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[이론강좌 19] 다이빙물리의 기본개념
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육지에 거주하며, 공기를 호흡하는 인간은 삶의 과정, 실행 , 행동, 감각들이 대기압하에서 이루어지도록 진화되어왔다.
이제 우리는 숨을 쉴 수 없는 공간인 수중으로 여행을 떠나야 하기 때문에 환경에 대한 새로운 이해가 필요하다.
수중세계와 관련된 몇 가지 중요한 물리적 원리들은 다이버인 우리들에게도 매우 중요하다. 따라서 우리는 이런 원리들을 이해함으로써 우리에게 닥칠 수 있는 위험을 최소화함으로써 다이빙의 즐거움을 증대시켜야 한다. 이 장에서는 이런 원리들을 정의하고 문제의 풀이방법들을 제안함으로써 수중활동을 지배하는 이런 원리들을 보다 나은 응용을 돕도록 한다.
다이버에게 영향을 끼치는 물리적 원리의 이해를 돕는 과학적 용어의 사용에 앞서 용어의 정의는 필수적이다. 전통적으로 물리학의 세계는 상호연관 있는 여러개의 학문분야로 나뉘어져 있다.
물리학(Physics)이란 물리적인 세계를 공부하는 학문이다. 화학(Chemistry)이란 셰계를 구성하는 화학적물질을 연구하는 학문이다. 이런 학문영역들은 약간의 차이점은 있지만 일반적인 철학, 용어, 방법론들을 공유한다. 따라서 이런 용어, 방법론을 이해했다면 이를 바탕으로 한 원리들을 적용할 수 있다.
물체(matter)란 측정가능한 부피와 질량을 갖는 모든 것으로 고체, 액체, 기체의 세가지 상태로 존재한다. 고체(Solids)는 형체가 고정 되어있고, 유체(Liquids)는 흐름, 기체(gasas)는 확산되며 담긴 용기의 종류에 따라 형태가 변하게 된다. 물의 예를 들어 보면 얼음은 고체. 물은 액체,수증기는 기체가 된다.
물체의 물리적 상태(고체, 액체, 기체)는 주위의 압력과 온도에 따라 달라진다. 물체가 하나의 상태에서 다른 상태로 바뀌는 것을 예를 들어 얼음이 녹는 것, 변화(change of state)라고 정의한다.
인정된 과학적 이론에 따르면 물질은 원자(atoms)로 구성되어 있으면 이것은 물질이 특성을 잃지않고 쪼개질 수 있는 가장 작은 부분을 말한다.(그림3.1)예를 들어 만약 우리가 순수한 쇠조각을 가지고 철의 특성을 잃지 않는 범위내에서 더 이상 자를 수 없을 때까지 자른다고 할 때 철의 틀성을 가지고 있는 가장 작은 부분은 원자(atoms)라고 부른다.(그리스 어의 “더 이상 자를 수 없는 것”에서 유래됐다.)
물질은 원소(elements)라고 부르는 한종류의 원자로만 구성되어있고 자연은 이 원소들을 건축용 벽돌처럼 사용하며 이들의 결합이 우리가 관찰할 수 있는 우주를 형성한다. 원소의 종류는 약100여 가지이며 각각 다른 상대적특성을 보인다. 각 원소들은 고유한 원소기호와 원자번호, 원자량을 가진다. 화학자들은 이런 원소들을 주기율표라 부르는 도표에 배열시켜놓고 이를 이용해 각 원소의 반응을 이해하는데 사용한다.
기체법칙의 계산에 관심이 있는 다이버는 필요한 분자량을 이 표를 이용해 계산함으로써 얻을 수 있다. 이런 분자량은 기체의 밀도를 판단하는데 사용되면 혼합기체를 사용하기 위한 보다 복잡한 공식에도 적용된다.
보통 레크레이션 다이버가 사용하는 기체는 압축된 공기(compressed air)로 다양한 기체들의 혼합으로 되어있다. 테크니컬다이빙, 군사용, 화학용 다이빙에서는 특별한 혼합기체를 제조하여 사용하기도 한다. 공기는 주로 질소와 산소를 포함한 혼합기체이다.
또한 여기에는 수증기와 미량의 불활성 기체(아르곤, 네온 등등), 이산화탄소와 오염, 엔진연소들에 의해 생긴 탄화수소가 포함되어있다. 일반적인 공기의 구성은 그림과 같다. 대부분의 다이빙시 공기에는 78%의 질소와 21%의 산소 및 1%의 다른기체가 포함된 것으로 간주한다.
질소(nitrogen)는 색깔, 및, 냄새가 없으며 지구대기의 주요구성물이다. 신체는 생리학적으로 질소를 사용하지 않지만 압력하에서 질소호홉시에는 몇 가지의 잠재적인 문제들이 발생된다. 여기에는 질소마취와 감압병이 포함되는데 이것은 생리학과 감압에서 자세히 다룬다.
질소와 산소의 혼합물을 나이트록스(Nitrox) 또는 산소가 풍부한 공기(oxygen enriched air)로 불리는데 이 경우 성분구성은 일반적인 압축 공기에서 나타나는 질소와 산소의 혼합비율과는 다르다. 레크리에이션 다이버가 혼합기체를 사용하기 위해서는 이론, 장비 취급 및 이러한 기체의 사용법에 대해 특별한 교육을 받아야한다.
산소(oxygen)는 지구상에서 가장 풍부한 기체중 하나로 대부분의 기체와 마찬가지로 색깔, 냄새, 맛이 없다 산소 그 자체는 연소성이 없지만 다른 물질과 반응이 용이한 경우 화재로 이어질 수 있고 만약 부적절하게 다루면 폭발을 일으킬 수 있다.
산소는 생명유지에 필수적이며 신체는 산호를 기본으로 다른 원소와 결합해 열이나 에너지를 얻는데 이 과정을 신진대사(metabolism)라 한다. 호흡기체 속의 산소는 그 적정선이 유지되어야 하며 만약 그 양이 과다하거나 부족할 경우 인체에 치명적인 상해를 유발할 수 있다. 이것은 생리학에서 자세히 다루도록 한다.
이산화탄소(carbon dioxide)는 공기중에 소량이 들어있을 땐 색깔, 냄새, 맛이 없다. 그러나 높은 농도로 농축되면 신맛과 냄새가 난다. 또 화학적으로는 활동성 기체이며 청량음료의 거품등의 형태로 나타나기도 하고 화재 진압시 사용되는 소화기의 내용물로도 사용된다.
이산화탄소는 자연 상태에서 인간의 호흡에 의한 부산물로 만들어지며 이것이 체내에 쌓이게 외면 뇌에서 호흡충동을 일으켜 호흡을 하게 된다. 이산화탄소의 양이 너무 많아지면 다이버에게 위험을 유발할 수 있다. 이것은 생리학에서 자세히 다루게 된다.
일산화탄소(carbon monoxide)는 색깔, 냄새, 맛이 없는 독성기체이다. 이것은 내연기관에서 탄화수소의 불완전연소에 의해 만들어진다. 이 기체는 화학적으로 높은 활성을 가지고 있어 헤모글로빈과 쉽게 결합해 산소의 운반을 방해하므로 다이버에게 매우 위험하다. 자세한 것은 생리학에서 다룬다.
우리의 주변 환경에 대한 설명은 다음 다섯가지 개념의 혼합을 통해 이뤄진다.
단위계는 주변환경의 정량화를 가능하게 해주며 그 이해를 돕는다. 단위계는 크게 피트법(English)과 미터법(metric)으로 나눌 수 있다. 피트법은 신체 해부학에 기초를 둔 일련의 단위로 구성되어 있고 미터법은 단위들의 전환을 용이하게 하기 위해 만들어 졌다.
미터법은 기본적으로 10진법을 기준으로 하기 때문에 단위들 사이의 전환이 간단하다. 피트법은 현재 미국에서 많이 사용되고 있으며 미터법은 전세계적으로 사용된다.
피트법에서 기본적인 길이의 단위는 피트(foot)이고 미터법에서는 미터(meter)를 사용한다. 길이의 단위에는 다음과 같은 것들이 있다.
피트법 12인치(inches)=1피트(foot) 36인치=1야드(yard) 3피트=1야드 6피트=1길(fathom) 5280피트=1마일(statute mile) 6076피트=1해일(nautical mile)
미터법 1밀리미터(mm)=0.001미터(m) 1센티미터(cm)=0.01미터 1데시미터(dm))=0.1미터 1킬로미터(km)=1000미터
변환 1인치=2.54센티미터 39.37인치=1미터 3.28피트=1미터
피트법 16온스(oz)=1 파운드(pound) 14파운드=1스톤(stone)
미터법 1킬로그램(kg)=1000그램(g)
변환 1킬로그램=2.2파운드 453.5924그램=1파운드 다이빙에서는 454그램을 1파운드로 사용한다.
부피는 용량을 표시하며 길이의 세제곱에 의해 측정한다. 다시 말하면 길이 x 폭 x높이가 된다. 부피의 단위는 다음과 같다.
피트법 2핀트(pints)=1쿼터(quart) 4쿼터=1갤론(gallin) 1갤론=0.314ft³
미터법 1큐빅 센티미터=1밀리리터 1000밀리리터=1리터
변환 1ft³=28.316리터 1리터=1.06쿼터 1리터=0.0353ft³ (즉:cc는 큐빅 센티미터로 cm으로 표시되면 ft³는 큐빅피트이다.)
NAUI Course Director NAUI Nitrox diving Instructor ASHI CPR Instructor 김승규
팀 드레이크/team DRAKE
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기본적인 정의(BASIC DEFINITIONS)
다이빙과 기체(GASES IN DIVING)
단위계(MEASUREMENT SYSTEMS)
