Physik
Kraft
Vor fast 300 Jahren definierte der Engländer Isaac Newton folgendes:
Kraft = Masse · Beschleunigung
Ihm zu Ehren ist die Einheit der Kraft das Newton (N). Das Formelzeichen der Kraft ist F, vom englischen force. Der Vollständigkeit halber: 1 N ist die Kraft, die erforderlich ist, einen Körper von 1 kg Masse auf 1 m/s² zu beschleunigen.
Druck
Eine der für uns Taucher wesentlichsten physikalischen Größen ist der Druck. Der Druck ist definiert als die Kraft (z. B. Gewichtskraft), die auf eine bestimmte Fläche wirkt.
Druck = Kraft / Fläche oder p = F / A
Die Einheiten des Drucks sind das Bar (bar) und das Pascal (Pa). Das Bar wird dabei vorwiegend im technischen und eben auch taucherischen Bereich verwendet, dass wesentlich feiner Pascal vorwiegend in der Meteorologie.
1 bar = 100.000 Pa = 10 N/cm²
Luft hat ein Gewicht - 1,2 Gramm pro Liter. Das Gewicht der über uns liegenden Luft erzeugt einen Druck, der auf Meereshöhe ca. 1 bar beträgt.
Wasser hat auch ein Gewicht - 1 kg pro Liter. Das Wasser, das sich beim Tauchen über uns befindet, erzeugt ebenfalls einen Druck - 1 bar pro 10m Wassertiefe.
Daraus ergibt sich, dass wir an der Oberfläche einen Druck von 1 bar, in 10m Wassertiefe einen Druck von 2 bar, in 20 m Tiefe einen Druck von 3 bar, ... haben.
Was das Bild hier angeht: Je kleiner die Fläche ist, auf die eine Kraft wirkt, desto größer ist der Druck. Jetzt weißt Du auch, warum man den Nagel mit dem spitzen Ende in die Wand haut. :)
Das Gesetz von Boyle-Mariotte
Das, was die beiden Physiker Robert Boyle und Edme Mariotte herausgefunden haben, ist eines der wichtigstens Dinge beim Tauchen. Es erklärt unter anderem, wieso man beim Auftauchen NIEMALS! die Luft anhalten darf.
Wir erinnern uns, je tiefer wir tauchen, um so höher wird der Druck. In 10 m Wassertiefe haben wir einen Druck von 2 bar. Und jetzt kommen die genannten Herren ins Spiel. Die haben nämlich folgendes gesagt:
Bei gleichbleibender Temperatur steht für eine gegebene Gasmenge der Druck im umgekehrten Verhältnis zum Volumen.
Hä? Also nochmal ganz langsam: Die Temperatur vernachlässige wir der Einfachheit halber mal. Bleiben noch Druck und Volumen.
Zylinder auf, Luft rein, Zylinder zu. Es kann weder Luft rein noch raus. Wir haben also eine Gasmenge, die sich nicht verändern kann, die gegeben ist.
Drückt man den Kolben so weit in den Zylinder, dass das Volumen nur noch halb so groß ist, verdoppelt sich der Druck.
Drückt man den Kolben so weit in den Zylinder, dass das Volumen nur noch 1/3 so groß ist, verdreifacht sich der Druck.
Stell dir vor, ein Taucher holt in 10 m Wassertiefe, also bei 2 bar, noch mal richtig tief Luft, hält die Luft an und taucht auf. An der Oberfläche herrscht aber nur noch ein Druck von 1 bar. Nach Boyle-Mariotte will die Luft in seiner Lunge jetzt das doppelte Volumen einnehmen. Die Lunge ist aber voll, er hat schließlich tief Luft geholt. Wohin also mit dem Mehr an Volumen? Genau, ausatmen, sonst ist die Lunge futsch - was wir nach Möglichkeit vermeiden wollen.
Das Archimedische Prinzip
Archimedes von Syrakus hat so ca. 250 v. Chr. im alten Griechenland gelebt. Und er war ein ziemlich heller Kopf, der folgendes herausgefunden hat:
Ein Körper verliert beim Eintauchen in eine Flüssigkeit so viel an Gewicht, wie die verdrängte Flüssigkeitsmenge wiegt.
Mit anderen Worten: Macht man eine Badewanne bis zum Rand voll und legt sich rein, verdrängt man einen Teil des Wassers - es läuft aus der Wanne heraus. Der Körper wiegt in der Badewanne jetzt weniger und zwar genau so viel weniger, wie das übergelaufene Wasser wiegt. Vorausgesetzt, man schwimmt und sitzt noch nicht auf dem Wannenboden auf.
Beim Tauchen wirkt sich das folgendermaßen aus: Verdrängt ein Taucher weniger Wasser, als er selbst wiegt, sinkt er nach unten. Verdrängt er mehr, steigt er nach oben. Verdrängt er aber genau so viel Wasser, wie er selbst wiegt, dann schwebt er. Diesen Zustand nennt man hydrostatisches Gleichgewicht - der Idealzustand beim Tauchen. Wie man den erreicht, bringen wir Dir in der Ausbildung bei.
Witzigerweise hat unser Freund Archimedes das Ganze angeblich beim Baden entdeckt. Und verwendet hat er es, um zu überprüfen, ob die Krone seines Königs vollständig aus Gold war. (So ganz am Rand: Unser Freund hier hat auch noch andere interessante Dinge entdeckt bzw. erfunden, z. B. die Archimedische Schraube.)
Warum das Meer blau ist
Unter Wasser kann man auch ohne Lampe etwas sehen, wenn es draußen hell ist. Das Licht dringt in das Wasser ein. Nun sind zwei Punkte entscheidend: Licht besteht aus Spektralfarben und Wasser absorbiert die einzelnen Spektralfarben unterschiedlich stark.
Also: Weißes Licht gibt es nicht. Was wir als Weiß sehen sind in Wirklichkeit viele verschiedene Farben gleichzeitig, die sogenannten Spektralfarben. Sichtbar werden diese Farben z. B. bei einem Regenbogen. Diese einzelnen Spektralfarben werden vom Wasser unterschiedlich stark absorbiert, sozusagen aufgesaugt oder verschluckt.
Rot ist schon nach wenigen Metern weg, dann Orange, usw. - genau in der Reihenfolge des Regenbogens. Von allen Farben bleibt also nur das Blau übrig. Und deshalb sieht unser Meer so schön blau aus!
Übrigens: Das ist auch einer der Gründe, warum unser Himmel blau aussieht. In den höheren Luftschichten gibt es nämlich Myriaden winziger Wassertröpfchen, die den gleichen Effekt haben.