SUALTI FİZİĞİ

Sualtı Fiziğine Giriş :

Sudan oluşmuş dünyamızın derinliklerinin araştırılmasının verdiği zevk ve heyecanı karşılayabilecek çok az aktivite vardır. 

Güneş sisteminde belki de tüm evrende sahip olduğu sıvı halde su miktarıyla bir eşi daha olmayan gezegenimizin derinlikleri aslında kısa bir geçmişte yapılan çok yoğun çalışmalara rağmen henüz yeterince anlaşılamamış ve daha bilinmeyen pek çok gerçeği saklamaktadır. Dış uzayı keşfeden insan aklı derinliklerin sırlarını çözmek için yeni yöntem ve bilgiler üretmektedir. Ancak daha önce de belirtildiği gibi karada yaşamak üzere programlanmış organizmasıyla insanoğlu, değişik ortamlarda yaşayabilme yeteneğini geliştirme çabasında zamanın önüne geçebilmek için evrimleşmesini beklemeyip yeni çevresinden gelebilecek zararları önleyici izolasyonlarla bu çevrelerde duyularını işler halde tutmayı tercih etmiştir. 

Suyun altına giren insan, kendi alışık olduğu çevresine göre aynı doğal temele dayansa da farklı çalışan fizik ve kimya kurallarıyla baş etmek bunun için de onları çok daha iyi anlamak ve ahenk kurmak zorunda kalmıştır. Sualtının verdiği heyecana uyum sağlamakta zorluk çeken dalgıç, değişen basınç ve solunum alışkanlıkları, farklı yaşam formları nedeniyle girdiği bu fenomenden tecrübesi ve doğal dünya hakkındaki bilgisinin artmasıyla kurtularak, orasını kendinden bir ortammış gibi kabul etmeye başlar. Dayanılmaz güzellikleri ve çekiciliği ile sualtı ortamına karasal vücudumuzla en iyi uyumu sağlayabilmemiz onu yöneten doğal kanunları bilmemiz ve bu kanunların sabitliğine inanmamızla mümkündür. Bu bölümde iç uzayın temelinin anlaşılması için dalışın fiziği ve kimyası tartışılacaktır. Ne yazık ki fizik ve kimya terimleri insanlar üzerinde gereğinden fazla korku yaratmaktadır. Bilim adamlarının kendi aralarında matematiksel ifadeleri ve formülleri bir oyuncak gibi kullanmaları ve bilimsel dille konuşmaları insanların fizik ve kimyadan korkmalarının en büyük nedenidir. Bütün bunların sonucu olarak temelde bunlar çok basit olmasına rağmen basit olabileceklerini görmek zordur. Bu yüzden genellikle bu kurallar bu olguları çok iyi bilenler tarafından pratikte rahatlıkla kullanılabilirler. İlerdeki bölümlerde görülebileceği gibi fizik ve kimya hakkındaki genel fikirler yanlış anlaşılmaktadır. Basit anlamda kimya, maddenin kompozisyonunu, yapısını ve özelliklerini, fizik ise madde ve enerjinin davranışlarını inceler. Biraz mantık biraz matematiksel bilgi biraz kapasite herkesin fiziksel kanunları ve kimyasal yöntemleri anlamasını sağlayabilir ve bu kurallar genel anlamda dünyayı ve özellikle su altını yönetir. 

BU BÖLÜMDE GÖRECEKLERİNİZ

Bu bölümde dalış biliminin temel bilgilerini ortaya koyarsak ilk olarak maddenin durumu. kompozisyonu ve doğası tartışılacaktır. Maddenin en küçük yapı taşı olan atomun içindeki daha ufak parçacıkların birbirlerine olan etkileri incelenecektir. Diğer incelenmesi gereken sorular ise şunlardır;

Atom nelerden oluşmuştur? Yapısı neye benzer? Maddeler nasıl bir araya gelmiştir? Hangi faktörler maddenin katı, sıvı yada gaz olacağına karar verir? Enerji nedir? Bu bölümde ayrıca bilim adamlarının iletişim için kullandıkları dili basitleştirmek için metrik sistemden de kısaca bahsedilecektir.

Sonra, dalgıçların özel ilgi alanları olan suya göz atılacak ve suyun yapısı, kendine has özellikleri açıklanacaktır.

Eğer su polar bir molekül olmasaydı ver yüzünde hayat nasıl varolacaktı, sorusu bu alt bölümler içinde açıklanacaktır. Diğer açıklanmaya çalışılan sorular ise şunlardır:

Sıcaklık ve su arasındaki özel ilişki nedir? Buz niçin batmıyor da yüzüyor? Niçin su bazen mavi bazen yeşil yada diğer renklerde görünüyor? Neden su altında ses 30 kilometreden daha uzak mesafelerden bile duyulabiliyor? Bir maddenin yüzerliliğini yerçekimi nasıl etkiliyor? Gene bu bölümde maddelerin basınçları ve bizi kuşatan doğal hava denizinin üzerimizdeki etkileri incelenecektir. 30 metre derinlikteki bir dalgıca ne kadar basınç etki ettiği ve bu basıncın niçin dalgıcı sıkıştırarak öldürmediği, içinde yaşadığımız atmosferi oluşturan gazların niteliği bu bölüm içerisinde incelenecektir ve şu sorulara cevap bulunacaktır;

Niye hava soluyan her türlü canlının yaşaması okyanuslarda büyük miktarlarda bulunan planktonun elindedir? Niçin helyum solumak bizim garip bir ses çıkarmamıza neden olur? Heliox nedir? Evrende en çok bulunan element hangisidir?  

Bu bölüm içinde gazların davranışlarına göz atılacak, kinetik gaz teorisinin nasıl geliştiği ve bundan genel gaz kanunlarının nasıl oluştuğu ve bunlara bağlı olarak gazların basınç hacim ve sıcaklığının nasıl hesaplanabileceği tartışılacaktır. Klasik gaz kanunlarının dalışa nasıl uygulanacağı pratik örneklerle açıklanacaktır. Tartışmalar esnasında şu sorulara cevap bulunacaktır: Beş santimetre karelik bir kutuda her bir saniyede çarpışan molekül sayısı nedir ve bunun yanı sıra mol ne demektir? Eğer scuba tüpünün ısısı 15 santigrat derece değişirse basınçtaki değişim ne olur? Su üstünde solunması güvenli olan bir gaz karışımı su altında solunduğunda nasıl zehirli hale dönüşür? Gazlar sıvının içine hapsedilse de basınçlarını hala sürdürebilirler mi? Bunların hepsi bu bölümün ilerleyen kısımlarında açıklanacak. cevap bulunmaya çalışılacaktır. Umarız dalış fiziği ve kimyası hakkında tartışılan konular sizin için öğretici, anlaşılabilir ve eğlenceli olur. Aslında bu bölümün sonuna gelindiğinde bu konuların şaşırtıcı derecede basit olduğunu siz de anlayacaksınız.

MADDE

Tüm evren maddeler tarafından oluşturulmuştur. Bu güne kadar bilim adamları 100’ den fazla maddeyi adlandırmışlar ve basit bir sınıflandırmaya sokmuşlardır. Bunların 90’ ı doğal elementlerdir, geri kalanlar ise laboratuarlarda elde edilmiştir. En temel seviyede doğada bulunan ve bulunmayan tüm maddeler periyodik cetveli oluşturur ve bunlar element olarak isimlendirilir. Bu tanımlamaya göre elementler tek tip atomların birleşmesiyle meydana gelir ve elementler kimyasal yöntemlerle atomlardan daha küçük parçalara ayrılamazlar. (Buna rağmen elementler nükleer fizyon ve parçacık hareketi yoluyla daha da küçük parçalara dönüşebilirler.)

Su iki elementin birleşmesinden meydana gelmiştir. 1-Oksijen, ve 2-Hidrojen. Kimyasal yöntemlerle su meydana geldiği iki elementine ayrılabilir fakat kimyasal yöntemler elementleri daha fazla indirgeyemez. Elementler atomlardan oluşur.

Atom, elementin bütün özelliklerini sergileyen en küçük parçasıdır. Atomlar inanılmaz derecede küçüktür. 0 kadar küçüktürler ki eğer atomlar sıra sıra dizilselerdi bir tek sayfanın kalınlığına ulaşmak için milyonlarca atom gerekirdi. Atomlar küçüklük sırasına göre üç parçacık içerir: Bunlar: (-) yüklü elektron, (+) yüklü proton ve yüksüz nötrondur. Nötronlar ve protonlar atomun çekirdeğinde yerleşmiştir. Protonlar çekirdeğin (±) yükünü oluşturur. Çekirdeğin etrafında hareket eden (-) yüklü elektronlar orbital bulut olarak isimlendirilirler. Bu iki zıt yükün birbiri ile etkileşimi atom içinde olur Ek olarak, proton ve elektronların toplam sayısı birbirine eşitse bu atoma noniyonize atom denir ve bu atom elektriksel olarak yüksüzdür. Bu atomlara zaman zaman yerinde duramayan küçük toplar denmesinin nedeni orbital yörüngedeki elektronların çok hızlı hareket etmesindendir.

Elektron bulutunun çapı çekirdeğin çapından 100.000 kere daha büyüktür. Karşılaştıracak olursak eğer hidrojen atomu 4 mil çapında olursa çekirdek ancak bir beysbol topu büyüklüğünde olacaktır. Ayrıca proton ve nötronun ağırlıkları bir elektronun ağırlığından en az 2000 kere daha fazladır, bu nedenle atom ağırlığının %99.9’ unu çekirdek oluşturur. Atomun içindeki parçacıkların toplam kütlesi atomun atomik kütlesi olarak ifade edilir. Genel olarak çekirdek içerisindeki proton sayısı elementlerin ayırt edici özelliğidir. Bu proton sayısı atom numarası olarak adlandırılır. 

p= proton sayısı=atom numarası        p-rn= kütle numarası 

Aynı elementin bazı atomlarının nötron sayıları farklı ama proton sayıları aynı olabilir. Böyle atomlara izotop atom denir. (Ayrıca, İzobar= kütle numaraları eşit proton sayıları farklı. Izoton= nötron sayıları eşit proton ve kütle numaraları farklı elementleri gösterir.) 

Atomlar birbirleri ile birleşerek molekülleri oluşturur. Farklı elementlerden oluşan moleküller birleşerek bileşikleri oluşturur. Molekül, bir element yada bileşiğin doğal özelliklerini gösteren en küçük parçasıdır. Sıklıkla bileşikler oluştuğu elementlerin özelliklerinden tamamen farklı özellikler gösterir. Su, bu düşünce için mükemmel bir örnektir. Suyun her iki komponenti de (oksijen ve hidrojen) doğal ortamlarında son derece reaktiftirler. Fakat birleşip suyu meydana getirdiklerinde tamamen yeni ve stabil bir madde oluştururlar. Bu madde kesinlikle kendini oluşturan elementlerden farklı bir özelliğe sahiptir. Bunu da, oda sıcaklığında oksijen ve hidrojenin gaz, suyun ise sıvı olması kanıtlar.

Atomlar oluşturdukları moleküllerde birbirlerine bir uçtan bir uca bağlarla bağlanırlar. Bu bağlara kimyasal bağlar denir ve bu bağlarla olan biçimlenme kimyasal reaksiyon olarak adlandırılır. Sadece atomik yapıları birbirleriyle uygun atomlar birbirleri ile bağ yapabilirler. Bu uyum ise atomların elektron düzenlenmesine bağlıdır. Elektronlar çekirdeğin çevresinde birbirlerinden bağımsız olarak dolaşırlar ve bunlar orbitleri veya yörüngeleri oluştururlar. Her bir yörünge belli sayıda elektron içerir. Atomun ne kadar reaktif olduğunu son yörüngesindeki elektron sayısı belirler.

Eğer atomun son yörüngesi dolu ise başka atomla birleşemez. Bu atoma stabil atom denir. Örneğin helyum ve neon gibi son derece stabil atomları olan gazlar soy gazları oluştururlar ve bunlar zaman zaman dalışta kullanılır. Diğer atomlar bağ yapmak için çok isteklidir. Fakat sadece bazı belli elementlerle bağ yapabilirler. Bu atomların bağ yapmalarının amacı son yörüngelerini tamamlamak içindir. Bu olay iyonik ve kovalent bağlarla sağlanır. Örneğin kullandığımız sofra tuzu, NaCl’deki bağ iyonik bağdır. Bu örnekte Na atomunun 11 elektronu vardır, son yörüngesinde ise 1 elektronu vardır. Cl atomunda ise son yörüngede 7 elektron vardır. Yani her iki atom son yörüngelerini stabil hale getirmeye çalışır. Bunun için Na son yörüngesindeki elektronu verir ve proton sayıları elektron sayılarından fazla olduğu için (±) yüklenir. Cl ise son yörüngesini S’e tamamlamak için Na’un verdiği elektronu alır ve stabil hale geçer. Yani Cl’un elektron sayısı proton sayısından fazla olur. Bu da Cl’un (-) yüklenmesi demektir. İşte bu şekillenme iyonik bağ ile sağlanır. Bazı atomlar son yörüngelerini tamamlamak için ne elektron alır ne de elektron verir. Bunun yerine gerekli elektronları karşılıklı yararlanacak şekilde paylaşırlar. Bu da kovalent bağ olarak adlandırılır. Bunun en genel örneği sudur. Su, iki yüksek reaktif element olan oksijen ve hidrojenin bileşimi sonucu oluşur ve stabil bir bileşiktir. Oksijen son yörüngesini tamamlamak için yani stabil olmak için iki elektrona ihtiyaç duyar. Hidrojen atomları ise tek elek bir elektrona sahip olduğundan stabil hale geçmek için sadece bir elektrona ihtiyaç duyar. Oksijen tarafından kabul edilen iki hidrojen atomunun elektronları paylaşılarak oksijenle her iki hidrojen atomu da elektron verir. Bunun yerine gerekli elektronları karşılıklı yararlanacak şekilde paylaşırlar. Bu da kovalent bağ olarak adlandırılır. Bunun en genel örneği sudur. Su, iki yüksek reaktif element olan oksijen ve hidrojenin bileşimi sonucu oluşur ve stabil bir bileşiktir. Oksijen son yörüngesini tamamlamak için yani stabil olmak için iki elektrona ihtiyaç duyar. Hidrojen atomları ise tek bir elektrona sahip olduğundan stabil hale geçmek için sadece bir elektrona ihtiyaç duyar. Oksijen tarafından kabul edilen iki hidrojen atomunun elektronları paylaşılarak oksijenle her iki hidrojen atomu arasında bağ kurulur. Bu kimyasal reaksiyon sonucu suyun bilinen sembolü yani H₂0 oluşur. Bu moleküllerin diziliminden dolayı su kendine has özel bir yapıya kavuşur.

MADDENİN HALLERİ

Elementler ve bileşikler 3 halden birinde olabilirler. 1-Katı 2-Sıvı 3-Gaz. Örnek olarak su oda sıcaklığında sıvı halde bulunur. Uygun ortamlarda katı ve gaz hallerinde bulunur. Maddenin içinde bulunduğu hal, o maddeyi oluşturan moleküllerin göreceli olarak yakınlık veya uzaklığına ve göreceli olarak sıkılığına bağlıdır. Tipik olarak molekülü etkileyen en önemli faktör sıcaklıktır. (Basınç da önemlidir ancak çoğu olayda daha az öneme sahiptir.)

Maddedeki moleküller düzenli şekilde sıraya dizilmiş ve yerleşmiş ise bu madde katıdır. Maddeyi ısıtırsak moleküller düzenli yerleşik pozisyonlarını kayarak kaybederler ve sıvı hale dönüşürler. Sonunda eğer sıcaklık daha da yükselirse moleküller daha da fazla parçalanırlar ve tamamen maddenin yüzeyinden ayrılarak gaz haline geçerler. Sıcaklık gerçekte bir maddenin aktivite miktarının ölçüsüdür. Çok fazla aktif bir maddenin aktivitesi azalırsa o madde sırayla ılık ve sonra soğuk bir madde halini alır. Buzu örnek alırsak; su ve su buharının katı hali buzdur ve soğuk bir maddedir. Diğer bir deyişle buz içinde bulunduğu halde oldukça az bir moleküler aktiviteye sahiptir. 

Katılar ve sıvılar sıkıştırılamaz. Bununla beraber gazlar fazlaca sıkıştırılabilen maddelerdir. Normal atmosfer basıncında, oda sıcaklığında herhangi bir zamanda bir kutunun toplam hacminin binde birini molekülün gaz hali doldurur. Bu açıklıyor ki gaz halindeki maddenin sıkışma derecesi çok fazladır. 

ENERJİ

İş yapabilme kapasitesi enerji olarak tanımlanır. Bu yüzden enerji ve iş kavramları yakından ilişkilidir. İş uzaklıkla uygulanan güç arasındaki ilişkidir. İş, yol boyunca uygulanan güçtür.

Enerji, (nükleer reaksiyonlar dışında) yoktan yaratılamaz veya yok edilemez. Fakat 5 temel forma dönüştürülebilir; Isı, ışık, elektrik, kimyasal, mekanik enerji.

Isı enerjisi: 

Önceden söz edildiği gibi maddeleri meydana getiren moleküllerin hareketi sonucu oluşur. Fazla hareket daha fazla ısı enerjisi oluşumuna neden olur.

Işık enerjisi: 

Elektromanyetik radyasyonun bir enerji şeklidir. En iyi örnek güneştir. Güneş bitkilerdeki fotosentez olayı için enerji sağlar. 

Elektrik enerjisi: 

(-) Yüklü elektronlar ile (+) yüklü protonların karşılıklı etkileşimi sonucu meydana gelir. En iyi potansiyel elektrik enerjisi örneği pillerdir.

Kimyasal enerji: Maddelerdeki moleküllerin düzenlenmesine bağlı ortaya çıkan bir enerjidir. En iyi örnek benzindir. Yandığı zaman kimyasal reaksiyon sonucu benzinden enerji salınır. 

Mekanik enerji: Hareket sonucu oluşan enerjidir. Maddelerin durumuna ve pozisyonuna bağlıdır. 

Potansiyel enerji: 

Cisimlerin konumu ya da şekil değişikliğine bağlı olarak sahip oldukları enerjiye denir. Cismin yer değiştirme hareketinden dolayı sahip olduğu enerjiye kinetik enerji denir. Mekanik enerjinin her iki formu da görülebilir.  

ÖLÇÜ BİRİMLERİ :

Fizik standartları bir madde veya enerjiyi diğeriyle karşılaştırma temelleri üzerine oturtulmuştur. Bu standartları anlamak ve kullanabilmek için dalgıcın ölçüm birimlerini bilmesi gerekir.

Metrik ve İngiliz Sistemleri :

Kuvvet, uzunluk ve zaman ölçümünde iki ayrı sistem kullanılmaktadır. İngiliz ve Metrik sistem. Bu gün İngiliz sistemi yalnızca A.B.D.’ nde kullanılmaktadır. Bu sistemin birimleri paund, feet ve saniyedir. Tüm Avrupa uluslarınca kullanılan metrik sistemin birimleri ise metre, kilogram ve saniyedir. 

METRİK SİSTEM

Fizik ve kimya dilinin anlaşılmasının yolu hesaplama ve ölçmede kullanılan yöntemlerin anlaşılmasına bağlıdır. Bu sistem metrik sistem olarak bilinir. Tüm dünyada klasik olarak bu sisteme ölçme sistemi denir. Bilimsel uygulamalarda metrik sistem İngiliz sisteminden daha kolaydır. Bir birimi diğer birime çevirirken hata yapılmaması gerekir. Metrik sistemin anlaşılmasının anahtarı ön eklerinin anlamlarının iyi bilinmesine bağlıdır. Bunlar aşağıdaki gibidir: 

Kilo 1000

Mili= 1/1000

Santim 1/100

Desi 1/10

Uzunluk ölçülerinde ise temel birim metredir.1m= 39.3 7 inch ‘e eşittir. Daha küçük birimler desimetre (1/10m), santimetre (1/100m) ve milimetre (1/1000m) ‘dir. Daha uzun uzunluklar için kilometre birimi kullanılır.              1 km= 1000m ‘dir veya 1.6km =

1 mil’dir. Alan birimleri ise metre kare ile ölçülür. Örneğin 10cm ve 50cm kenarları olan bir dikdörtgenin alanı 500 cm kare veya diğer bir deyişle 0.05 m².  

Hacim ölçümleri ise metre³ yapılır ve 1000cm³ metrik sistemde 1 litreye eşittir. Örneğin boyutları 10cm 20cm 30cm olan bir kutunun hacmi 6000 cm³ veya 6 litredir.  

Maddelerin kütle ölçümü ise gram la gösterilir. 1gr, 1cm³ (cc) saf suyun kütlesine eşittir. 1kg ise 1000gr a eşittir. Bu yüzden 1kg, 1 litre suyun kütlesine (1000cc ye) eşittir. Daha küçük ağırlık ölçüleri ise desigram(1/10 gr), santigram(1/100 gr) ve miligram(1/100 gr) şeklindedir. Diğer bir deyişle:

1 kg ;1 000gr= 1 000. 000 miligram

1 gr= 0,001 kg = 1000 miligram

Dalgıçlar gaz basınçlarını ölçmek için metrik sistemi kullanırlar. Tipik olarak basınç bu terimlerle kg/cm² olarak ifade edilir. Fakat mmHg olarak gösterimleri de kullanılır. Metrik sistemde 760 mmHg 1 atmosferdir ve bu da 1 bar şeklinde ifade edilir.

Sıcaklık ölçümlerinde metrik sistem çoğunlukla Celcius sistemi kullanılır. Celcius sisteminde

Suyun donma noktası 0 olarak kabul edilir, bu değer Fahrenheit sisteminde 32 F’a eşittir.

Suyun kaynama noktası ise Celcius sisteminde 100 C dereceye. Fahrenheit sisteminde ise 212 F’ a eşittir Bir sistemi diğer sisteme çevirmek için aşağıdaki eşitliklerden yararlanılabilir.

C= 5/9 x (F-32)

  F=(9/5xC) + 32

Sıcaklık ifadesinde zaman zaman mutlak sıfır terimi kullanılır. Kelvin, Celcius, Fahrenheit birbirlerine çevrilebilir. Bu çevirin/er bilimsel hesap/ama/arda kullanılır.

   Okunan C derecesini Kelvin ‘e çevirmek için 273 eklenir. Yani 0 C = 273 K dir.     Fahrenheit’ı Renkin’e  çevirmek için okunan F’a 460 eklenir.

  Su altındaki fiziksel olaylar dalgıçları etkiler. Fakat maddelerin su altındaki davranışları öğrenilmeden önce suyun genel özellikleri ve yapısı öğrenilmelidir.

Su aslında çok basit kimyasal bir yapı içerir. Daha önceden de belirtildiği gibi iki hidrojen atomu ile bir oksijen atomunun birleşmesinden oluşur. Oksijen atomu hidrojenlerin elektronlarını ortak kullanma eğilimindedir ve oksijen atomu hidrojenin elektronlarını kendi çekirdeğine doğru çeker. Bu oksijende önemsiz bir (-) yüklenmeye ve hidrojende ise önemsiz bir (±) yüklenmeye neden olur. Bu düzenlenme sonucunda, su polar bir yapıya kavuşur böylece her bir su molekülü diğer su molekülleri ile etkileşir. Bundan dolayı su iki farklı bağ karakteristiğine sahiptir. Atomlar kovalent bağlarla kimyasal olarak bir arada tutulduğu halde moleküller daha uzaktaki moleküllerle daha zayıf bir elektriksel bağ olan hidrojen bağı ile bir arada tutulurlar. Molekülün polaritesi sonucu meydana gelen bu zayıf hidrojen bağları su molekülünün kendine has özelliklerini verir. Örneğin, polarite olmasaydı su molekülleri birbirlerinden ayrılma eğiliminde olurlardı. (Aynen diğer ufak molekül ağırlığına sahip maddelerde olduğu gibi). Eğer bu doğru olsaydı dünya ne kadar farklı olurdu. Şanslıyız ki su eşsiz bir maddedir.