Všeobecné informácie Vo väčšine vyspelých krajín sa venuje potápačstvu s pretlakovými vzduchovými prístrojmi stále viac ľudí. Väčšina potápačov však tento šport vykonáva len pár dní v roku, väčšinou počas dovolenky, a často v ďalekých krajinách. Zbehlosť a skúsenosť mnohých potápačov nie je preto často veľmi výrazná. Dúfame, že týmto ľuďom, ale aj skúseným potápačom, poskytneme dôležité a zaujímavé údaje, ako i informácie.
Pri potápaní s potápacím prístrojom so stlačeným vzduchom (SCUBA = Self Contained UnderwaterBreathing Apparatus) vdychuje potápač cez náustok (automatickým kyslíkovým respirátorom) stlačený vzduch tlakom, ktorý zodpovedá danému tlaku prostredia = tlak vody plus atmosferický tlak. Zmes vzduchu sa spravidla vdychuje z oceľového alebo alumíniového oprístroja upevneneného na chrbte potápača, s obsahom medzi 8 l a 12 l. Vzduch sa do prístroja plní pomocou kompresora zo vzduchu prostredia tlakom ca. 200 bar.
Pomocou takejto zmesi vzduchu možno, do určitej miery bezpečne, dosiahnuť hĺbky až do 40 m; hoci zväzy športového potápania ponorenia nad 30 m neodorúčajú. Zvyčajné ponorenie športových potápačov spravidla trvá okolo 45 minút a začína v hĺbkach medzi 30 m a 40 m.
Pre bezpečné potápanie vo väčších hĺbkach, napr. pri prácach pod vodou, pre vedecké alebo vojenské účely, musia byť použité zmesi kyslíka a hélia. Nasledovne má v podstate dôjsť na potápanie so stlačeným vzduchom. Ale aj voľné potápanie (apnoe-potápanie) sa dostane k slovu.
Fyzikálne predpoklady Tlak
Dozaista najdôležitejšou fyzikálnou veličinou pri potápaní je tlak. Je definovaný ako zvislá projekcia sily na plochu:
P = F/A kde: P = tlak (od „pressure“) F = sila (od „force“) A = plocha (od „area“)
Aby sme sa dostali k jednotke tlaku, sú v rovnici 1 použité špeciálne jednotky pre silu a plochu. Ak pôsobí napríklad sila o veľkosti 1 newtona kolmo na nejakú plochu o veľkosti 1 m 2 , tak sa jednotka tlaku, ktorá z toho vznikla, označuje ako pascal ( = pa).
1pa = 1 N/1m2
Stotisíc pascalov sa označuje ako jeden bar:
1bar = 105 pa
Priemerý tlak vzduchu činí v nadmorskej výške 1,013 bar. V polohách s vysokým resp. s nízkym tlakom môže tlak čiastočne kolísať. Kvôli zjednodušeniu počítame pri nasledovných úvahách s nadmorskou výškou (= 0 m) s tlakom vzduchu 1 bar.
Poznámka: V medicíne sa tlak, tak napr. krvný tlak, ešte vždy uvádza v milimetroch ortuťového stĺpca (mm Hg). Táto jednotka tlaku a tlak v bar spolu nasledovne súvisa: 750 mm Hg = 1 bar
tlakové pomery v rôznych výškach a hĺbkach vody
Voda je takmer nestlačiteľná. To znamená, že voda má tú istú hustotu na povrchu, v 100 m hĺbke alebo aj v hĺbke 1 000 m. Sladká voda má pri 4 °C hustotu 1 000 kg na m3. Slaná voda má v závislosti od obsahu soli väčšiu hustotu. Hustota slanej vody (20 °C) s obsahom soli 3 % je teda okolo 1020 kg na m3. Hustota vody okrem toho závisí od jej teploty. Najväčšiu hustotu má voda – na rozdiel od mnohých iných tekutín – pri + 4 °C (anomália vody).
Vzduch je naproti tomu silne stlačiteľný. Vzduch má za normálnych podmienok, čiže pri tlaku 1 bar, hustotu 1,13 kg na m3.
Na vodnej hladine činí tlak pôsobiaci na potápača v priemere okolo 1 bar. Pretože vodný stĺpec vysoký 10 m vytvára rovnako tlak 1 bar, je celkový tlak v 10 m hĺbke vody 2 bar = tlak vzduchu (1 bar) + tlak 10 m vody (1 bar). V 20 m hĺbke činí tak tlak prostredia 3 bar, v 30 m hĺbke 4 bar a v 40 m hĺbke 5 bar.
Tak ako sa tlak so stúpajúcou hĺbkou vody zvyšuje, v atmosfére so stúpajúcou výškou klesá. Tu však znižovanie tlaku nie je lineárne ako vo vode. Ako je vidno z obr. 1, činí tlak vzduchu vo výške 4000 m ešte 0,62 bar. Prirodzene, že táto hodnota kolíše v závislosti na stave tlaku vzduchu a počasia. Táto výška je približne hranicou, od ktorej môže osoba nezvyknutá na výšky dostať výškovú chorobu. Výšková choroba znamená vážne nebezpečenstvo, pretože môže okrem iného viesť k pľúcnym a mozgovým edémom a môže skončiť smrteľne. V takýchto prípadoch treba postihnutú osobu buď respirovať kyslíkom, alebo priniesť do nižších výšok.
Boylov-Mariottov zákon Z fyziky a z chémie poznáme stavovú rovnicu plynu od Boyla-Mariotta. Táto znie: v uzavretom systéme je pri konštantnej teplote výsledok tlaku p a objemu V ideálneho plynu konštantný:
p . V = konšt.
Pozor Pod ideálnym plynom rozumieme – reálne neexistujúci – plyn, v ktorom molekuly plynu nemajú žiadny objem a nepôsobia na seba nijakými silami. Vo veľkých objemoch pri nízkej hustote (= nízky tlak) sú však tieto podmienky skutočne dobre splnené. Odchýlky od vzduchu od podmienok ideálneho plynu sa však so stúpajúcim tlakom zväčšujú. Jednako sa všetky úvahy o potápaní dajú s dobrými výsledkami vykonať pomocou rovnice 5.
Na objasnenie rovnice 5 pozorujeme balón napustený vzduchom, ktorý má na vodnej hladine objem 4 l vzduchu pri tlaku 1 bar. Z vodnej hladiny sa má dostať do hĺbky vody 40 m. Tu má potom balón pri tlaku 5 bar objem už len 0,8 l.
Na objasnenie Boylovho-Mariottovho zákonu
Treba to chápať nasledovne: Na vodnej hladine vyplýva pre balón výsledok p . V zo 4 l .1 bar = 4 l . bar. V hĺbke vody 10 m musí výjsť výsledok podľa rovnice 5 rovnako 4 l . bar:
2 l . 2 bar = 4 l bar
Výsledok je náležite v 20 m, 30 m alebo 40 m hĺbky stále 4 l . bar, ako je to objasnené na obr. 2.
Pretože je automatickým kyslíkovým respirátorom potápačského prístroja vzduch v každej hĺbke prijímaný s daným tlakom prostredia, je tlak vnútri tela a tlak prostredia = tlak vody + atmosferický tlak potápača stále rovnaký.
Parciálny tlak Pod parciánlnym tlakom (= čiastkový tlak) nejakého plynu v plynnej zmesi 2 alebo viacerých rôznych plynov rozumieme tlak, ktorý by prevládal, keby sme z objemu odstránili všetky ostatné plyny.
Parciálny tlak pp plynnej zmesi s celkovým tlakom po, ktorá je zložená z ľubovoľného množstva plynov s danými percentuálnymi podielmi objemov Vn, sa vypočíta nasledovne:
pp = po . Vn
parciálny tlak = celkový tlak . percentuálny podiel objemu jednotlivých plynov
Podľa definície parciálneho tlaku vyplýva celkový tlak po plynnej zmesi zase zo súčtu všetkých parciálnych tlakov zastúpených v zmesi plynov.
Súhrn vdychovaného a vydychovaného vzduchu v percentách
Príklad: Vo vdychovanom vzduchu je celkový tlak 1 bar, čiže rovnaký ako tlak v nadmorskej výške. Percentuálny podiel objemu 21 % kyslíka činí 0,21, zo 78 % dusíka 0,78 a z 1 % zvyšných plynov 0,01. Celkový tlak kyslíka sa potom vypočíta nasledovne:
p02 = 1 bar . 0,21 = 0,21 bar
Pre celkový tlak dusíka náležite nasleduje hodnota 0,78 bar.
Vdychovaný vzduch sa v organizme ohrieva na ca. 37 °C a sýti takmer 100 %-tne vodnými parami. Okrem toho sa spaľuje kyslík, a tým sa uvoľňuje oxid uhličitý. Preto je, ako ukazuje obr. 3, zloženie vydychovaného vzduchu iné ako zloženie vdychovaného vzduchu.
