FISICA APLICADA AL BUCEO


Cuando nuestro cuerpo se sumerge en un líquido, experimenta sustanciales variaciones de peso, volumen y presión. La razón fundamental de estas variaciones es la diferencia de densidad y, en consecuencia, de peso entre el agua y el aire. El agua es 800 veces más densa que el aire. Por ello veamos algunas leyes físicas que afectan a la práctica del buceo:


Presión.- Es la cantidad de fuerza por unidad de superficie.
Su formula es: P = F / S se expresa en Kg/ cm2.


Presión Atmosférica.-
El globo terráqueo está rodeado por una gran masa gaseosa denominada atmósfera, cuyo espesor se calcula en unos 100.000 metros. La mezcla gaseosa que nos envuelve se conoce como aire atmosférico, aunque solo dentro de los primeros 10. 000 metros es donde existen condiciones para la respiración (Troposfera). Las diferentes capas que conforman la atmósfera se presionan entre sí, produciéndose una progresiva comprensión sobre la corteza terrestre, y en especial a nivel del mar.

De acuerdo con todo esto, definimos presión atmosférica como el resultado del peso de una columna de aire que la atmósfera ejerce sobre la tierra y los que la habitamos. Esta presión actúa en todas direcciones y equivale a nivel del mar a 1 kg/cm2 (1 Atmósfera).

El aire es compresible y, en consecuencia, su peso específico disminuye con la altura. Es decir, la presión disminuye con la altura, factor muy a tener en cuenta en la programación de inmersiones en lagos de alta montaña.


Presión Hidrostática o Relativa.-
Fuerza ejercida por una columna de líquido sobre una superficie, está en relación directa con la densidad del líquido, es decir, del peso por unidad de volumen. La densidad del agua es 1 kg/dm3, el agua del mar es 1,026 kg/dm3 por las sales disueltas. No obstante, despreciaremos esa diferencia de peso.

Si tomamos una columna de agua de 1 cm2 de base y 10 metros de altura su volumen será:


V = S x h = 1 cm2 x 1000 cm 1000 cc = 1 litro


Como un litro de agua pesa un kilo, tendremos que sobre la base de esa columna está actuando una fuerza de 1 kilo. Es decir, por cada 10 m de profundidad, la profundidad ejercida por la columna de agua aumenta una atmósfera. Por tanto para calcular la presión relativa, tendremos que dividir por 10 la profundidad en metros a la que se encuentra el buceador.

Presión Absoluta.- Es la suma de las presiones, atmosférica y relativa, en el punto y altitud donde efectuemos la inmersión.

P abs = P atm + P rel

Normalmente las inmersiones suelen ser al nivel del mar, entonces ésta relación sería:

P abs = 1 + P rel


LEYES DE LOS GASES

Los gases están afectados en su comportamiento por tres factores: Presión, Volumen y Temperatura. Siempre que usemos temperaturas, a los efectos de cálculo, se deben tomar absolutas o en grados Kelvin, que serían los grados centígrados incrementados en 273.


Ley de Boyle-Mariotte.-
Para una misma masa de gas a temperatura constante, el volumen que ocupa es inversamente proporcional a la presión ejercida, mientras que la densidad es directamente proporcional a dicha presión.

P x V = Cte. P / D = Cte.

Siendo P y V la presión y el volumen de un gas en condiciones iniciales y P' y V' la presión y el volumen en condiciones finales, se cumplirá:

P x V = P' x V'

Suponiendo la constante 1 y aumentando la presión de 1 en 1 atmósfera, veremos como quedaría la ley:

1) P1 x V1 = 1 x 1 = 1
2) P2 x V2 = 2 x 0'5 = 1
3) P3 x V3 = 3 x 0'333 = 1
- - - - - - - - - - - - - -
7) P7 x V7 = 7 x 0'1428 = 1


Vemos que en variaciones relativas de presión y volumen, un descenso de 30 a 70 metros de profundidad equivale a un descenso desde la superficie a 10 metros.


Ley de Charles-Gay Lussac.-
A volumen constante, el incremento de presión de un gas, es proporcional al incremento de su temperatura. Mientras que a Presión constante, el Volumen de un gas es directamente proporcional a la temperatura.

P / T = Cte. P / T = P' / T' V / T = Cte. V / T = V' / T'

Esta Ley más que al buceador, cuya temperatura se mantiene constante, afecta a los mecanismos que utiliza, que están sometidos a diferencias de temperatura ambiental (variaciones de presión en el llenado de botellas, etc...).

Como aplicación de las dos Leyes nos resulta la Ecuación General de los Gases que se expresa matemáticamente de la siguiente forma:

P x V P' x V'
------- = ---------
T T'

El volumen de un gas o masa de gases experimenta variaciones en razón directamente proporcional a la presión que soporta.


Ley de Henry.- A temperatura constante y a saturación, la cantidad de gas disuelta en un líquido es proporcional a la presión ejercida por el gas en contacto con el líquido.

Una forma de comprender bien esta Ley es el ejemplo de la botella de gaseosa. La botella sin destapar tiene burbujas en su interior, parece agua pero sabemos que lleva CO2 en su interior, sin embargo no se ve, esto es debido a que el gas por efecto de la presión a la que ha sido sometido durante el llenado se ha diluido en el líquido hasta alcanzar el estado de equilibrio. Al destapar la botella, la presión disminuye por efecto de la Ley de Henry y la cantidad de gas disuelto también disminuye, el gas sobrante es liberado en forma de burbujas.

Cuando un buceador se sumerge, su organismo se encuentra en un estado de saturación en el ambiente atmosférico, que es el habitual. Una vez iniciada la inmersión, se crea un desequilibrio, lo cual obliga al líquido y a los tejidos a aumentar la tasa de gas en busca de un nuevo estado de equilibrio (saturación).

Una vez el gas está disuelto en el líquido, experimentará una presión (P) hacia el gas sin disolver, que se conoce con el nombre de tensión (T), dependiendo de los valores de la presión y de la tensión habrá lugar a tres estados de disolución:


Si P > T Estado de Subsaturación
Si P = T Estado de equilibrio o Saturación
Si P < T Estado de Sobresaturación


En el estado de subsaturación, el líquido absorbe más gas, debido a que la presión del gas es mayor que la tensión del gas en el líquido, que en el buceador es el momento del descenso en el agua.

En el estado de saturación, el líquido ya no puede absorber más gas a esa presión, debido a que la presión del gas es igual a la tensión de dicho gas en el seno del líquido; es la base del buceo a saturación.

En el estado de sobresaturación, el líquido elimina gas porque la presión del gas es menor que la tensión del gas en el seno del líquido, que en el buceador se da en el momento del ascenso.


Principio de Pascal.-
La presión ejercida sobre un fluido se transmite a todos los puntos del mismo con la misma intensidad, en todas direcciones y de forma instantánea.

Es decir, que cuando un buceador respira aire o mezcla gaseosa bajo presión, recibe éste a la misma presión, en todo el organismo y de forma instantánea.


Principio Fundamental de la Hidrostática.- Sabiendo que la densidad es la masa por unidad de volumen ( D = m / V ) y que el Peso específico es el peso por unidad de volumen (Pe = Peso / V) vemos que:

Peso m . g
Pe = --------- = ---------
V V

como m.g es, de acuerdo a la Ley de Newton o Ecuación Fundamental de la Dinámica, es el Peso de un cuerpo, tenemos que:

Peso = Pe . V

Presión = F / S; la fuerza en este caso es el peso del líquido, luego
Presión = Pe . V / s. Como el Volumen de un cilindro es área de la base por la altura tenemos que:


Pe . S . h M . g
Presión = ---------------- = Pe . h y como Pe = ------------
s V . h

Sabiendo que Densidad es m/V, tendremos que P = D . g . h

Deduciendo que a una cierta profundidad bajo la superficie libre de un líquido en reposo, la Presión Hidrostática es el Peso Específico del líquido por la profundidad. De lo que concluimos que el incremento de Presiones entre dos puntos del fluido es el Pe por la altura o distancia que separa los puntos.


AP = Pe . h P2 - P1 = Pe . h


Mezcla de gases. Ley de Dalton.- Normalmente en el buceo se utilizan mezclas gaseosas para respirar, la más comúnmente usada es el aire atmosférico cuya composición aproximada es:

Nitrógeno ................... 79,00 %
Oxígeno ..................... 20,79 %
Anhídrido Carbónico.... 0,03 %


También hay vestigios de Argón, Criptón, Hidrógeno y otros gases nobles que por ser portadores de Oxígeno se incluyen en la proporción del Nitrógeno, pero esta mezcla no es la única respirable. Hay otras mezclas en las que se ha variado las proporciones y otras en las que se ha cambiado el vehículo transportador (Nitrógeno) por otros gases más ligeros y que hacen más corta la descompresión, una de esas mezclas es la llamada Fifty-Fifty (50-50) que se compone de:

Nitrógeno........... 50 %
Oxígeno ............ 50 %

Pero esta mezcla reduce notablemente la profundidad límite alcanzable, aunque eso permite largas estancias en el fondo sin necesidad de descompresión.

En cuanto al vehículo transportador, el gas que hasta el momento ha ofrecido mayores garantías es el Helio, pero se debe tener en cuenta que hacen falta unas tablas de descompresión adecuadas a ese gas.

Todo lo concerniente a la mezcla de gases está regido por la Ley de Dalton:

En una mezcla de gases, la suma de las presiones parciales de la mezcla, es igual a la presión total de la mezcla, ocupando cada gas y la mezcla los mismos volúmenes. La presión parcial de cada gas en la mezcla es proporcional a la cantidad de gas, es decir, a su concentración.

P = Pp A + Pp B + Pp C + ... Pp n

Pp A = P . (% volumen A) / 100

Debemos reflexionar en este punto de los datos que nos aporta para el buceador que respira aire atmosférico. El oxígeno en estado puro y respirado como único componente de la mezcla, es tóxico cuando sobrepasa las 1,6 ata. de presión. Sin embargo, este mismo gas participando como componente de una mezcla, no se comporta de la misma forma y aumenta su tolerancia hasta las 2 ata. de presión parcial, a partir de las cuales su peligrosidad es extremada, por lo que las inmersiones en estas circunstancias se denominan extremas, no debiendo sobrepasar en mezcla tampoco las 1,6 ata de presión parcial. Una forma muy aproximada del cálculo para la tolerancia de oxígeno es la fórmula de Stelzner que dice:

t = (10/PO2)3 = Minutos de tolerancia, sin síntomas de tolerancia donde t es el tiempo medido en minutos y PO2 es la presión de oxígeno en la atmósfera.

Para calcular la profundidad límite del oxígeno como componente del aire atmosférico tenemos que

Pp (O) = 1 x 20'79 / 100 = 0'209 atm

Para alcanzar la presión de 1,6 atm. P = 1'6 / 0'209 = 7'6 atm

Lo que equivale a 66 metros de profundidad. Es decir, que a partir de 66 metros hay peligro de muerte. Lo mismo podríamos hacer con el nitrógeno y veríamos que a partir de 30 metros existe un peligro de intoxicación de nitrógeno.


Principio de Arquímedes.-
Todo cuerpo sumergido en un fluido, experimenta un empuje vertical dirigido de abajo a arriba igual al peso del volumen del fluido desplazado.

Matemáticamente sería: E = Pr - Pa

E = Empuje ascendente
Pr = Peso real
Pa = Peso aparente

Según este postulado, todo cuerpo sumergido se encuentra sometido a dos fuerzas verticales y de sentido opuesto, la del peso del cuerpo y la de oposición del propio líquido. Cuando ambas fuerzas se igualan, se llega al Equilibrio Hidrostático, de aquí se saca que todo cuerpo sumergido puede encontrarse en tres situaciones: Flotabilidad negativa, equilibrio hidrostático y flotabilidad positiva.


P > E Flotabilidad Negativa (nos hundimos)
P = E Flotabilidad Neutra (equilibrio hidrostático)
P < E Flotabilidad Positiva (flotamos)


Aclaremos el tema del peso aparente. Peso aparente será la diferencia entre el peso real del cuerpo sumergido y el del líquido desalojado:

Peso del cuerpo 10 Kg - Peso del líquido 8 Kg = Diferencia 2 kg.

Pero al contrario es igual; si el peso del líquido es 10 kg y el del cuerpo 8 kg, la diferencia es 2. Entonces el peso aparente o disminución del peso será de 2 kg. Es decir, que si el buceador pesa 75 Kg, al ponerse el equipo desaloja 80 kg, entonces su cuerpo recibe una fuerza ascensional de 5 kg y esto se debe neutralizar con lastre, pero superándolo en algún kilo de más, ya que sino quedaría en un equilibrio hidrostático.

Sabiendo que la P = F/s y partiendo del principio fundamental de la Hidrostática, vemos que P1=Pexh1, luego F1=P1 x S = Pe x h1 x S, esto será la Fuerza que se ejerce hacia abajo en el cuerpo en flotación.

Del mismo modo P2 x S = Pe x h2 x S, que será la fuerza que se ejerce hacia arriba en el cuerpo en flotación.

La fuerza ascensional o Empuje definido por Arquímedes, será la diferencia entre las dos fuerzas.

E = F2 - F1 = (Pe x h2 x S) - (Pe x h1 x S) = Pe x S x (h2 - h1)

tal y como se ve en el dibujo h2 - h1 es h., luego

E = Pe x S x h y como S x h es el volumen del cuerpo nos quedará que:

E = Pe x V

Es decir, que el empuje del cuerpo será el producto del Peso específico del fluido en el que está sumergido, por el volumen del cuerpo.

Ley de Graham.- La velocidad de difusión de las moléculas de un gas, es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de sus masas moleculares o densidades. El gas más difusible es el hidrógeno, por se el de menor masa molecular.

Llamamos difusión al fenómeno por el cual habiendo un gas que se encuentra en contacto con un líquido, el gas pasa al interior del líquido. Veamos la Ley de Graham matemáticamente:

K
V dif. = -------------- K = Constante proporcionalidad
P molecular

En el caso del Helio y del Nitrógeno, que son dos gases de suma importancia en el buceo, la velocidad de difusión del He es 2,646 veces superior a la del Nitrógeno

P molecular He = 4
P molecular N = 28

K / 4 28
------------- = -------- = 7 = 2,6457
K / 28 4