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Física del buceo y sus leyes

Como profesional en seguridad e Higiene y amante del buceo decidí abordar el tema de la importancia de la física en esta actividad en cualquiera de sus ramas táctico, recreativo, deportivo o profesional. Debemos tener en cuenta que al realizar esta actividad estamos entrando a un medio muy distinto al que nuestro cuerpo está acostumbrado por este motivo debemos adaptarnos, una de la primeros sentidos es la visión.

VISIBILIDAD
Nuestra vista no está diseñana para ver bajo el agua, para solucionar este problema, deberemos mantener los ojos en contacto con el aire, (que es el medio para el que la naturaleza nos ha preparado), mediante el uso de la máscara de buceo, interponiendo asi un espacio de aire entre nuestros ojos y el agua.

De los rayos de luz que llegan a la superficie del agua, hay una parte que se refleja en ella (tanto mayor cuanto más lejos se halle el sol de la vertical), mientras que otra penetra en la misma, experimentando no obstante una desviación al pasar del medio aéreo al acuoso, por ser los mismos de distinta densidad. A lo primero se le llama reflexión, mientras que el segundo fenómeno se conoce como refracción (lo que provoca que si miramos desde fuera del agua un objeto introducido parcialmente en ella, parece que esté “roto”).

Por esta misma razón, la luz al pasar del medio aéreo (interior de la máscara) al acuoso, provoca que bajo el agua, los objetos se vean un tercera parte más grandes de lo que en realidad son y una cuarta parte más cerca.

Otro fenómeno que habremos de soportar será la menor cantidad de luz, ya que bajo el agua parte de esta será absorbida, desviada y reflejada, perdiendo capacidad lumínica a medida que la profundidad aumenta.

El resultado es que cuanto más bajemos menos luz tendremos. También van a variar los colores: La luz blanca está compuesta de diferentes colores (y que como es sabido son rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul, añil y violeta) y estos van siendo absorbidos a medida que aumenta la profundidad. Los primeros colores en desaparecer son el rojo, el anaranjado, el amarillo… y asi por el orden indicado. Tornándose el paisaje, a medida que bajamos, en una tonalidad verdosa, tendiente al azul, hasta llegar (a partir de los 50-60 metros) a un azul monocromo, cada vez más oscuro. Si encendiésemos una luz, restableceríamos de golpe todos los colores, de aquí la utilidad de llevar una linterna entre el equipo de buceo, única forma de percibir los colores a una cierta profundidad.

LOS SONIDOS
En el agua los sonidos se propagan mucho mejor y a mayor velocidad que en el aire, a una velocidad aproximadamente cinco veces superior. Ello quiere decir que será más fácil oír los sonidos. No obstante, nos costará distinguir de que dirección procede.

FLOTABILIDAD
Principio de Arquímedes:

“Un cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido experimenta una fuerza ascendente igual al peso del líquido desplazado”

Si nos introducimos en el agua de la bañera de casa, veremos que el nivel de agua sube. Pues bien: Esa cantidad de agua que “aumentó”, medida en litros, es igual al volumen de la parte de nuestro cuerpo que hayamos sumergido. Más sumerges, más sube el nivel. Y cuando sales de la bañera ves que éste desciende. A esa cantidad de agua le llamamos desplazamiento.

Sigamos con el ejemplo de la bañera. Ya estamos dentro de ella y el agua nos cubre casi todo el cuerpo. Percibiremos que pesamos muchísimo menos. Sin embargo nuestro cuerpo sigue siendo el mismo y pesa igual. Lo que realmente ocurre es que al sumergirnos en el agua nuestro cuerpo, igual que cualquier otro, experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del agua que desaloja. Por eso tenemos la sensación de ser más ligeros; y es que dentro del agua nuestro peso es aparentemente menor.

PRESIÓN Y VOLUMEN
Los gases, al ser incapaces de mantener una forma o volumen, se reparten uniformemente por todo el volumen de su contenedor, siendo la densidad de un gas muchísimo menor que la de cualquier liquido o sólido. Existen diferentes gases, si bien a efectos de buceo los que nos interesan son los que componen el aire atmosférico: 79% de Nitrógeno, 20’97% de Oxígeno y 0’03% de Anhídrido Carbónico, principalmente.

Se define presión como la fuerza dividida por la superficie (P=F/S). Como unidad de presión utilizamos la atmósfera, que es la que ejerce el aire que nos rodea a nivel del mar (el peso de un cilindro de mercurio de 760 mm. de altura y cuya base tenga una superfície de 1 cm2). El valor de 1 atmósfera es la presión resultante de efectuar una fuerza de 1 Kg. en una superfície de 1 cm2 y aproximadamente equivale a un bar (1,03 bares = 1 atm.)

Hay que distinguir en buceo dos tipos de presión: la atmosférica (El peso del aire sobre la superficie del agua) y la hidrostática (el peso del agua sobre el submarinista), La suma de las dos presiones parciales nos da la absoluta, que es la que nos afecta.

Cuando nos metemos bajo el agua experimentamos un aumento de presión (la correspondiente al peso del agua que hay sobre nosotros) cada vez mayor cuanta más profundidad alcancemos. A esta presión hidrostática se sumará la presión del aire sobre la superficie del agua.

Sabiendo que una columna de agua de 10 m. de altura y 1 cm2 de sección contiene un litro de agua, y que éste pesa aproximadamente 1 Kg., obtendremos fácilmente que la presión ejercida por el agua en la base de dicha columna es de 1 Kg./cm2, es decir, 1 Atmósfera. Podemos decir que por cada diez metros de profundidad que el buceador desciende, la presión a que está sometido aumenta 1 Atmósfera.

Ley de Boyle-Mariotte
Relación entre la presión y el volumen de un gas.

A temperatura constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión a la que es sometido.

o lo que es lo mismo: el volumen de un gas disminuye al aumentar la presión y aumenta al disminuir la presión.

De acuerdo con esta ley, si denominamos V1 al volumen de un gas al someterlo a una presión P1, y V2 al volumen del mismo gas al someterlo a otra presión P2, se enuncia:

P1 x V1 = P2 x V2

Si queremos hallar la relación entre el volumen de un gas al nivel del mar y el que tendrá a una determinada profundidad, deberemos aplicar esta fórmula junto con la anterior que relaciona presión y profundidad.

Pongamos un ejemplo: un globo de 1 litro de volumen que se encuentre a nivel del mar (sometido a 1 atmosfera de presión), al sumergirlo a 10 metros de profundidad (2 atmosferas) ocupará un volumen de ½ litro.

P1 x V1 = P2 x V2
1 atmosfera x 1 litro = 2 atmosferas x ½ litro

Los efectos de esta ley se manifiestan sobre el aire que se encuentra en el interior de nuestro organismo (ya que los líquidos y sólidos no pueden ser comprimidos), de forma que al aumentar la presión exterior se comprimirán todas las partes de nuestro organismo en que esto sea posible. En nuestro cuerpo hay varias cavidades que contienen aire y, por tanto, que se comprimen cuando buceamos. Si de alguna manera conseguimos igualar la presión interior con la exterior, habremos compensado y no notaremos molestia alguna. en caso contrario puede dar lugar a problemas de importancia.

La Ley de Boyle-Mariotte influye en el comportamiento del chaleco, ya que el aire que éste contiene modifica su volumen en función de la presión, es decir de la profundidad, y esta modificación de volumen incide de forma directa sobre la flotabilidad del buceador (en aplicación del principio de Arquímedes). Ello obliga a añadir o quitar aire cuando se aumenta o disminuye la profundidad, respectivamente.

Asimismo, debe tenerse en cuenta que esto tambien afecta al aire que se encuentra contenido entre la máscara y la cara del buceador, por lo que al descender disminuirá su volumen al descender, y será necesario inyectar aire en ese espacio por medio de la nariz. Al ascender aumentará de volumen y saldrá solo.

Ley de Dalton
Presiones parciales en mezclas gaseosas

La presión total ejercida por una mezcla de gases es la suma de las presiones parciales de los gases que componen dicha mezcla

Dicho de otra forma: a temperatura constante, la presión de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones a que estaría cada uno de los gases que la componen si ocupasen el volumen total de la mezcla.

  1. Absoluta = P. Parcial (1) + P. Parcial (2) + P.Parcial (3) + ……..

Dependiendo de la presión a que se someta un gas concreto, este afectará a nuestro organismo de una u otra forma. La Ley de Dalton nos permite conocer, cuando se efectúa una inmersión con aire, a qué profundidad cada gas contenido en el aire puede producir efectos nocivos para nuestro cuerpo.

Por ejemplo, la razón de que no se practique el buceo deportivo con oxígeno puro, evitando con ello los problemas que se derivan del nitrógeno contenido en el aire, es que este es tóxico a partir de una presión aproximada de 1’7 atmosferas, es decir, por debajo de los 7 metros de profundidad.

Para calcular la presión parcial de un gas contenido en una mezcla, dividiremos el porcentaje de ese gas por 100, y lo multiplicaremos por su presión.

Sabiendo que la composición aproximada del aire es 79% N2, 20’97% O2 y 0’03% CO2, tendremos que si ese aire lo respiramos en superficie, es decir, a una presión total de 1 At., las presiones a que estarán sometidos sus componentes serán de 0’79 At. el N2, 0’2097 At. el O2 y 0’0003 At. el CO2 (resultado de multiplicar 1 At. por el porcentaje que cada gas representa en la mezcla).

Aunque, como ya hemos dicho, el oxigeno puro comienza a ser tóxico a partir de 1,7 atmosferas de presión (7 metros de profundidad), sabemos que el oxigeno en el aire lo es a partir de 2,1 atmosferas. Para saber a qué profundidad el oxígeno de la mezcla será tóxico, sólo hay que resolver la siguiente ecuación, para hallar a qué presión total (que llamaremos pT) ocurrirá, sabiendo que la presión parcial tolerada del oxígeno es igual a 2’1 At.:

0’2097 x pT = 2’1 At.
pT = 2’1 / 0’2097 = 10’01 At.

Y como hemos visto con anterioridad, para alcanzar dicha presión la inmersión debería realizarse a aproximadamente 90 metros de profundidad.

Del mismo modo sabremos que a partir de profundidades superiores a 30 ó 35 metros (siempre condicionado por otros muchos factores) se puede producir la llamada narcosis nitrogenada o “borrachera de las profundidades” al superar el nitrogeno en el aire, la presión parcial de 4 atmósferas.

Ley de Henry
Disolución de un gas a diferentes presiones.

A temperatura constante, la cantidad de un gas que es absorbido por un líquido con el que se encuentra en contacto, es directamente proporcional a la presión.

Cuando a una temperatura constante, un gas entra en contacto con un líquido, se disuelve en él hasta el momento en que la presión exterior e interior alcancen el punto de equilibrio.

La importancia de esta ley para el buceador es capital, teniendo en cuenta que la sangre y tejidos se comportan como líquidos a estos efectos, y que por ello, al aumentar la profundidad y por tanto la presión, absorberán en mayor medida los gases que forman el aire que respira (y más aun si la temperatura baja). Si bien, de entre los principales componentes del aire, el anhídrido carbónico (CO2) por su poca presencia en el aire no representa un problema, ni el oxígeno tampoco, ya que es consumido por el organismo, el restante y más importante, el nitrógeno, gas inerte que no es consumido, es el responsable de una de los principales riesgos del buceo, la enfermedad descompresiva.

Por esta condición se ha fijado un tiempo aproximado de 12 horas para que los tejidos puedan librarse del nitrógeno saturado sobrante.

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