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Beim Tauchen gibt es noch einen physikalischen Effekt, den wir beachten müssen: Den Auftrieb. Auftrieb ist die Kraft, die nach oben auf einen in ein Fluid (Gas oder Flüssigkeit) eingetauchten Körper wirkt. Sie ist nach dem Archimedischem Prinzip
FA = g ρ V
Dabei ist V das Volumen des Körpers, ρ die Dichte des Fluids und g der Ortsfaktor, d. h. der lokale Betrag der Fallbeschleunigung, ungefähr 9,8 m/s2. Interessant sind dabei eigentlich zwei Dinge:
Dass ein Körper in Luft Auftrieb hat, wird deutlich, wenn ein Gas- oder Heißluftballon aufsteigt. Dass das auch für uns selbst gilt, macht man sich selten klar. Nehmen wir mal einen Menschen von 100 kg (ich weiß, für Autoinsassen und Aufzüge wird weniger berechnet) und nehmen für diesen ein Volumen von 100 l an. Dann hat dieser Mensch in Luft immerhin einen Auftrieb von etwa 129 g, in Wasser einen von 100 kg (wieder etwas weniger in Süßwasser und etwas mehr in Salzwasser).
Die Form erscheint auch nicht so eindeutig. Es ist aber so. Ausnahme ist natürlich ein Eimer, der mit der Öffnung nach unten eingetaucht wird. Genau genommen stimmt es aber auch da: Der Auftrieb entspricht dann dem Volumen des Eimers plus dem Volumen der Luft. Letzteres wird beim Abtauchen natürlich geringer, so dass der unten offene Eimer immer weniger Auftrieb hat.
Genau so funktioniert das beispielsweise auch mit dem Taucheranzug. Der ist zwar nicht offen, hat aber luftgefüllte Poren und wird dadurch unter Druck komprimiert.
Was ist nun das Problem mit dem Auftrieb? Wer einen Schwimmpass hat, ist auf jeden Fall schon mal ohne Gerät getaucht, das geht doch auch. Und dazu kommt noch diese schwere Flasche, eine 10 l Stahlflasche kommt mit Atemregler beispielsweise auf rund 14 kg, eine 15er auf 20 kg. Und auch der Anzug ist nicht gerade leicht. Dennoch hat das alles Auftrieb - eine Flasche mit 10 l Nutzvolumen aufgrund der Wandstärke schon deutlich mehr als 10 kg, auch die Schläuche, die zweite Stufe, vor allem aber der Anzug bringen Auftrieb.
Tatsache ist, dass ein Taucher jedenfalls mit der bei uns üblichen Ausrüstung wie ein Luftballon an die Oberfläche schießen würde. Der Auftrieb muss also ausgeglichen werden.
Die einfachste Möglichkeit, Auftrieb auszugleichen, sind Bleigewichte. Blei hat eine recht hohe Dichte, also viel Masse bei geringem Volumen und ist relativ preisgünstig. Weder Wolfram, Quecksilber, Uran (oder Transurane) noch Gold wären aus verschiedenen Gründen praktikable Alternativen. Eisen ist etwa ein Drittel leichter und rostet leicht, Blei bildet hingegen eine Passivschicht aus.
Nachteil von Blei ist die Giftigkeit. Allerdings bleiben Bleigewichte normalerweise nicht im Gewässer und auch der Abrieb ist bei vernünftiger Nutzung nicht groß, so dass es nach derzeitigem Stand keinen Bericht über Bleivergiftung beim Tauchen gibt. Zur Sicherheit gibt es auch Blei mit Lackierung oder Kunststoffbeschichtung sowie in Taschen verpacktes Bleigranulat (Softblei), das zudem auch bequemer zu tragen ist. Die Menge verlorenen bzw. im Notfall abgeworfenen Bleis sollte für die Umwelt akzeptabel sein, auch wenn in manchen Gewässern einiges an Blei liegen dürfte.
Klassisch wird Blei in Stückform mit zwei Langlöchern genutzt und auf einen Bleigurt gefädelt. Dieser ist so angelegt, dass er im Notfall mit einer Hand geöffnet werden kann, z. B. wenn man einen verletzten Taucher schnell aus dem Wasser heben muss oder aus irgendeinem Grund das Tarierjacket nicht mehr funktioniert. Sehr verbreitet sind heute aber auch Jackets mit integrierten Bleitaschen, die ebenfalls mit einem Schnellabwurf ausgestattet sind.
Die Anpassung des Gewichts nennt man Tarierung. Ein Taucher sollte so tariert sein, dass er mit fast leerer Flasche ganz ausatmen muss, um abzutauchen. Unter Wasser wird die Tarierung dann mit dem Jacket so angepasst, dass der Taucher schwebt. In der Praxis passt man das Blei meist mit voller Flasche an und addiert das Gewicht des Flascheninhalts (2000 l Luft entsprechen etwa 2 kg).
Der eigentliche Auftrieb durch das verdrängte Volumen des umgebenden Fluids ist immer positiv, wirkt also nach oben. Leider wird die aus Gewichtskraft und Auftrieb resultierende Kraft zumeist ebenfalls als Auftrieb bezeichnet. Die Resultierende soll natürlich möglichst gegen Null gehen, damit der Taucher schwebt. Ein "schwereloser" Taucher ist mobiler, wühlt den Grund nicht auf und verletzt keine Bodenbewohner. Diesen Zustand nennt man neutraler Auftrieb, obwohl das an sich nicht korrekt ist - der eigentliche Auftrieb ist eben immer positiv.
Sinkt der Taucher zu Boden, spricht man entsprechend von negativem Auftrieb, die Resultierende zeigt zum Grund. Physikalisch gesehen zeigt der Betrag des Vektors der resultierenden Kraft nämlich gegen die Richtung des Einheitsvektors des Auftriebs (nach oben), jedenfalls wenn man letzteren sinnvoll definiert.
Folglich liest man auch oft, dass ein Taucher an der Oberfläche positiven Auftrieb hat. Selbst wenn man den Auftrieb falsch definiert, ist der Wert aber an der Oberfläche neutral, d. h. die Resultierende entspricht dem Nullvektor. Wäre das nicht so, würde der Taucher in die Luft aufsteigen. Das tun Schiffe oder Eisberge schließlich auch nicht, sie tauchen so weit ein, dass ihr Auftrieb (und zwar der echte) exakt der eigenen Gewichtskraft entspricht, die resultierende Kraft also verschwindet. Wenn man ganz genau sein will, ist das aufgrund der Bewegungen von Schiff und Wasser bzw. der Massenträgheit ein dynamischer Prozess, das Schiff taucht mal tiefer ein und mal weiter aus.
Die Verhältnisse zwischen Auftrieb und Eigengewicht sind zunächst fast beliebig und hängen ausschließlich von der Dichte des Körpers ab. Die Resultierende kann nach oben naturgemäß nicht größer als die Gewichtskraft des verdrängten Wassers sein (Grenzfall: Körper mit Dichte 0) und nach unten nicht größer als die Gewichtskraft des Körpers (Grenzfall: Körper mit Volumen 0, also unendlicher Dichte. OK, die hat nicht mal ein schwarzes Loch ...)
Beim Tauchen hängt das Maximum der negativen Resultierenden aufgrund der Kompression vor allem des Anzugs von der Tiefe ab. Hat man nicht ungewöhnlich viel Blei dabei, bleibt es bei einigen Kilogramm (bzw. einigen 10 Newton). Unter ungünstigen Umständen, wie beispielsweise mit einem gefluteten Trockentauchanzug, können es auch über 10 kg (100 N) sein. Hinsichtlich des Auftriebs ist neben den Gewichten zunächst das Volumen des Tarierjackets entscheidend. Da alle Jackets ein Überdruckventil haben, ist dieses Volumen begrenzt. Je nach Größe kommt ein Tarierjacket auf bis zu mehr als 200 N (resultierende Kraft aus Auftrieb und eigener Gewichtskraft), was dann näherungsweise auch das Maximum der positiven Resultierenden ist. Diese kann natürlich auch weiter ansteigen, wenn der Taucher unter Wasser sein Blei abwirft. Letztlich heißt das auch, dass ein schwebender Taucher keine sehr großen Gewichte heben kann, nämlich auch in geringen Tiefen nur Körper mit einer negativen Resultierenden von etwa 200 N. Für mehr müssen technische Hilfsmittel wie separate Auftriebskörper her, oder der Taucher muss mit seiner Last den Grund entlang gehen.
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