Hukum Fisika pada Dunia Selam ( Diving )


Pengetahuan tentang hukum fisika yang erat berhubungan dengan penyelaman adalah syarat penting bagi teknik penyelaman aman. Banyak masalah kesehatan penyelaman yang secara langsung diakibatkan oleh pengaruh fisiologi dari hukum-hukum tersebut terhadap manusia.
Untuk memahami berbagai prinsip-prinsip dasar penyelaman yang aman, penyelam harus mengenal aspek-aspek fisika yang berhubungan tekanan dan berat jenis zat cair dan gas-gas. Pengetahuan inipun amat berguna untuk para dokter yang menangani kasus para penyelam.

Tekanan
Tekanan udara pada permukaan laut pada suhu 0o C, pada dasarnya adalah tekanan yang disebabkan oleh berat asmofir diatasnya. Tekanan ini konstan yaitu sekitar 760 mmHg (14,7 psi) dan dijadikan dasar hukum atmosfir (1 ATA).

Berdasarkan hukum Pascal yang menyatakan bahwa tekanan yang terdapat pada permukaan cairan akan menyebar ke seluruh arah secara merata dan tidak berkurang. Pada setiap tempat di bawah permukaan air tekanan akan meningkat sebesar 760 mmHg (1 Atmosfir) untuk setiap kedalaman 10 meter. Dengan demikian penambahan tekanan air permukaan dengan tekanan kedalaman air disebut tekanan Atmosfir Absolut (ATA).

Hukum-Hukum Gas
Udara yang dihirup manusia adalah udara biasa yang terdiri dari komponen-komponen sebagai berikut:
  • 78 % Nitrogen (N2)
  • 21 % Oksigen (O2)
  • 0,93 % Argon (Ar)
  • 0,04 % Karbondioksida (CO2)
  • Sisanya gas-gas mulia (He, Ne,dll)

Dalam penyelaman maka hukum-hukum gas berlaku karena tekanan dan volume gas yang keluar masuk tubuh manusia berubah sesuai keadaan.
Ada beberapa hukum gas yang harus dipahami antara lain:

Hukum Boyle
Hukum yang menegaskan hubungan antara tekanan dan volume. Volume dari suatu kumpulan gas akan berbanding terbalik dengan absolut.

Hal ini berarti bahwa bilamana tekanan meningkat, maka volume dari suatu kumpulan gas akan berkurang.
Aplikasi
Seorang penyelam yang bernafas penuh (6 liter) pada kedalaman 10 meter (2 ATA), dengan menahan napas lalu naik kepermukaan (1 ATA), maka udara di dalam paru-parunya akan berlipat ganda menjadi 12 liter. Hal ini mengingatkan agar tidak menahan napas saat muncul kepermukaan bila memakai alat selam scuba.
Hukum ini berlaku terhadap rongga yang ada pada tubuh manusia, dimana penyelam akan mendapat tekanan langsung saat menyelam.

Hukum Charles
Adalah hukum yang menyatakan bahwa bila tekanan tetap konstan, maka volume dari sejumlah gas berbanding lurus dengan suhu absolut, apabila volume konstan/tetap dan suhu meningkat maka tekanan akan meningkat pula. Hukum ini berhubungan dengan kompresi dari kumpulan gas yaitu terhadap peralatan selam: tabung, regulator, chamber dll.
Aplikasi
Dalam menyimpan tabung maka tempatnya harus dijaga supaya tidak panas atau hindari tempat panas. Membawa tabung yang penuh terisi dalam waktu lama sebaiknya di tutup sehingga terhindar dari sinar matahari langsung.
Jika hal ini terabaikan maka suhu tabung akan meningkat menyebabkan tekanan meningkat sehingga tabung meledak.

Hukum Dalton
Menurut hukum ini, Tekanan Total suatu gas campuran adalah jumlah dari tekanan parsial gas-gas di dalam campuran tsb.
Di permukaan laut maka tekanan masing-masing gas penyusun atmosfer yaitu:
Maka pada kedalaman 40 meter maka tekanan masing-masing gas yaitu:
Hal ini berarti oksigen yang kita hirup pada kedalaman 40 meter sama dengan menghirup oksigen murni di permukaan. Nitrogen yang dihirup juga semakin banyak hampir 5 kali lipat daripada berada di permukaan laut.
Aplikasi
Hal ini berkaitan dengan aspek medis yaitu apabila kita menghirup oksigen yang banyak maka akan terjadi keracunan oksigen. Banyaknya oksigen akan mendepresi pusat pernapasan sehingga kontrol pernapasan di otak terganggu dan terjadi penumpukan karbondioksida dalam tubuh yang menyebabkan kematian.
Banyaknya nitrogen yang dihirup akan menurunkan kerja sistem saraf pusat, sehingga kewaspadaan penyelam menurun. 

Hukum Gay-Lussac
Menurut hukum ini, dapat dijelaskan juga tentang ledakan saat mengisi tabung scuba.
Bila kita mengisi tabung scuba, dimana Volume nya konstan, dengan bertambahnya Tekanan tabung maka Temperaturnya juga meningkat. Hal ini berbahaya karena sebelum mencapai tekanan yang diinginkan, tabung dapat meledak.
Aplikasi 
Pada saat kita mengisi tabung, sebaiknya tabung tsb diisi sambil direndam di dalam ember yang berisi air dingin, agar temperatur tabung tetap dingin.

Hukum Henry
Hukum ini mengekspresikan tentang daya larut gas pada suatu cairan. Daya larut ini juga tergantung pada temperatur dan tipe cairan.Makin dalam dan makin lama kita menyelam maka gas yang diserap tubuh makin banyak karena tekanan parsial gas semakin tinggi. Semakin dingin suhu air, maka semakin banyak gas yang terlarut di dalamnya.
Aplikasi
Hal inilah yang mengharuskan kita untuk naik kepermukaan dengan sangat perlahan agar gas yang larut tidak berubah menjadi gelembung. 

Daya Apung
Hukum Archimedes berbunyi bahwa jika suatu benda masuk ke dalam suatu cairan maka benda tersebut mendapat daya apung yang sebanding dengan jumlah cairan yang dipindahkan.
Untuk mengetahui apakah suatu benda terapung atau tidak maka kita harus mengetahui berat jenis (berat/volume) benda tersebut. Jika berat jenis benda lebih kecil daripada air maka benda tersebut akan mengapung, begitu pula sebaliknya.
Semakin padat suatu cairan maka semakin besar daya apungnya karena memiliki berat jenis yang besar.
Hal ini berhubungan dengan air tawar dan air laut, dimana mempunyai kepadatan yang berbeda. Air laut lebih padat daripada air tawar, sehingga penyelam-penyelam dan kapal-kapal mengapung lebih tinggi dari air laut daripada air tawar.

Daya apung (bouyancy) ada 3 macam yaitu:
  • Daya apung positif (positive bouyancy) : bila suatu benda mengapung.
  • Daya apung negatif (negative bouyancy) : bila suatu benda tenggelam.
  • Daya apung netral (neutral bouyancy) : bila benda dapat melayang.

Bouyancy adalah suatu faktor yang sangat penting di dalam penyelaman. Selama bergerak dalam air dengan scuba, penyelam harus mempertahankan posisi neutral bouyancy.
Tingkat  daya apung setiap penyelam dipengaruhi oleh beberapa faktor, berat alat-alat yang dipakai dapat menyebabkan penyelam tenggelam. Silinder berisi udara tekan akan menjadi lebih terapung bila udara dipakai hingga menjadikannya ringan. Pakaian selam (wet suit) yang terdiri dari sel-sel karet busa berisi udara, bila kedalamannya bertambah, volume udara di dalam sel-sel tersebut berkurang dengan demikian mengurangi daya apung. Rompi-rompi yang dapat mengembang (Buoyancy Compensator's) dapat diisi udara untuk mendapat daya apung positif. Bila penyelam menghirup nafas volume di dada akan meningkat, yang cenderung membuatnya mengapung, sedang bila ia menghembuskan akan cenderung tenggelam. Maka sering seorang penyelam menghembuskan nafasnya pada saat meninggalkan permukaan untuk memanfaatkan pengaruh tersebut dan hal itu membantunya untuk turun.
Dengan pengetahuan tersebut diatas, diaharapkan seorang penyelam akan dapat menentukan daya apungnya sendiri sesuai kebutuhan dan dapat memperkirakan peralatan selam yang akan dipakainya, sehingga seorang penyelam akan mampu untuk mengatur daya apungnya untuk kenyamanan serta keamanan penyelaman.

Suhu
Suhu air yang berada di sekeliling penyelam menentukan kenyamanan dan lamanya penyelaman secara maksimal. Hampir semua perairan lebih dingin dibandingkan suhu tubuh manusia yang normal, karena itu seorang penyelam akan kehilangan panas tubuh terhadap air. Pada penyelaman saturasi, pemeliharaan suhu tubuh penyelam menjadi suatu kebutuhan utama, suhu air akan makin turun secara nyata bersamaan dengan bertambahnya kedalaman.
Perubahan suhu terbesar terjadi pada 10 meter pertama, dikarenakan hilangnya sebagian besar panas matahari pada kedalaman yang lebih dalam. Air yang dingin dapat menyebabkan gangguan fisiologi seperti vertigo dan sakit kepala. Untuk itu dibituhkan pakaian selam sesuai kebutuhan.

Panas badan dapat hilang bila berada di dalam air melalui beberapa cara :
  • Konduksi adalah transfer panas langsung dari molekul ke molekul. Air mempunyai kapasitas konduksi 25 kali dari pada udara. Jadi kecepatan hilangnya panas di air 25 x lebih cepat dari pada di udara.
  • Konveksi adalah transfer panas dengan adanya pergerakan arus air.
  • Radiasi adalah transfer panas dengan cara pancaran tanpa adanya zat perantara.
  • Evaporasi keringat dari kulit dan keluarnya uap air dari paru menyebabkan hilangnya panas dari badan secara signifikan.

Bila seoseorang menyelam sangat dalam dengan menggunakan Helium-Oxygen (Heliox), hilangnya panas badan dapat menimbulkan hypothermia klinis yang serius. Pada penyelaman sangat dalam dengan gas campuran heliox, gas pernafasan ini dipanaskan untuk menghindari hypothermia.

Penglihatan dan Cahaya
Agar penyelam dapat bekerja dengan baik, maka harus dilengkapi peralatan untuk melihat sejelas mungkin. Mata manusia memerlukan sinar untuk melihat sesuatu. Apapun yang dilihat manusia adalah suatu gambaran yang diciptakan oleh pantulan sinar dari benda yang sedang dilihat. Sinar di dalam air dipengaruhi oleh beberapa faktor sehingga dapat langsung mempengaruhi kemampuan melihat seorang penyelam dan menginterpretasikan apa yang dilihatnya. 

Faktor-faktor utama tsb adalah :
  • Kekeruhan air.
  • Diffusi : pemancaran sinar oleh molekul-molekul air dan partikel.
  • Absorpsi : kemampuan untuk merubah warna dan intensitas cahaya.
  • Refraksi : pembelokan sinar yang masuk dari satu media ke media yang lain.
  • Refleksi : kembalinya sinar matahari ke atmosfer yang mengenai permukaan air; akan direfleksikan (dipantulkan) tergantung pada sudutnya pada saat mengenai air.

Penglihatan dibawah air sangat buruk diakibatkan oleh perbedaan-perbedaan dalam pembiasan sinar di bawah air. Masalah ini sebagian dapat diatasi dengan pemakaian masker, dimana terdapat suatu lapisan udara antara mata dan air, meskipun memperbaiki penglihatan di bawah air tetapi dapat mengakibatkan kesan palsu akan jarak dan menjadikan benda-benda yang terlihat jauh akan terlihat dekat (¡¾ 3/4nya) dan yang kecil akan terlihat lebih besar (¡¾ 1,5 kalinya). Udara mempunyai indeks bias 1, kaca masker berindeks  bias 1,5-1,8, sedangkan air berindeks bias 1,33.

Lensa yang dapat memperbaiki penglihatan (corrective lens) dapat dipasang pada mask untuk mereka yang memakai kacamata. Pemakaian lensa kontak (contact lens) di bawah air telah berhasil baik untuk digunakan pada face mask maupun pemakaian langsung.
Ketajaman penglihatan di bawah air rendah disebabkan penyebaran cahaya yang membentuk bayang-bayang dari benda halus yang mengambang di dalam air. Di bawah air juga berpengaruh terhadap warna dimana tidak tampak sama dengan permukaan. Hal ini disebabkan adanya penyerapan (absorpsi) terhadap panjang gelombang warna yang tidak sama besar.
Sinar matahari tidak dapat menembus lebih dari 1650 ft, meskipun di air yang sangat jernih. Di udara, kecepatan sinar adalah 186.000 mil/detik, di dalam air kecepatan berkurang menjadi 135 mil/detik. Pada kedalaman, sinar matahari merupakan kombinasi warna-warna merah, orange, kuning, hijau, biru, dan ungu akan terlihat sebagai warna biru tua. Karena penyerapan tersebut dapat berpengaruh terhadap warna benda di dalam air.
Penyerapan air terhadap sinar matahari adalah sebagai berikut

Suara
Suara dibawah air sangat dipengaruhi oleh penghantarannya oleh media cairan. Kecepatan suara di bawah air lebih cepat 4 kali daripada udara, tapi akan lebih cepat kehilangan energinya bila dipancarkan ke dalam air. Suara di udara akan cepat kehilangan energinya bila dipancarkan ke dalam air, dengan demikian di dalam air akan sukar mendengarkan suara yang dibuat di udara dekat permukaan air.
Telinga manusia diciptakan untuk melokalisir arah suara diudara. Pendengaran penyelam di bawah air akan berkurang akibat pengaruh air terhadap gendang telinga, sehingga sulit bagi penyelam untuk melokalisir arah suara di dalam air. Di bawah air suara akan dihantarkan ke organ pendengaran lebih baik melalui tulang kepala daripada gendang telinga. 
Memakai penutup kepala akan lebih mengurangi ambang pendengaran, akanlah sukar bagi penyelam melokalisir arah suara di dalam air.
Kecepatan suara di udara adalah 1100 ft/detik sedangkan di dalam air rata-rata 4900 ft/detik. Suara yang dihasilkan oleh pemukulan tabung baja scuba dengan benda logam (misalnya dengan pisau selam) dapat didengar pada jarak yang cukup jauh oleh penyelam lain.

Kesimpulan
Dengan mempelajari fisika yang berhubungan dengan penyelaman diharapkan penyelam dapat mengetahui cara mengatasi bahaya-bahaya yang mungkin timbul karena penyelaman terhadap fisiologi manusia. Diantaranya seorang penyelam akan melakukan ekualisasi saat masuk di kedalaman air, tidak menahan napas selama naik ke permukaan dan selalu melaksanakan peyelaman tanpa dekompresi (bila diperlukan pelajari tabel selam), serta dapat melaksanakan penyelaman dengan aman dan nyaman.