Fundamentos físicos

Fundamentos físicos

Los tres pilares de la física del buceo son el principio de Arquímedes, la presión y las leyes de los gases. El primero explica el fenómeno de flotabilidad, el segundo la variación de la presión con la profundidad y el último el comportamiento de los gases al variar la presión (el volumen y la temperatura).

Arquímedes

El principio de Arquímedes se aplica al buzo como un todo. El cuerpo del buzo (y su equipo) presentan una masa total y desplazan un volumen de agua equivalente al volumen del cuerpo sumergido. El buzo está sometido entonces a un par de fuerzas opuestas: por un lado el efecto de la gravedad sobre su masa (el peso del buzo y su equipo), por otro lado la fuerza de flotación ejercida por el agua, equivalente a la masa de agua del volumen desplazado por el buzo.

Cuando la masa del buzo es mayor que la masa del volumen de agua desplazada su flotabilidad es negativa, el buzo tiende al fondo. Cuando la masa del buzo es menor que la masa equivalente a su volumen su flotabilidad es positiva, el buzo tiende a la superficie. La situación en la que las fuerzas son equivalentes, la masa del buzo es igual a la masa del agua que desplaza, la flotabilidad se considera neutra; la fuerza ascendente se anula con la fuerza descendente.

El principio de Arquímedes no tiene mayor incidencia sobre la fisiología del buceo. Su aplicación es lo que permite al buzo autónomo mantener una flotabilidad neutra y es uno de los aliados más importantes del buzo en apnea. Este último aprovecha el cambio en su densidad corporal total en inmersión y de la posición relativa (con respecto a su centro de gravedad - centro másico) de los pulmones. En superficie el apneísta presenta una flotabilidad positiva, que es vencida fácilmente en una buena maniobra de inmersión (cabeza primero) y que es vencida rápidamente al comprimirse el aire de sus pulmones con la profundidad (ver ley de Boyle-Mariotte). A partir de determinada profundidad su flotabilidad se vuelve negativa y le permite realizar un descenso sin esfuerzo. La situación de los pulmones por debajo del centro másico del buzo durante el descenso tiene por efecto un acercamiento de la profundidad de flotabilidad neutra a la superficie. Durante el ascenso, con la cabeza hacia arriba, los pulmones están por encima del centro másico del buzo y la profundidad de flotabilidad neutra se desplaza hacia el fondo. Así el esfuerzo activo de ascenso se ve reducido y la fase pasiva (de flotabilidad positiva) es alcanzada más lejos de la superficie.

Presión

Es la fuerza que ejerce un fluido sobre un cuerpo sumergido. Se ejerce de manera homogénea en todos los sentidos a una profundidad dada y los vectores de fuerza serán siempre perpendiculares a la superficie del cuerpo que se ve sometido a ella. La presión absoluta a la que se ve sometido un cuerpo en inmersión es la suma de la presión atmosférica (el peso de la columna de aire) y la presión hidrostática (el peso de la columna de agua). Así, el efecto de presión es menor en altitud que a nivel del mar y debido a que el agua salada es más densa que el agua dulce: a igual profundidad, un buzo en un lago está sometido a menor presión que un buzo en el mar.

La presión atmosférica normal a nivel del mar es de 1 atmósfera. La presión ejercida por una columna de 10 m. de agua de mar equivale más o menos 1 atmósfera de presión. Un bar equivale a aproximadamente a 1 atmósfera (1 atmósfera=1,103 bares). Luego, para cálculos rápidos y sencillos, asumimos que por cada 10 metros de profundidad, la presión aumenta 1 atmósfera ó 1 bar. De este modo, podemos decir con suficiente precisión, que la presión ejercida sobre un cuerpo a 10 m. bajo la superficie del mar es de 2 bar (1 bar = P. atmosférica + 1 bar P. hidrostática). Finalmente, la ley de Pascal determina que la presión ejercida sobre un cuerpo o fluido se transmite uniformemente a todo el fluido. Esto determina que la presión absoluta debida a la inmersión se transmite automáticamente a cada uno de los tejidos y cavidades del buzo.

Leyes de los gases

El cuerpo humano no es en definitiva una masa uniforme. Si bien nuestros tejidos están conformados mayoritariamente por agua (los líquidos idealmente son incompresibles); la presencia de cavidades y el comportamiento físico particular de los fluidos en fase gaseosa (aire) determinan de lejos los límites a que el cuerpo humano puede soportar.

Ley general de los gases

La ley general de los gases explica el comportamiento de estos con relación a las variables de presión, temperatura y volumen.

Donde P es presión, V es volumen y T es temperatura; en dos situaciones distintas (1 y 2). Lo que explica esta ley es que un cambio en magnitud de cualquiera de las variables de un gas de un estado inicial (1), acarreará irrevocablemente al ajuste de las variables complementarias en su estado final (2) para respetar la igualdad. Si la temperatura se mantiene constante (T1= T2), es posible retirarla de la ecuación pues su efecto sobre el equilibrio de la misma es nulo. El equilibrio se mantiene pues, únicamente por las variaciones en la relación entre presión y volumen.

Ley de Boyle - Mariotte

Artículo principal: Ley de Boyle-Mariotte

Expresa el equilibrio de un gas a temperatura constante. Durante la inmersión la variación de temperatura del aire es mínima y por lo tanto la ley de Boyle es especialmente práctica para entender la relación entre presión y volumen. Básicamente, esta se ve enunciada en la siguiente igualdad:

P1V1 = P2V2

La presión es inversamente proporcional al volumen de un gas: al aumentar la presión sobre una masa de gas, el volumen de este disminuye proporcionalmente. Así, una masa constante de aire que en superficie (1 bar) ocupa un litro, verá su volumen reducido a la mitad ( L) al someterse a una presión de 2 bar (-10 m), a un tercio ( L) a 3 bar (-20 m) y así sucesivamente. De igual manera, un litro de aire a 3 bar (-20m), doblará su volumen a 2 bar (2 L a -10 m) y lo triplicará a 1 bar (3 L en superficie).

Ley de Dalton

Artículo principal: Ley de las proporciones múltiples

El aire no es un gas puro, sino una mezcla de gases. La ley de Dalton explica que la presión total de una mezcla de gases es la suma de las presiones que ejercerían cada uno de los gases componentes ocupando a ellos solos el volumen total.

Esta ley también se conoce como la ley de las presiones parciales, pues implica que la presión parcial de un gas en una mezcla de gases sometida a una presión X, es directamente proporcional a la proporción en que ese

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