Sualtında Fizik

Sualtında Fizik

Teorik eğitimler sırasında konu fiziğe gelince kursiyerlerin “Gene mi fizik?” şeklinde verdikleri tepki hemen her kurs döneminde söz konusu olur. Meslek olarak fizik bilimine yakın olan mühendis kursiyerlerde dahi bu tepki vardır.

Su havaya nazaran 800 kat daha yoğun bir ortamdır. Bu sebeple su içerisinde ısı iletimi havaya göre 25 kat daha fazladır. Bu nedenle sualtında ısı kaybı önemli bir problem olarak karşımıza çıkar ve su sıcaklığına uygun elbise önerilir.

Suyun havaya nazaran çok yoğun bir ortam olduğundan ses de havaya göre 4.5 kat daha hızlı yayılır. Havada 340 m/sn hızla yayılan ses sualtında 1650-1700 m/sn hıza ulaşır. Bu havaya oranla 4.5 kat daha kısa sürede duymak anlamına gelir. Bunun duyma yönünden bir zafiyeti söz konusudur. Sesin havada her iki kulağımıza farklı zamanlarda ulaşmasından beynimiz, sesin hangi yönden geldiğine karar verebilir. Ancak sualtında sesin havaya oranla 4.5 kat hızlı hareketi neticesinde, ses her iki kulağımıza da aynı anda ulaşır, sesin hangi yönden geldiğini anlamamız mümkün olmaz.

Sualtındaki yoğun ortam görmemizi de etkiler. Sudaki kırılma indisi havaya göre farklılık gösterdiğinden, sualtında objelerden yansıyan ışık gözümüzdeki retina tabakası üzerine tam olarak düşmez, bulanık görme söz konusu olur. Maske kullanılarak bulanık görüntü net görüntüye dönüştürülür. Bu halde de sualtındaki objeleri % 25 yakın, % 33 büyük görmemiz söz konusu olur.

Güneş ışığının etkisi derinlere inildikçe azalır. Suyun ışığı emmesinden kaynaklanan bu durum neticesinde, derine inildikçe bazı renklerin kaybolması izah edilebilir. 4.4-5 m lerde kırmızı, 7-8 m lerde turuncu, 10-11 m lerde sarı, 19-20 m lerde yeşil ve 25 m de mavi kaybolur. Daha derinler hep lacivertin tonları şeklinde görülür. Ancak tabii ışığın emilmesi neticesi yaşanan bu durum, fener kullanılarak giderilebilir. Fener ışığı altında cisimler gene orijinal renklerine döner.

Sualtında balıkadamı etkileyen faktörlerin fizik bilimi açısından izahı fiziksel kanunlarla mümkündür. Bu kanunlar gereği etkileyen faktörler, yapılmaması gereken hareketler, sağlıklı bir dalış için gerekenler, problem ve çözüm olarak karşımıza çıkar.

Dalışın problemlerini ve çözümlerini içeren fizik kanunları :

1- Archimedes Kanunu


2- Genel Gaz Kanunu


3- Henry Kanunu


4- Dalton Kanunu


şeklinde karşımıza çıkar. Genel gaz kanunu ise farklı bilim adamları tarafından bazı doneleri sabit olarak kabul ederek geliştirdikleri, gene aynı bilim adamlarının isimleriyle anılan :

1- Boyle-Mariotte Kanunu


2- Charles Kanunu


3- Gay Lussac Kanunu söz konusu olur.


Archimedes Kanunu gereği, su içerisinde bulunan her cisim, taşırdığı suyun ağırlığına eşit bir kuvvetle yukarı doğru itilir. Bu kanunun dalış için anlamı denge yeleği (BC/BCD) kullanımında saklıdır. Archimedes kanunu ile ilgili olarak; su içerisinde bulunan ;daha büyük hacimli bir cismin, daha büyük bir kaldırma kuvveti ile yukarı itilmesi; daha küçük hacimli bir cismin ise daha küçük bir kaldırma kuvveti ile yukarı doğru itilmesi söz konusudur. Sualtında denge yeleğimizi şişirerek hacmini artırıp, daha büyük bir kuvvetle yukarı doğru itilmesini sağlar ve bu yolla sualtında pozitif hale gelip yüzeye doğru yol alırız. Sualtında daha derinlere doğru inmek için ise, denge yeleğimizin içerisindeki havayı boşaltarak, denge yeleğimizin hacmini küçültürüz. İlk konumuna nazaran daha küçük bir hacme sahip denge yeleğinin, negatif hale gelip derinlere doğru yol alması gene Archimedes Kanunu gereğidir.

Henry kanunu : Sıvı ile temas halinde olan bir gazın basıncı artırıldıkça, o gazın temas halinde olduğu sıvı içerisindeki çözünürlüğünün artacağını ifade eder. Buradaki çözünürlük basıncın yeterli seviyeye ulaştığında, gazın faz değiştirerek sıvı hale gelmesi ve temas halinde olduğu sıvıya karışması anlamına gelir. Örnek olarak gazoz içerinde bulunan karbonik asit gazı , şişe içerinde mevcut basınç ile sıvı hale geçtiğinden, gazoz şişesinin içerisinde sadece sıvı gazoz görülür. Gazoz kapağı açılırsa sıvı haldeki karbonik asit gazı tekrar faz değiştirerek gaz haline dönüşür ve kabarcık şeklinde gazoz sıvısının içerisinde görülür. Henry Kanunu, sıvı olarak kan, gaz olarak da azot söz konusu olduğunda, dekompresyon (Vurgun) hastalığının nedenini açıklar.

Dalton Kanunu : Bir gaz kütlesini oluşturan gazların kısmi basınçları toplamının, o gaz kütlesinin basıncına eşit olduğunu söyler. Havanın % 21 oksijen ve % 79 Azot (Nitrojen) gazlarından oluştuğu kabul edilir. Buradan, hava basıncının % 21 lik kısmı oksijenin kısmi basıncını, % 79 luk kısmının ise azotun kısmi basıncını belirttiği anlaşılır. Mesela :

Sualtında fizik, Sualtında fiziğin önemi, sualtı fizğinin matemetiği, suyun havaya oranla yoğunluğu kaçtır Deniz yüzeyindeki mutlak basınç 1 atm olduğundan,

oksijenin kısmi basıncı : 1 atm x % 21 = 0.21 atm

azotun kısmi basıncı : 1 atm x %79 = 0.79 atm şeklinde bulunur. Azotun ve Oksijenin kısmi basınçları toplamı alınarak 0.21 atm + 0.79 atm = 1 atm bulunur. Bu da havanın deniz yüzeyindeki mutlak basıncına eşittir.

Dalton kanunu dalış sırasında bazı gazların kısmi basınçlarının, yeterli seviyeye ulaştığında balıkadamlar üzerinde zehirleme etkisini açıklar. Mesela hayat veren bir gaz olarak düşündüğümüz oksijen, kısmi basıncının 1.6 atm ye ulaştığında, oksijen zehirlemesine neden olur. Tüpünde saf oksijen bulunan balıkadam dalışa başlar ise, 1.6 atm nin oksijen kısmi basıncı olarak karşımıza çıktığı (1.6 atm– 1.0 atm) x 10 = 6 m derinlikte oksijen zehirlenmesine maruz kalır. Havanın %21 i oksijen olduğundan, deniz yüzeyindeki kısmi basıncı 0.21 atm dir. Hava tüpü kullanan bir dalgıç ise ((1.6 atm / 0.21 atm ) – 1.0 atm ) x 10 = 66 m de oksijen zehirlenmesi ile karşılaşır. Hesaplarda görülen 1.0 atm değeri atmosfer basıncıdır.

Genel gaz kanunu (P1 x V1) / T1 = (P2 x V2) / T2 şeklinde formüle edilir. Burada P basınç, V hacim ve T ısıcaklık olarak tanımlanmıştır 1 indisi ilk durumu, 2 indisi ise 2 durumu ifade eder. Formülden de anlaşılacağı üzere Basınç ile hacim ters orantılıdır. Basınç artırılırsa hacim küçülür. Ayrıca bu formül gereği basınç ile sıcaklık doğru orantılıdır. Sıcaklık artırılırsa basınç da artar.

Boyle Mariote kanunu sıcaklığı sabit tutarak basınç-hacim ilişkisini inceler. Kanunun açılımı “Sabit sıcaklık altında basınç artarsa hacim küçülür. “şeklindedir. Bir başka ifade ile “Sabit sıcaklık altında basınç ve hacim ters orantılıdır.” denilebilir.

P1 x V1 = P2 x V2

Charles kanunu basıncı sabit tutarak hacim ve ısı ilişkisini çözer. “Sabit basınç altında sıcaklık arttığında hacim de artar.” şeklinde ifade edilir. Buradan sıcaklık ile hacim doğru orantılıdır sonucu çıkar.

V1 / T1 = V2 / T2

Gay-Lussac Kanunu ise hacmi sabit tutarak, sıcaklık ve basınç ilişkisine dikkat çeker. “Hacim sabit tutulduğunda sıcaklı arttıkça basınç da artar.” Şeklinde ifade edilir.

P1 / T1 = P2 / T2

Mesela yüzeyde 5 litre hacmi olan bir balonun 20 m derinlikte kaç litre geleceğini hesaplayalım. Yüzeyde sıcaklık 27 derece santigrad, 20 m derinlikte ise 21 derece santigrad olsun.

Yüzeyde basınç P1= (0 / 10) + 1.0 atm = 1.0 atm

20 m derinlikte basınç P2 = (20/10) + 1.0 atm = 3.0 atm

Yüzeyde balon V1 =5 litre

20 m de balon V2 litre

Yüzeyde sıcaklık 27 derece santigrad

20 m de sıcaklık 21 derece santigrad

(P1 x V1) / T1 = (P2 x V2) / T2 (1.0 x 5) / (273+27) = (3.0 x V2) / (273+21)

Genel gaz kanununda derece santigrad yerine derece Kelvin kullanılır. Derece santigradı derece Kelvin e dönüştürmek için derece santigrad a 273 ilave edilir. 5 / 300 = 3.0 x V2 / 294 V2= (5 x 294) / (300 x3.0) = 1.63 litre

Bir başka uygulamada deniz yüzeyinde 200 bar ile doldurulmuş bir tüpün vanası açılarak, tüpte 50 bar basınç kalacak şekilde boşaltılırsa kalan 50 barlık havanın sıcaklığı ne olur? Dolum sırasında tüpün içerisindeki hava sıcaklığı 60 derece santigrad idi.

İlk durumdaki basınç P1 = 200 bar

İkinci durumda basınç P2 = 50 bar

İlk ve son hacim eşit V1= V2 = V

İlk sıcaklık T1 = 60 derce santigrad

İkinci durumda sıcaklık T2

(P1 x V1) / T1 = (P2 x V2) / T2

P1/T1 = P2 / T2

200 / (273+60) = 50 / T2

0.6 = 50 / T2

T2 = 50 / 0.6 = 83.33 derece Kelvin = 83.33 – 273 = -189.66 derece santigrad

Bu örnekten anlaşılacağı gibi yüzeyde serbest akışa geçen bir tüpün vanasının donması mümkündür.

Archimedes kanunu gereği denge yeleğimize ilgili derinlikte gönderdiğimiz küçük bir hacimdeki hava, yükselmemize neden olacaktır. Ancak yükseldikçe gene gaz kanunu gereği denge yeleği içerisinde bulunan hava hacmi artacak ve denge yeleği hacmi giderek büyüyecektir. Giderek büyüyen denge yeleği hacmi dolayısıyla da Archimedes kanunu gereği daha büyük bir kuvvetle yukarı itileceğimizden, çıkış hızımızı muhafaza edebilmek için denge yeleğimizdeki havayı çıkış zaman zaman boşaltmamız gerekir. Sualtında her 10 m derinlikte suyun basıncı (Hidrostatik basınç) 1 atm artar. Mutlak basınç, hidrostatik basınç ile suyun yüzeyindeki atmosfer basıncının toplamıdır. Deniz yüzeyinde atmosfer basıncı 1 atm dir. Kısaca bulunulan derinlik 10’a bölünerek bulunan hidrostatik basıncına atmosfer basıncı (1 atm) ilave edilerek mutlak basınç bulunur. Esasen sualtında balıkadamı etkileyen basınç mutlak basınçtır.

Yüzeydeki mutlak basınç 1 atm, 10 metreye gelindiğinde mutlak basınç 2 atm olduğu düşünülürse ilk 10 m derinlikte basınç değişiminin %100 olduğu görülür. Daha derinlere inildiğinde basınç değişim oranının giderek azaldığı görülür. Bu da ilk 10 m de meydana gelebilecek barotravmaların daha etkili olduğunun açıkamasıdır. 1 litrelik bir şişe 40 m de hava ile doldurulup kapağı kapatılırsa, bırakıldığında ne olur? Şişe 6 atm basınca dayanabilmektedir ve ağırlığı 2 kg dır. İçerisine konulan havanın ağırlığı ihmal edilecektir.

1 litrelik şişe 4o m de hava ile doldurulduğunda, şişe (40/10)+1 = 5 atm iç basınca sahip olur. 1 lt hacme sahip olduğundan suyun özgül ağırlığı 1 lt/kg kabul edildiğinde 1 kg bir kuvvetle yukarı doğru itilir. Ağırlığı 2 kg olduğundan 2 kg – 1 kg = 1 kg bir kuvvetle aşağı doğru yol alır. Şişe 6 atm basınca dayanabilmektedir. Dış basınç ile iç basınç farkının 6 atm olması için 6 atm + 5 atm = 11 atm basıncın olduğu derinlikte parçalanması söz konusu olur. Bu 11 atm – 1.0 atm = 10 atm nin olduğu hidrostatik basıncın olduğu derinliktir. Yani şişe 10 x 10 = 100 m de patlayacaktır.

“200 bar hava doldurulmuş bir tüpü, 30 m derine indirdiğimizde tüpteki basınç ne olur?” Sorusu akla gelebilir. Tüp metal yani katı bir maddedir. Katıların sportif dalış limitleri içerisinde hacim değişimleri ancak hassas aletlerce ölçülebilecek kadar küçük olur. Bu sebeple tüpteki basınç değişmez denilebilir. Ancak yüzeydeki ve 30 m deki sıcaklık değerlendirildiğinde tüpteki basınç değişimi genel gaz kanunu ile hesaplanabilir.

Tüpümüzün vanası açık konumda iken içerisindeki basınç ortam basıncına eşittir. Tüpümüzün içerisinde 50 bar basınç var demek, tüp hacminin 50 katı havanın tüp içerisine sıkıştırılmış olduğu anlamına gelir. Tüpün içerisindeki basınç ortam basıncına eşit olduğu an artık tüp içerisindeki hava vanadan geçerek regülatöre ulaşamaz. Sualtında tüp basıncı ile ortam basıncı eşit olduğunda, artık tüpteki hava kullanılamaz. Kullanabilmek için yükselerek basınç düşürülür, tüp içerisinde hava hacmi dolayısıyla da basınç artar. Tüp basıncı ile yükselinen noktadaki mutlak basınç arasındaki fark ile tüp iç hacmi çarpımı kadar hava kullanılabilir.

Regülatör birinci kademelerinin ortam basıncının 8.5 ila 10.5 atm üzerinde bir basınçla ikinci kademeye hava gönderdiğini biliyoruz. Bir regülatör birinci kademesinin ortam basıncının 10 atm üzerinde bir değerde ikinci kademeye hava gönderdiğini var syar isek, o birinci kademenin tüpteki basıncın 10 atm değere ulaştığında artık hava vermemeye başlayacağını düşünebiliriz.

3000 litre hava 1 atm ortam basıncı altında, 12 litrelik tüpe basılırsa tüp içerisindeki basınç ne olur? 3000 lt/12 lt = 250 bar Biri birine bağlı tüpler birleşik kaplar prensibine göre çalışır. Bağlanan tüplerin her birindeki basınç bir diğerinin basıncına eşit hale gelir. 210 bar 12 litre, 70 bar 10 litre ve 110 bar 18 litrelik tüpleri biri birine bağlar isek : 210 bar x 12 litre = 2520 litre 12 litrelik tüpteki hava hacmi 70 bar x 10 litre = 700 litre 10 litrelik tüpteki hava hacmi

110 bar x 18 litre = 1980 litre 18 litrelik tüpteki hava hacmi olarak bulunur.

Tüplerdeki hava hacmi toplanarak 2520+700+1980 = 5200 litre toplam hava hacmi elde edilir. Tüp iç hacimleri toplamı 12+10+18 = 40 litre olur.

Toplam hava hacmini tüplerin iç hacimleri toplamına bölerek;

5200 litre / 40 litre = 130 bar her bir tüpteki basınç bulunur. Bu hesabı yaparken tüplerdeki sıcaklığın sabit kalacağı temel alınmıştır. Dolum ve boşaltım sırasında mutlaka ısı değişikliği ve bunun sonucu da hacim değişikliği söz konusudur.

Bu bazı dalış merkezlerince çok kullanılan bir tüp doldurma yöntemidir. Standra adı verilen hacim olarak çok büyük bir tüp boş zamanlarda doldurulur ve yoğun kullanım sırasında bu standra’ya bağlanan dalış tüpleri çok kısa sürede doldurulmuş olur.

İyi dalışlar....

Yazı : Mehmet Avadan

Abonelik Formu

* gerekli yerler

Sualtı Dünyam

Ana Sayfa
Eğitici Videolar
Sualtı Videoları
Teknik Dalış
İletişim
Gizlilik İlkesi

2017 © Copyright by Peter Salvatore