Icon up Overzicht

De Natuurkunde van de Duiksport

Onderwerp: Gas en vloeistof, Geluid, Kracht en beweging, Licht, Optica (licht en lenzen) (havo)

Als je met een duikersuitrusting in diep water duikt, kom je terecht in een wereld waar de omstandigheden heel anders zijn dan op het land. Je krijgt te maken met hoge druk, met opwaartse kracht, met de zuurstofvoorziening en met veranderd zicht en gehoor. Duiken kan gevaarlijk zijn: je moet de juiste opleiding en training gehad hebben en een duik goed plannen. En je krijgt behalve met de wonderbaarlijke onderwaterwereld ook te maken met veel natuurkunde.

In het Engels heet de duiksport SCUBA-diving, waarbij SCUBA staat voor Self-Contained Underwater Breathing Apparatus. Je hebt op je rug een luchtfles die je van lucht voorziet, zodat je langdurig onder water kan blijven. In dit artikel maak je kennis met een aantal natuurkundige verschijnselen die samenhangen met de duiksport.

Bewegen onder water

De dichtheid van het menselijk lichaam is net een beetje groter dan die van zeewater. Een duiker ondervindt daardoor van het water een opwaartse kracht die bijna even groot is als de zwaartekracht. Als de zwaartekracht 800 N is, dan is de opwaartse kracht 790 N en blijft er maar 10 N over. Je hebt onder water een kracht van slechts 10 N nodig om 80 kg op te tillen. Dat betekent dat de duiker gemakkelijk in het water kan “zweven” maar ook dat lopen over de zeebodem nauwelijks mogelijk is. Als je op de bodem staat is de kracht van de bodem op jouw voeten zo klein, dat je je niet effectief kan afzetten. Bovendien is de weerstand die je van het water ondervindt veel groter dan wat je aan luchtwrijving gewend bent. Als je je onder water wilt verplaatsen, kan je dat nog het beste zwemmend doen. Soms nemen duikers extra gewichten mee om in het water snel te kunnen afdalen. Het uitvoeren van werkzaamheden onder water (b.v. het hanteren van een hamer) is vanwege de opwaartse kracht en de grotere wrijving veel moeilijker dan op land.

Druk en ademhaling

Aan de oppervlakte van het water is de druk ca 100 kilopascal (=100 000 N/m2= 1 bar; ik gebruik in dit verhaal toch de inmiddels afgeschafte eenheid bar, omdat dat gemakkelijker praat): de druk van de lucht. Naar beneden toe wordt die druk snel groter. Een vuistregel is dat bij elke 10 meter daling de druk met één bar toeneemt. Dus als je 30 meter diep duikt, is de druk op jouw lichaam ca 4 bar (één bar luchtdruk + drie bar waterdruk). De kracht die het water dan op je lichaam uitoefent is enorm. Op elke vierkante centimeter van je lichaam werkt een kracht van 40 N. Op je hele lichaam een kracht van ca 700 kN. Met die kracht zou je een massa van 70 ton kunnen optillen. Dat je niet platgedrukt wordt, komt omdat je zelf voor het grootste deel uit onsamendrukbaar water bestaat. Je lichaam kan verbazend goed tegen hoge druk, maar er is wel een probleem: je longen, mond- neus- keel- en oorholte moeten dezelfde druk aannemen als het water. Je moet dus op 30 m diepte lucht inademen met een druk van 4 bar. Dat is door middel van een drukregelaar wel goed te doen, maar als je lucht onder hoge druk inademt, zullen gassen - met name stikstof – in je bloed oplossen. Als de druk weer daalt, doordat je naar boven zwemt, komt het opgeloste gas weer vrij in de vorm van gasbelletjes die steeds groter worden naarmate de druk verder daalt. Die belletjes in het bloed kunnen zeer gevaarlijk zijn. Ze verstoppen nauwe bloedvaten. Als dat in de hartspier of in de hersenen gebeurt, kan dat dodelijk zijn. Een gevaar bij de duiksport is de decompressieziekte of caissonziekte: het ontstaan van gasbelletje in het bloed doordat de druk daalt. Als je langdurig diep onder water bent geweest moet het stijgen naar de oppervlakte zeer geleidelijk en planmatig plaatsvinden, zodat opgeloste stikstof gelegenheid krijgt om via de longen je lichaam te verlaten. Soms vervangt men stikstof door helium. Je ademt dan een mengsel van helium en zuurstof in. Het voordeel is dat helium veel minder gemakkelijk oplost in je bloed en dus minder gauw decompressieziekte geeft. Er zijn echter drie nadelen: helium is veel duurder dan lucht, helium geleidt warmte beter, zodat je onder water meer warmte verliest dan bij lucht, en de geluidssnelheid in helium is veel hoger, waardoor je met een raar hoog stemmetje gaat spreken.

Compressor waarmee lucht in een duikfles wordt samengeperst. De druk in de duikfles kan 200 bar of meer worden.

Zien onder water

Bij jouw oog draagt de breking van licht als het van lucht naar je hoornvlies gaat veel bij tot de lenswerking van je oog. In water is de brekingsindex van het water maar een klein beetje minder dan die van het hoornvlies en valt die bijdrage dus praktisch geheel weg. Onder water is je ooglens ca 20 dioptrie te zwak en je bent daar dus zwaar verziend. Je zou dit kunnen verhelpen door contactlenzen van +20 dioptrieën te dragen: maar daarmee ben je boven water weer zwaar bijziend. Een eenvoudige oplossing is dat je een duikbril draagt. Je zorgt voor een laag lucht tussen het water en je oog en je ziet weer scherp.

Beeldvorming in het oog in lucht. Merk op dat de sterkste richtingsverandering van het licht bij het hoornvlies plaatsvindt. Als het oog onder water is, is die breking minder en is de ooglens veel te zwak.

Bij een duikbril kan je onder water weer scherp zien, maar het voorwerp lijkt dichterbij, vanwege de breking van het water via glas naar lucht

Maar dan zorgt de breking van water via glas naar lucht voor een vertekening van het beeld: voorwerpen lijken dan dichterbij en ca 30% groter dan in werkelijkheid. Dat kan voor sportvissers onder water teleurstellend zijn. Hun vangst blijkt na afloop een stuk kleiner te zijn dan ze gedacht hadden.

Met een duikbril kan je onder water wel scherp zien, maar het beeld is vertekend tengevolge van de breking van water naar lucht. Voor het oog lijkt punt P in P' te liggen. Voorwerpen lijken dichterbij en groter.

Op grotere afstand lijken voorwerpen echter verder weg dan in werkelijkheid omdat water veel minder helder is dan lucht. Je schatting van afstanden wordt letterlijk vertroebeld door het zeewater. In matig troebel water worden afstanden van meer dan zeven meter overschat en minder dan zeven meter onderschat. Een haai die ver weg lijkt te zijn, kan dichter bij je zijn dan wenselijk is. Dieren zoals pinguïns die zowel boven water als onder water scherp moeten kunnen zien hebben geen duikbril maar anders gebouwde ogen. Bij veel van die dieren is het hoornvlies vrijwel plat en vindt breking van licht geheel in de ooglens plaats. De lens werkt dan even goed onder als boven water. Er is ook een vissoort in tropische rivieren (de Anableps) die onder en boven water kan kijken. Bij die vissen zitten de ogen boven op de kop en zijn de ogen dubbel uitgevoerd: een met sterke lens voor onder water en een met zwakke lens voor boven water.

De Anableps (vierogenvis) heeft dubbel uitgevoerde ogen. Hij kan daarmee zowel onder water als boven water scherp zien.

Kleuren onder water

Ook kleuren worden door zeewater vervormd. Dit gebeurt door absorptie en verstrooiing van licht.

Absorptie

Zelfs in het helderste zeewater wordt veel meer licht geabsorbeerd dan in lucht. Die absorptie (waarbij lichtenergie omgezet wordt in warmte) is voor rood veel sterker dan voor blauw en violet licht. Blauw licht wordt onder water veel beter doorgelaten dan rood licht. Daardoor ziet onder water alles er blauw/groen uit.

Absorptie van lucht in zuiver water. Het blijkt dat de absorptie van het rode licht ruim 100 keer zo sterk is als het blauwe licht. Diep onder water blijft er van het witte zonlicht alleen het violette en het blauwe licht over.

Rode voorwerpen zijn diep onder water praktisch zwart. Dat is gemakkelijk te verklaren: in lucht is een rode duikershelm rood omdat het van het witte licht dat erop valt vooral rood licht terugkaatst en de andere kleuren bijna helemaal absorbeert. Diep onder water ontbreekt de kleur rood in het licht en de andere kleuren worden geabsorbeerd. Er kaatst vrijwel niets terug, dus de rode helm is zwart.

Bloed lijkt onder water groen. In lucht kaatst bloed vooral de kleur rood terug en is er een zwakkere piek in de terugkaatsing van groen licht. In lucht is het bloed dus bloedrood. Onder water valt de rode piek weg en overheerst de terugkaatsing van groen licht.

Verstrooiing. Bij verstrooiing van licht worden fotonen (“lichtdeeltjes”) door atomen (waterstof, zuurstof) eerst geabsorbeerd en vervolgens in willekeurige richting weer uitgezonden. Het licht wordt in alle richtingen verstrooid. Net als in onze atmosfeer gebeurt dit in water vooral met blauw licht. Daarom is onze hemel blauw en lijkt het zuivere water een blauwe kleur te hebben. Behalve door watermoleculen kan licht ook door in water grotere deeltjes (kleideeltjes, plankton of algen) verstrooid worden. Die verstrooiing kan water een hele andere kleur geven. In troebel water is de kleur eerder bruin dan blauw.

Oefenen in het zwembad. Op geringe diepte komen kleuren nog redelijk tot hun recht. Door verstrooiing van blauw licht lijkt het water blauw.

Geluid en gehoor

Geluid gaat in water bijna vijf keer zo snel als in lucht. Dat heeft tot gevolg dat je je met je oren in water slecht kan oriënteren. Als geluid je ene oor 0,000 03 seconde eerder dan je andere oor bereikt kunnen je hersenen dat verschil nog registreren en verwerken. Dat stelt je in staat om in lucht met een foutenmarge van 3o de richting van de geluidsbron te bepalen. In water wordt door de grotere geluidsnelheid die foutenmarge groter in plaats van 3o wordt het theoretisch 13o. In principe kan geluid het slakkenhuis - waarin de zintuigcellen zitten - op twee manieren bereiken: via luchtgeleiding (de gehoorgang, trommelvlies en gehoorbeentjes etc.) en via botgeleiding: trillingen worden opgevangen door de botten van de schedel en zo aan het slakkenhuis doorgegeven. Onder water is de geleiding via het trommelvlies slecht en vindt geluidswaarneming voor een groot deel plaats via botgeleiding. Maar daardoor is ook het vermogen om de richting van geluid te bepalen voor een groot deel weg. Dit heeft tot gevolg dat de foutenmarge kan oplopen tot 180o.

Onder water werkt je oor niet zo goed als boven water. Uit onderzoek blijkt dat je gehoordrempel al gauw zo’n 40 decibel hoger ligt. Bij de hogere tonen is het gehoorverlies onder water nog erger. Lage tonen horen we redelijk, hoge tonen slecht. Geluiden klinken onder water daardoor doffer dan we op land gewend zijn. Als geluid van water naar lucht gaat, of omgekeerd, wordt het grootste deel van het geluid teruggekaatst op het wateroppervlak. Dit heeft tot gevolg dat geluid van boven water onder water bijna niet hoorbaar is, en omgekeerd.