스크랩 다이버들이 알아야 할 물리학

[제우스]

다이버들이 알아야 할 물리학

스쿠버 다이빙은 과학이 만들어 낸 인류 마지막 레져라 말합니다.

그래서 과학적 이론을 무시하면 다이빙 사고로 이어집니다.

암기가 필요하지는 않지만, 이해는 필요로 하는 스쿠버에 적용 된 물리학 이론은 이렇습니다.

보통 쉽게 A,B,C,D,H 이론이라 하며 이 약자는 사람 이름 앞자리 이니셜을 따 온 겁니다.
그럼 이 이론들이 어떤 것인지 한 번 살펴 보죠...

첫번째 : A 는 아르키메데스의 원리(princes of Archmedes)

아르키메데스가 부력의 원리를 깨닫고는 목욕탕에서 알몸으로 튀어나와 '유레카!'라는 말을 했다는 일화는 유명합니다.

아르키메데스가 발견한 이 때의 부력의 원리를 아르키메데스의 원리라고 지칭합니다.

이 아르키메데스의 원리로 물체가 물에 뜨거나 가라앉는 것에 대해서 자세한 설명을 하겠습니다.

아르키메데스의 원리는 일단 간단히 정의하자면 물 속에 어떤 물체를 넣었을 때,

그 물체의 부피만큼의 물의 수위가 올라가고,

또한 이 물체에 대해서는 이 물체의 부피 만큼의 물의 무게가 사방에서 수압으로써 느껴진다는 것입니다.

즉, 여기에서 나오는 부력의 정의는 물체가 물을 밀어내는 힘이 아니라,

물체가 물에 잠겼을 때,

이 물체의 부피만큼의 물의 무게가 사방에서 수압으로써 가해지는 이 수압을 부력이라고 지칭하는 것 입니다.

즉, 여기서 부력과 물체의 부피는 서로 비례한다는 것을 알 수 있습니다.

물과 비교되는 상대적인 밀도를 비중이라고 할 겁니다
납과 같이 물보다 비중이 큰 물질은 물에 잘가라 않고 나무와 같이 비중이 낮은 물질은 물에 뜹니다 .
인체의 비중은 거의 1.0에 가깝읍니다. 

일반적으로 뚱뚱한사람이 낮은 비중을 가지고 있으며, 마른사람이 높은 비중울 가지고 있죠

(그럼 누가 더 잘 가라 앉을까요..?)
물과 같은 액체에 뜨게하는 힘을 부력이라고 합니다.(밑줄쫙~~~~~~~)

그리고, 이 부력에 대해서 가라 앉으려는 물체의 질량에 대해서는 반비례한다는 것을 알 수 있습니다.

그래서 물체에 대해서 가해지는 부력과 부피와 질량의 역수의 곱은 서로 비례함을 알 수 있습니다.

여기서 하나 놀라운 사실이 나타납니다.

부력과 비례하는 값인 부피와 질량의 역수의 곱이 질량과 부피의 역수의 곱인 밀도와 역수 관계를 취한다는 것을 알 수 있습니다.

따라서, 밀도와 역수관계를 취하는 이 값이 물체의 부력과 비례하므로, 밀도 자체는 물체의 부력과 반비례한다는 결론이 나옵니다.

물체가 물에 잠겼을 때, 그 물체와 같은 양의 물의 부피가 그 물체보다 질량이 크면 물체가 뜨고, 그 물체와 같으면 물속에서 단지 잠겨있고, 그 물체보다 질량이 작으면 물체가 가라앉는다는 사실이 이 부력의 원리에서도 적용된다는 사실을 알 수 있습니다.

이 설명이 너무 복잡하기 때문에 밀도라는 물리값이 탄생하게 된 것으로 추정합니다.

이렇듯, 부력과 물체의 밀도와 반비례한다는 사실에 따라서 밀도가 큰 물체는 혹 그 물체가 표면적이 커서 물 분자들이 표면적을 지탱해주는 힘만으로 이 물체의 질량을 극복할 수 있는 상황을 제외하면 가라앉는다는 사실이 증명됩니다.

즉 부력은 액체에 잠긴 물체는 잠긴부피 만큼의 액체와 같은 힘을 받는다.

요거이 아르키메데스의 원리 되겠읍니다

※그럼 밀도가 뭐야...?
밀도는 단위부피의 무게를 말하며 대기의 부피는 1.21그램/리터 되네여  즉 1리터당 1.21그램의 무게를 가지고 있으며, 해수의 밀도는 1.025킬로 그램/리터 담수의 무게는 1.0킬로그램/리터 되겠음다.

※다이빙하는데 아르키...가 왜 필요한데.....?
중성부력이죠 입출수도 관련이 있겠지만 양성부력과 음성부력을 맞출수 있는 것 때문에 아르키메데스의 원리가 필요합니다


두번째 : B는 보일의법칙(Boyle's Law)

간단히 말하면 갖혀있는 공기에 힘(압력)을 가해도 공기는 도망 가지 않지만 밀도는 높아진다는 이론 입니다
무슨말이냐 하면 일정량 기체의 부피는 압력에 반비례한다

이것을 계산식으로 해보면 P1 X V1 = P2 X V2 됩니다
최초의 압력과(P1) 최초의 부피(V1)은 압력이 가해진 변형압력(P2)와 변경된 부피(V2)와 같다

예를 들자면  신발에 있는 에어(에어백도 마찬가지)에 압력이 가해지면 부피가 줄어들면서 사람에게 가해지는 충격이 완화되는 것 과, 물속에서 잠수한 사람이 공기방울을 내뱉었을 때 올라오면서 방울이 더 커지는 것(수족관에서의 기포가 위로 올라 갈수록 커지는 것)

※ 다이빙하는데 왜 필요한데...?
이것 또한 하강시 B.C에 공기를 빼야하고 수중에서 줄어든 공기 만큼 B.C 에 공기를 채워주는 중성부력 이며, 상승시 B.C에서 공기를 빼지 않으면 상승 속도가 빨라진다는 예기일 것입니다.

세번재 : C는 샤르의 법칙(Chakles's Law)

온도는 기체의 압력과 부피에 영향을 준다는 이론 입니다
샤르의 법칙은 일정압력하에서 기체의 부피는 절대온도에 비례한다는 것이다
요것을 수식화 해 보면 V1/T1 = V2/T2 됩니다
 
보일의 법칙과 샤르의 법칙은 온도, 부피, 압력의 3가지 요소가 상호작용 한다.

보일의 법칙은 압력과 부피 샤르의 법칙은 온도의 변화에 따른 압력 과 부피 이두가지를 합쳐놓은 것입니다

이 문제는 실험 중에 보면 공기가 들어있는 풍선을 드라이아이스 통 안에 넣어서 작아지게 만든다음 가만히 놓아 두면 풍선이 다시 부풀어 오르는 것 하고 같은 것입니다.

풍선안과 풍선 밖의 압력이 같아서 기체의 운동이 활발하지 않을때는 풍선이 작아졌다가 풍선안의 온도가 밖의 온도와 같아지면서 기체가 운동을 해서 풍선의 부피가 커지는 것인데요.

이것이 이 문제를 이해하는데 도움이 될 것 같습니다.

※다이빙하는데 왜 필요한데...?
공기통을 햇빛에 오래 놓아두면 압력이 커져서 입수직전에 압력 계기를 보면 공기가 많은 것으로 알았는데 입수후 계기를 다시 보니 공기가 팍 줄어 있는 것을 느끼게 됩니다.
열대지방 다이빙에서는 탱크를 오래 방치할 때는 그늘에 잘 덮어서 두어야 한다는 이야기 입니다.

네번째 : D는 달톤의 법칙(Dalton)

혼합 기체의 양은 그 기체를 형성하는 부분압의 총합이다.

다~ 설명 할려면 엄청 길고 지루한 어려운 이론 입니다.

아마 나이트록스 다이빙을 배우게 되면 정확히 배우게 될 겁니다.

그래서 개략적으로 수식만 설명 들어 갑니다

다이빙 공기탱크의 내압은 3000psi이다. 각 기체의 부분압은 다음과 같다.     1단계, 1기압에서 기체별 퍼센트 값을 구한다.      N2 = 78.08% = P1(0.7808 / 1.00)N2      O2 = 29.95% = (0.2095 / 1.00)O2      CO2 = 00.03% = (0.0003 / 1.00)CO2

2단계, 3000psi의 절대압 3000psi / 14.7 + 1 = ata 204 + 1 = 205 ata 3단계, 205ata 절대압 중의 분류별 부분압 PPN2 = 0.7808 X 205 = 160.06 PPO2 = 0.2095 X 205 = 43.94 PCO2 = 0.0003 X 205 = .06

다음은 달톤 법칙에 의한 공식과 계산을 구체적으로 분석한다.
P ＝ Pg1 ＋ Pg2 ＋ Pg3 여기서 P는 절대 압력, Pg는 각 기체의 부분 압력이다.

달톤의 법칙을 공식으로 말하면 P = P산소 + P질소이다.

수면 압력에서 이 공식으로 대변하면,

1.0ata = 0.21ata + 0.79ata이 이러한 공식이 성립된다.

그러면 위 공식에 의한 산소의 부분압을 계산해 보자.

공기중 산소 비율 수치 0.21 절대 압력 P
P산소 ÷ P ＝ F산소 (0.21ata ÷ 1.0ata) ＝ 0.21
공기 중 질소 비율 수치 0.79 절대 압력 P
P질소 ÷ P ＝ F질소 (0.79ata ÷ 1.0ata) ＝ 0.79

다섯번째 : H는  헨리의 법칙 (Henry)

온도와 압력에 따른 기체의 용해도를 나타내는 아주 중요한 식입니다.(감압병의 원인)
[일정한 온도에서 일정한 양의 용매에 녹는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다.]

 (녹는 기체의 부피는 압력에 관계없이 일정하다.)

질소는 물보다 지방질에 5배 정도 잘 흡수됩니다.

같은 온도에서 액체에 용해되는 기체의 양은 그기체의 부분압과 균형을 이룬다.

즉 액체에 용해되는 기체의 양은 기압에 비례하여 증감된다
용해되는 기체 a그램의 부피가 v밀리리터라면 같은 압력에서 2a그램의 부피는 2v밀리리터가 된다
압력이 두배로 늘어 난다면 용해되는 질량이 2배로 늘어나 2a그램이 녹겠지만,

그게 아니고 보일의 법칙에 따라 부피는 2v밀리 리터로 줄어들어 녹아 들어가는 부피는 여전히 v밀리리터가 되는 것 입니다.

용해되는 기체의 부피가 같은 이유는 압력을 증가시키면 보일의 법칙에 의해 부피가 감소하기 때문입니다.

물 1kg 에 녹는 수소량(온도 일정)
1기압 1g, 11.2L
2기압 2g, 11.2L
4기압 4g, 11.2L
(보일의 법칙에 의해 부피는 일정 위의 수치는 한 예를 들기 위한 것입니다. 정확한 수치 아님)

O₂, N₂, H₂, CO₂와 같은 무극성 기체에 헨리의 법칙이 적용되고,

HCl, NH₃와 같은 무극성기체에는 적용되지 않습니다.

일상생활의 예는...?
[탄산음료]는 압력을 가해서 물에 이산화탄소를 녹여서 만들고 병을 따게 되면 압력이 낮아져서 이산화탄소가 발생하게 됩니다.


※ 다이빙에서 그게 왜 중요한데...?
규정된 상승 속도로 천천히 상승하면 혈액속의 공기는 허파를 통하여 정상적으로 배출되지만 상승속도가 빠를 경우 혈액속의 공기가 허파에 도달하지 못하고 혈액 속에 기포로 팽창하게 됩니다.

이것이 감압병(밴즈 bends)의 원인이 되는 겁니다.

즉 [잠수병]은 물속에 깊이 들어 갔을 때 높은 압력에서 채액, 혈액에 질소, 산소 기체가 다량 녹아 있다가 갑자기 수면으로 나오게 되면 기체들이 발생하게 되는 것입니다.

물속에 깊이 잠수하는 경우에는 급하게 나오지 않고 천천히 위로 올라 오는 것이 좋겠죠

출처: 미상

[맘모스]

다시보니 어렵네요.
이해는하지만 설명은 어렵고..

[손또치]

아니고 머리야~~^^
또치도 이해가 어럽고 아직 잘 모르겠습니다
그래두 홧팅~~