefenzone bzgl. der Tarierung, andererseits die gefährlichste bzgl. diverser Druckverletzungen.
Weiterführende Literatur ____________________________
1. Dobrinski P, Krakau G, Vogel A: Physik für Ingenieure. Teubner, Stuttgart, 1990
2. Gerlach E, Grosse P: Physik – Eine Einführung für Ingenieure. Teubner, Stuttgart, 1989
3. Hering E, Martin R, Stohrer M: Physik für Ingenieure. VDI, Düsseldorf, 1989
4. Roedel W: Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre. 3. Aufl. Springer, Berlin Heidelberg New York Tokio, 2000
5. Schneider HA, Zimmer H: Physik für Ingenieure, 2 Bände. Fachbuchverlag, Leipzig, 1987/1991
