Atemwiderstand, Atemleistung und die Belastung
des Tauchers Dr. R. GROSSMANN, Ing. J.
ZIMMERMANN (aus
POSEIDON 7/1977)
Die Atmung unter Wasser stellt für den Taucher eine Belastung dar. Sie ist,
abhängig von Gerätetyp, Tiefe und Atemgas in der Regel immer höher als bei normaler
Atmung über Wasser. Welche Bedeutung der Atmungsbehinderung beigemessen werden muß,
haben wir in poseidon" 10/11 1976 Lungenautomaten Anforderungen
und Leistungen" dargestellt. Leers (1) spricht bei Atemschutzgeräten davon, daß
die Behinderung der Atmung besonders von ungeübten und mit dem Atmen gegen
Widerstände wenig vertrauten Personen manchmal als so stark empfunden wird, daß sie
glauben, nicht mehr genügend Luft zu bekommen. Dieses Gefühl kann bereits bei
Widerständen auftreten, die so gering sind, daß objektive Wirkungen auf den Organismus
des Geräteträgers kaum nachweisbar sind." Taucher sind üblicherweise durch
umfassendes Training an diese Besonderheit der Geräte gewöhnt, allerdings wachsen die
Atemwiderstände mit größerer Tauchtiefe stark an.
Wie hoch ist die Belastung des Tauchers nun wirklich?
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Bei der Einschätzung der Leistung von Lungenautomaten der
Tauchergeräte wurde neben dem maximalen Luftdurchsatz hauptsächlich der
Atemwiderstand" berücksichtigt. Unter Atemwiderstand" verstanden
wir (analog zur Elektrotechnik) einen Druckabfall im Atemgasstrom(1/2), also den durch den
Taucher zu erzeugenden Unter- bzw. Überdruck, um aus dem Tauchgerät eine entsprechende
Luftmenge abzusaugen bzw. auszuatmen. Unberücksichtigt blieben dabei die dem Organismus
eigenen Widerstände und die damit für den Gaswechsel ohne Gerät aufzubringende
Leistung. |
Für die Ermittlung des Atemwiderstandes der Geräte fanden im
wesentlichen zwei Verfahren Anwendung:
a) Messung bei konstantem Luftstrom, für dessen Größe unterschiedliche Werte angegeben
werden. Diese Messung läßt keinen direkten Zusammenhang mit den Verhältnissen bei der
Atmung durch den Taucher erkennen.
b) Messung bei Beatmung des Gerätes an einer künstlichen Lunge. Die Größe des
Luftstromes folgt dabei annähernd dem Verlauf einer Sinuskurve. Man nimmt in Kauf, daß
der Atemluftstrom des Menschen besonders unter Belastung zwar wesentlich von diesem
Verlauf abweicht, allerdings wird nach Cooper (zitiert in 1) bei gleichem Atemzeitvolumen
die gleiche Atemleistung bei Versuchspersonen und Sinuslunge aufgewandt.
Diese Beatmung wurde bei einem Atemminutenvolumen (AMV) von x/v = 30l/min durchgeführt.
Der Momentwert des Luftstromes folgt der Gleichung
v = pi * vmax*sind 2pi*ft
(f Atemfrequenz in 1/min, t Zeit in min)
Als Maximum ergibt sich vmax = 94,5 l/min für ein AMV von
x/v = 30 l/min (3).
Bei der Beatmung eines Lungenautomaten in dieser Art läßt sich
der Zusammenhang von Luftstrom und Druckabfall (Atemwiderstand) in allen Phasen ermitteln.
Bild 2 zeigt den Verlauf von Ein- und Ausatemwiderständen verschiedener Lungenautomaten.
Es wird deutlich, daß die Kurven für Ein- und Ausatmung nicht symmetrisch sind. Hieraus
läßt sich, getrennt für Ein- und Ausatmung, der maximale Atemwiderstand unter
Verwendung des entsprechenden Maßstabes einfach ablesen. Diese Werte wurden bei den
Vergleichen von Automaten in poseidon" 11/67 zugrundegelegt.
Diese AW-Spitzenwerte lassen zwar eine recht gute Leistungseinschätzung der LA zu, eine
wesentlich umfassendere Charakterisierung ist aber durch die Ermittlung der zur Atmung
aufzuwendenden Leistung möglich.
Die Berechnung der Atemleistung, die für die Einatmung über einen äußeren Widerstand,
z. B. Lungenautomat, erforderlich ist, kann nach
erfolgen.
NZE ist die für die Einatmung notwendige Leistung, um den
äußeren Widerstand (des Gerätes) zu überwinden. Nicht erfaßt wird hiermit die
Leistung, die für den Luftwechsel durch die Atemwege des Tauchers notwendig wird. Die
Ermittlung der zusätzlichen Ausatemleistung NZA erfolgt
analog.
Die Messung der zusätzlichen Atemleistung kann auch technisch durch synchrone Aufnahme
von p und v und z. B. elektrische Multiplikation der Werte in einem Stiftgalvanometer für
Leistungsmessung erfolgen. |
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Zur Untersuchung der Aussagefähigkeit dieses Kriteriums wurden
aus den für mehrere LA in 0 bis 40 m Tiefe aufgenommenen AW-Meßkurven bei Beatmung mit
94 l/min die zusätzlichen Einatmungsleistungen NzE ermittelt (Bild 3).
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Diese Werte sind aussagekräftiger als der Vergleich von
AW-Spitzenwerten unter gleichen Bedingungen (poseidon" 11/76 S. 517/518 Bild 5,
Tab. 2).
Betrachtet man den Haupteinsatz-Tiefenbereich von 10 bis 30 m, so stellt man fest, daß
die AW-Spitzenwerte des Hydromat-2 etwa das Sechsfache derjenigen des Zyklon 300 betragen,
während die aufzubringende zusätzliche Atemleistung beim Hydromat-2 etwa das 20fache
gegenüber dem Zyklon 300 beträgt. Ein Vergleich der Leistungswerte bei 40 m Tiefe läßt
das Aussetzen des Venturi- Effektes beim Zyklon 300 und damit ein schnelles Ansteigen der
Atemleistung erkennen. Dabei muß festgestellt werden, daß eine zusätzliche Atemleistung
von etwa 5 Watt auch über einen längeren Zeitraum erbracht werden kann, rund 12 Watt
(Hydromat-2) aber nur einige Minuten.
Die Werte der zusätzlichen Atemleistung beim Hydromat 66 können nur in Tiefen bis 15 m
befriedigen. Im Tiefenbereich von 20 bis 30 m konnte nur ein maximales AMV von 60 l/min
erreicht werden, wobei die Atemleistung bis 18,6 Watt anstieg und dem zufolge bei einem
AMV von 94 l/min noch weit höher liegen müßte. |
Daraus muß die Schlußfolgerung gezogen werden, daß der
Hydromat 66 ab 20 m Tiefe für schwere UW-Arbeit ungeeignet ist. In Not oder
Havariefällen entsteht ein Gefährdungsmoment, da Atemleistungen von 20 Watt selbst von
trainierten Tauchern nur wenige Sekunden lang aufgebracht werden können.
Dies zeigt, daß die Ermittlung der zusätzlichen Atemleistung ein wertvolles Hilfsmittel
zur Einschätzung der Leistungsfähigkeit von LA darstellt und gleichzeitig ein objektives
Maß für die zusätzlich durch das Atemgerät verursachte Belastung des Tauchers ist.
Die Bedeutung dieses Kennwertes zeigt ein Vergleich zu der Leistung, die vom menschlichen
Organismus unter Normalbedingungen für die Atmung aufgewandt wird (nach 1):
Mit wachsendem Atemminutenvolumen steigt die erforderliche Leistung stark an, die Werte
liegen dennoch weit unter den für Nz erforderlichen.
Interessant wäre ein Vergleich der erforderlichen Ventilationsleistung für den
Organismus des Tauchers in verschiedenen Tiefen mit den für die Atemgeräte zusätzlichen
Leistungen Nz.
Der Quotient Nz zu Nvent Tiefe ist die relative
zusätzliche Atemleistung, die bei der Benutzung eines Tauchergerätes erbracht werden
muß. Er spiegelt die Erschwernis (EGerät) durch das
Gerät wider.
Diese Erschwernis (Gerät) ist tiefen- und belastungsabhängig. Für
Zweischlauchautomaten läßt sich auf Grund theoretischer Überlegungen erwarten, daß Nz
und Nvent in annähernd gleichen Größenordnungen wachsen, so daß sich
für EGerät ein etwa konstanter Wert ergibt, der ein
Gerät eindeutig charakterisiert.
Anders liegen die Verhältnisse bei LA mit Injektordüsen. Die in bestimmten Tiefen- und
Belastungsbereichen wirksame Injektordüse beeinflußt (verringert!) Nz
wesentlich! EGerät ändert sich damit wesentlich in
Abhängigkeit von den Belastungsbedingungen. Mundstufen ohne Injektor beeinflussen Nz
durch die Ventilcharakteristik. Auch hier bleibt EGerät
nicht konstant.
Analog zur zusätzlichen Belastung durch das Gerät läßt sich auch eine Gesamtbelastung
durch die Atmung beim Unterwasseraufenthalt ermitteln. Zur Belastung durch das Gerät (Nz)
kommt die gegenüber der Wasseroberfläche größere körpereigene Belastung auf dieser
Tiefe Nvent Tiefe.
Die Summe von Nvent Tiefe + Nz
auf der Tiefe im Verhältnis zu Nvent unter
Normalbedingungen wäre ein Maßstab für die tatsächliche Erschwernis der Atmung beim
Aufenthalt unter Wasser (E Atmung ges).
LITERATUR:
1 Leers, R.: Die Beurteilung von Atemwiderständen;
atemschutz-informationen" 2/1968, Verlag Die Wirtschaft, Berlin
2 Zimmermann, J.: Atembremsen unter der Lupe; poseidon" 2/3/1970
3 Leers, R.: Zum Begriff des Atemwiderstandes bei Atemschutzgeräten;
atemschutz-informationen" 2/1962
4 Großmann/Zimmermann: Lungenautomaten für Tauchergeräte; poseidon"
10/11/1976 |