Fysica I - 3* NELOSFysica I - 3* NELOS

Daniela DiegnerDaniela Diegner

Sportduikclub ‘de Walrussen’Sportduikclub ‘de Walrussen’

© 2009© 2009

Fysica I - 3*Fysica I - 3* Definities Definities Atmosferische drukAtmosferische druk Druk in vloeistoffenDruk in vloeistoffen Boyle-MariotteBoyle-Mariotte Gay-LussacGay-Lussac LuchtberkeningLuchtberkening Luchtverbruik onder waterLuchtverbruik onder water Licht en Geluid onder waterLicht en Geluid onder water Diffusie, Verstrooiing, AbsorptieDiffusie, Verstrooiing, Absorptie SnelliusSnellius

DefinitiesDefinities

Massa (symbool m): De Massa (symbool m): De grootheid waarmee wordt gemeten hoe grootheid waarmee wordt gemeten hoe gemakkelijk het is een lichaam te gemakkelijk het is een lichaam te versnellen, noemen we zijn massa.versnellen, noemen we zijn massa.

Massa heeft dus te maken met de Massa heeft dus te maken met de hoeveelheid materie die een lichaam hoeveelheid materie die een lichaam bevat. bevat.

De eenheid van massa is de kilogram (kg) De eenheid van massa is de kilogram (kg)

Definities Definities

Kracht (symbool F): Kracht (symbool F): De eenheid van kracht is de De eenheid van kracht is de newton (N). newton (N).

1 newton is de kracht die aan een 1 newton is de kracht die aan een massa van 1kg na 1 seconde een massa van 1kg na 1 seconde een snelheid van 1 m/s geeft. snelheid van 1 m/s geeft.

DefinitiesDefinities

Gewicht (symbool G): Gewicht (symbool G): Het gewicht van een lichaam is de kracht Het gewicht van een lichaam is de kracht

waarmee de aarde het lichaam aantrekt.waarmee de aarde het lichaam aantrekt. Er is gemeten dat 1kg een gewicht heeft Er is gemeten dat 1kg een gewicht heeft

van 9,8 N. (we mogen afronden tot 10 N) van 9,8 N. (we mogen afronden tot 10 N)

PASCAL (Pa) :PASCAL (Pa) :

1bar = 1.000 mbar = 100.000 Pa 1bar = 1.000 mbar = 100.000 Pa

overzicht in ons boek : bladzijde. 26overzicht in ons boek : bladzijde. 26

Atmosferische drukAtmosferische druk

Het belangrijkste gas waarmee we in Het belangrijkste gas waarmee we in contact komen is lucht.contact komen is lucht.

Normaal gezien bestaat het uitNormaal gezien bestaat het uit• 21% Zuurstof, 21% Zuurstof, • 78% Stikstof, 78% Stikstof, • 0.03% Koolstofdioxide,0.03% Koolstofdioxide,• 0.97% Argon en 0.97% Argon en • nog wat andere edelgassen. nog wat andere edelgassen.

De voornaamste gassen zijn dus stikstof De voornaamste gassen zijn dus stikstof en zuurstof.en zuurstof.

Atmosferische drukAtmosferische druk

De massa van 1 liter lucht bij De massa van 1 liter lucht bij normale atmosferische druk en bij 0 normale atmosferische druk en bij 0 ººCelsius is 1,29 gr (afgerond 1,3 gr)Celsius is 1,29 gr (afgerond 1,3 gr)

Voor berekeningen is het voldoende Voor berekeningen is het voldoende 20% O20% O2 en 80% N en 80% N22

Atmosferische druk schommelt met Atmosferische druk schommelt met de weersomstandigheden: de weersomstandigheden: ligt steeds rond de 1,013 bar (1013 ligt steeds rond de 1,013 bar (1013 mbar) afronden naar 1 bar .mbar) afronden naar 1 bar .

Proef van TorricelliProef van Torricelli

Dezelfde proef zou Dezelfde proef zou men met water men met water kunnen uitvoeren: kunnen uitvoeren: in een glazen buis in een glazen buis zou men dan een zou men dan een waterzuil van 10 m waterzuil van 10 m krijgen.krijgen.

Alle 1000m / 100 mbar minder.Alle 1000m / 100 mbar minder.

Absolute drukAbsolute druk Hydrostatische drukHydrostatische druk

• 0 m 0 m 0 bar0 bar• 10 m 10 m 1 bar1 bar• 20 m 20 m 2 bar2 bar• 30 m 30 m 3 bar3 bar• 40 m 40 m 4 bar4 bar• 50 m 50 m 5 bar5 bar

Absolute drukAbsolute druk• 0 m 0 m 1 bar1 bar• 10 m 10 m 2 bar2 bar• 20 m 20 m 3 bar3 bar• 30 m 30 m 4 bar4 bar• 40 m 40 m 5 bar5 bar• 50 m 50 m 6 bar6 bar  

Hierbij komt de druk Hierbij komt de druk die wij ondervinden die wij ondervinden door de druk van de door de druk van de verschillende verschillende waterlagen (de waterlagen (de hydrostatische of hydrostatische of relatieve druk).relatieve druk).

Deze twee drukken Deze twee drukken samen geven ons de samen geven ons de werkelijke druk die op werkelijke druk die op ons lichaam heerst of ons lichaam heerst of de absolute druk.de absolute druk.

Druk in vloeistoffenDruk in vloeistoffen

Wet van Pascal:Wet van Pascal:

Een druk uitgeoefend op een deel van een Een druk uitgeoefend op een deel van een vloeistof, plant zich in alle richtingen voort vloeistof, plant zich in alle richtingen voort met dezelfde grootte.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.

PascalPascal

Wet van Boyle-MariotteWet van Boyle-Mariotte

Bij een constante temperatuur is het Bij een constante temperatuur is het volume van een bepaalde volume van een bepaalde hoeveelheid gas omgekeerd hoeveelheid gas omgekeerd evenredig met de druk.evenredig met de druk. Bij een constante temperatuur is het Bij een constante temperatuur is het product van druk en volume van een product van druk en volume van een bepaalde hoeveelheid gas constant.bepaalde hoeveelheid gas constant.

P x V = constante P x V = constante

Toepassingen Boyle-MariotteToepassingen Boyle-Mariotte

Belangrijke toepassingen van de wet Belangrijke toepassingen van de wet van Boyle-Mariotte zijn onder andere:van Boyle-Mariotte zijn onder andere:

• Een compressor om de duikflessen te Een compressor om de duikflessen te vullenvullen

• Capillaire dieptemeters (ultraplat)Capillaire dieptemeters (ultraplat)• LuchtverbruikLuchtverbruik• TrimvestTrimvest

Wet van Boyle-Mariotte of het Wet van Boyle-Mariotte of het verband tussen volume en drukverband tussen volume en druk

Wanneer wij een gas in een vat beschouwen, dan oefent dit Wanneer wij een gas in een vat beschouwen, dan oefent dit gas steeds een druk uit op de wanden van dit vat. gas steeds een druk uit op de wanden van dit vat.

Het gas bestaat uit trillende moleculen die tegen de Het gas bestaat uit trillende moleculen die tegen de wanden opbotsen. wanden opbotsen.

Verkleinen wij nu het vat, dan krijgen wij een grotere Verkleinen wij nu het vat, dan krijgen wij een grotere concentratie van moleculen met meer botsingen als gevolg.concentratie van moleculen met meer botsingen als gevolg.

Hierdoor zal de druk toenemen.Hierdoor zal de druk toenemen. Zo kunnen wij een omgekeerde emmer van 10 L Zo kunnen wij een omgekeerde emmer van 10 L

onderdompelen in water. De lucht zit gevangen onder deze onderdompelen in water. De lucht zit gevangen onder deze emmer. Hoe dieper wij nu afdalen onder water met deze emmer. Hoe dieper wij nu afdalen onder water met deze emmer, hoe meer het gas zal samengedrukt worden (het emmer, hoe meer het gas zal samengedrukt worden (het vat verkleint dus). Wij kunnen de druk in deze emmer vat verkleint dus). Wij kunnen de druk in deze emmer meten en wij zullen zien dat deze druk is toegenomen.meten en wij zullen zien dat deze druk is toegenomen.

Wet van Gay-LussacWet van Gay-Lussac

Bij constant volume is de druk van Bij constant volume is de druk van een hoeveelheid gas recht evenredig een hoeveelheid gas recht evenredig met zijn temperatuur in graden met zijn temperatuur in graden Kelvin. Kelvin.

P / T = constanteP / T = constante

Wet van CharlesWet van Charles

Bij constante druk is het volume van Bij constante druk is het volume van een hoeveelheid gas recht evenredig een hoeveelheid gas recht evenredig met zijn temperatuur in graden met zijn temperatuur in graden Kelvin. Kelvin.

V / T = constanteV / T = constante

Deze wet wordt ook wel Deze wet wordt ook wel toegeschreven aan Gay-Lussac.toegeschreven aan Gay-Lussac.

Invloed van de temperatuur op Invloed van de temperatuur op gassengassen

Wanneer wij bij fysica spreken over Wanneer wij bij fysica spreken over temperaturen, dan gebruiken wij steeds temperaturen, dan gebruiken wij steeds de: de:

Kelvinschaal (K) Kelvinschaal (K)

en niet deen niet de

Celsiusschaal (°C). Celsiusschaal (°C).

Ook de temperatuur is van belang Ook de temperatuur is van belang wanneer wij spreken over druk. wanneer wij spreken over druk.

Invloed van temperatuur op Invloed van temperatuur op gassengassen

Bij een grotere temperatuur beginnen de Bij een grotere temperatuur beginnen de moleculen in een gas heviger te trillen moleculen in een gas heviger te trillen waardoor het aantal onderlinge botsingen waardoor het aantal onderlinge botsingen toeneemt en het gas gaat uitzetten. toeneemt en het gas gaat uitzetten.

Indien het gas in een vat zit, dan kan het Indien het gas in een vat zit, dan kan het niet uitzetten maar de druk zal toenemen.niet uitzetten maar de druk zal toenemen.

Wanneer de temperatuur terug afneemt, Wanneer de temperatuur terug afneemt, dan zal het gas in volume afnemen of de dan zal het gas in volume afnemen of de druk verminderen.druk verminderen.

ToepassingenToepassingen

De druk in een fles vermindert als we De druk in een fles vermindert als we met deze fles van het warme met deze fles van het warme vulstation overgaan naar een vulstation overgaan naar een bitterkoude Oosterschelde.bitterkoude Oosterschelde.

PP11 x V x V11 / T / T11 = P = P22 x V x V22 / T / T2 2 = Constant= Constant

   

LuchtberekeningLuchtberekening

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 waterLuchtverbruik onder water Wanneer wij duiken, verhoogt onze omgevingsdruk. Wanneer wij duiken, verhoogt onze omgevingsdruk. Wanneer wij bijvoorbeeld op -30 m duiken, dan zitten wij Wanneer wij bijvoorbeeld op -30 m duiken, dan zitten wij

met een absolute druk van 4 bar in plaats van 1 bar boven met een absolute druk van 4 bar in plaats van 1 bar boven water. water.

Uit Boyle-Mariotte leren wij dat P x V een constante is.Uit Boyle-Mariotte leren wij dat P x V een constante is. Een gemiddelde mens verbruikt boven water 20 liter lucht Een gemiddelde mens verbruikt boven water 20 liter lucht

per minuut of vermits wij op 1 bar zitten, 20 barliter per per minuut of vermits wij op 1 bar zitten, 20 barliter per minuut. minuut. 

Wanneer wij op -30 m zitten dan moeten wij 20 liter lucht Wanneer wij op -30 m zitten dan moeten wij 20 liter lucht inademen onder een druk van 4 bar.inademen onder een druk van 4 bar.

Wij verbruiken dan 20 L x 4 bar = 80 barl per minuut.Wij verbruiken dan 20 L x 4 bar = 80 barl per minuut. Dientengevolge zullen wij steeds meer verbruiken des te Dientengevolge zullen wij steeds meer verbruiken des te

dieper wij duiken.dieper wij duiken.

Geluid onder waterGeluid onder water Onder water horen wij de dingen niet zoals het "hoort". Onder water horen wij de dingen niet zoals het "hoort".

Een motorboot lijkt vlakbij en uit alle richtingen te komen. Een motorboot lijkt vlakbij en uit alle richtingen te komen. Hoe komt dat eigenlijk?Hoe komt dat eigenlijk?

De snelheid?De snelheid? Het geluid beweegt zich voort in een golfbeweging. De Het geluid beweegt zich voort in een golfbeweging. De

tussenstof waarin het geluid zich voortplant neemt zelf deel tussenstof waarin het geluid zich voortplant neemt zelf deel aan deze golfbeweging. Daarom is de snelheid van het aan deze golfbeweging. Daarom is de snelheid van het geluid afhankelijk van de tussenstof.geluid afhankelijk van de tussenstof.

Snelheid van geluid:Snelheid van geluid:• In lucht In lucht +/+/ 330 m/sec.330 m/sec.• In water In water +/- 1.435 m/sec+/- 1.435 m/sec

  

Lucht en zicht onder waterLucht en zicht onder water

Onder water zien wij de dingen Onder water zien wij de dingen anders dan boven water. anders dan boven water. • Zonder duikbril zien wij niet scherp.Zonder duikbril zien wij niet scherp.• Alles lijkt groter en dichterbij. Alles lijkt groter en dichterbij. • Kleuren zijn niet herkenbaar. Kleuren zijn niet herkenbaar.

Hoe komt dat eigenlijk?Hoe komt dat eigenlijk? Alle voorwerpen onder water lijken Alle voorwerpen onder water lijken

groter en dichter bij dan in groter en dichter bij dan in werkelijkheid het geval is.werkelijkheid het geval is.

Lucht en zicht onder waterLucht en zicht onder water

1/3 groter1/3 groter zien dan de werkelijkheid. zien dan de werkelijkheid. Omdat een voorwerp groter lijkt, zullen Omdat een voorwerp groter lijkt, zullen onze hersenen dit trachten te vertalen onze hersenen dit trachten te vertalen naar een kleinere afstand.naar een kleinere afstand.

Het blijkt dat wij op deze manier de Het blijkt dat wij op deze manier de voorwerpen onder water voorwerpen onder water 1/41/4 van de van de werkelijke afstand werkelijke afstand dichterbijdichterbij zien (oftewel zien (oftewel op op 3/43/4 van de werkelijke afstand). van de werkelijke afstand).

Kleuren en lichtintensiteit Kleuren en lichtintensiteit veranderenveranderen

Onder water veranderen de kleuren.Onder water veranderen de kleuren.• Rode vissen lijken op grote diepte paars Rode vissen lijken op grote diepte paars

te worden.te worden.• Sommige kleuren zijn niet meer Sommige kleuren zijn niet meer

waarneembaar.waarneembaar.• Hoe dieper wij duiken hoe groter het Hoe dieper wij duiken hoe groter het

effect.effect. Hoe komt dat eigenlijk?  Hoe komt dat eigenlijk?  

AbsorbtieAbsorbtie

Wanneer een lichtstraal door het water Wanneer een lichtstraal door het water gaat, dan wordt zij geleidelijk aan gaat, dan wordt zij geleidelijk aan geabsorbeerd door de stofdeeltjes in het geabsorbeerd door de stofdeeltjes in het water. De stofdeeltjes slorpen een deel water. De stofdeeltjes slorpen een deel van de lichtenergie op en slechts het van de lichtenergie op en slechts het overblijvende deel kan zijn weg naar overblijvende deel kan zijn weg naar beneden vervolgen. beneden vervolgen.

Daarom wordt het donkerder naarmate wij Daarom wordt het donkerder naarmate wij dieper duiken. dieper duiken.

Op een diepte van - 500 m heerst er Op een diepte van - 500 m heerst er volledige duisternis.volledige duisternis.

Deze kleuren zijn steeds zichtbaar in dezelfde volgorde: · Deze kleuren zijn steeds zichtbaar in dezelfde volgorde: · Rood · Oranje · Geel · Groen · Blauw · Indigo · VioletRood · Oranje · Geel · Groen · Blauw · Indigo · Violet

Diffusie of verstrooiingDiffusie of verstrooiing

Er bestaat nog een ander verschijnsel dat Er bestaat nog een ander verschijnsel dat er voor zorgt dat kleuren anders lijken er voor zorgt dat kleuren anders lijken onder water. onder water.

Wij laten een lichtstraal op een zeer klein Wij laten een lichtstraal op een zeer klein deeltje vallen. Als dit deeltje kleiner is of deeltje vallen. Als dit deeltje kleiner is of gelijk aan de golflengte van dit licht, dan gelijk aan de golflengte van dit licht, dan wordt deze lichtstraal niet zomaar wordt deze lichtstraal niet zomaar geabsorbeerd, maar ze wordt verstrooid. geabsorbeerd, maar ze wordt verstrooid.

Diffusie of verstrooiingDiffusie of verstrooiing

Wanneer het water grotere stofdeeltjes of Wanneer het water grotere stofdeeltjes of plankton bevat (zoals in de Oosterschelde plankton bevat (zoals in de Oosterschelde en de Noordzee), dan is de intensiteit van en de Noordzee), dan is de intensiteit van het licht veel minder afhankelijk van de het licht veel minder afhankelijk van de golflengte van het licht.golflengte van het licht.

Wij krijgen wel nog een verstrooiing van Wij krijgen wel nog een verstrooiing van het licht, maar niet met een blauwe toon. het licht, maar niet met een blauwe toon. In dit geval spreken wij over de In dit geval spreken wij over de Tyndall-Tyndall-verstrooiingverstrooiing..

  

Wet van SnelliusWet van Snellius

In het luchtledige legt het licht een In het luchtledige legt het licht een rechtlijnige weg af, maar bij een overgang rechtlijnige weg af, maar bij een overgang van het ene milieu naar het andere kan van het ene milieu naar het andere kan het licht soms afbuigen.het licht soms afbuigen.

Zo zal het licht "breken" bij de overgang Zo zal het licht "breken" bij de overgang van lucht naar water en omgekeerd. van lucht naar water en omgekeerd.

Wet van Snellius: Wet van Snellius:

n1 x sin(i) = n2 x sin(r)n1 x sin(i) = n2 x sin(r)

Wet van SnelliusWet van Snellius