Física del buceo

Aspectos de la física que afectan al buceador submarino

La física del buceo son los aspectos de la física que afectan directamente al buceador submarino y que explican los efectos a los que están sujetos los buceadores y su equipo bajo el agua, que difieren de la experiencia humana normal fuera del agua.

Estos efectos son en su mayoría consecuencias de la inmersión en agua, la presión hidrostática de profundidad y los efectos de la presión sobre los gases respiratorios. La comprensión de la física es útil al considerar los efectos fisiológicos del buceo y los peligros y riesgos del buceo .

Leyes de la física con especial referencia al buceo

Las principales leyes de la física que describen la influencia del entorno del buceo submarino en el buceador y el equipo de buceo son:

• Principio de Arquímedes ( flotabilidad ): ignorando el efecto menor de las tensiones superficiales, un objeto, total o parcialmente sumergido en un fluido, es impulsado por una fuerza igual al peso del fluido desplazado por el objeto. Por lo tanto, cuando está en agua (un fluido), el peso del volumen de agua desplazado en comparación con el peso de los materiales en el cuerpo del buceador y en el equipo del buceador, determina si el buzo flota o se hunde. ^{[1] [2]} El control de la flotabilidad, y ser capaz de mantener una flotabilidad neutra en particular, es una habilidad de seguridad importante. El buzo necesita comprender la flotabilidad para poder operar de manera efectiva y segura los trajes secos , compensadores de flotabilidad , sistemas de pesaje de buceo ybolsas de elevación . ^[3]
• Ley de Boyle : a medida que cambia la presión, también cambia el volumen de gases en el cuerpo del buceador y en el equipo blando. ^[1] El volumen de gas en un recipiente no rígido (como los pulmones de un buceador o un dispositivo de compensación de flotabilidad) disminuye a medida que aumenta la presión externa mientras el buceador desciende al agua. Asimismo, el volumen de gas en dichos contenedores no rígidos aumenta con el ascenso. Los cambios en el volumen de gases en el buceador y el equipo del buzo afectan la flotabilidad. Esto crea un ciclo de retroalimentación positiva tanto en el ascenso como en el descenso. La cantidad de gas de circuito abierto que respira un buceador aumenta con la presión y la profundidad. ^[4]
• Segunda ley de Gay-Lussac : a medida que aumenta la temperatura, aumenta la presión en un cilindro de buceo (descrito originalmente por Guillaume Amontons ). ^[5] Esta es la razón por la que un buceador que entra en agua fría con un cilindro de buceo caliente, por ejemplo, después de un llenado rápido reciente , encuentra que la presión del gas del cilindro cae en una cantidad inesperadamente grande durante la primera parte de la inmersión a medida que el gas se el cilindro se enfría. ^[3]
• Ley de Dalton : en mezclas de gases respirables, la concentración de los componentes individuales de la mezcla de gases es proporcional a su presión parcial ^[1] La presión parcial es una medida útil para expresar límites para evitar la narcosis por nitrógeno y la toxicidad por oxígeno . ^[4]
• Ley de Henry : a medida que aumenta la presión, aumenta la cantidad de gas absorbido por los tejidos del cuerpo humano. ^[6] Este mecanismo está involucrado en la narcosis por nitrógeno, la toxicidad por oxígeno y la enfermedad por descompresión . ^[4]
• Ley de Snell : el índice de refracción del agua es similar al de la córnea del ojo, un 30% mayor que el del aire. ^[7] Esta es la razón por la que un buceador no puede ver claramente bajo el agua sin una máscara de buceo con espacio aéreo interno. ^[3]

Características físicas del agua más relevantes para los buceadores

Comparación de la penetración de luz de diferentes longitudes de onda en mar abierto y aguas costeras

Los efectos físicos del agua o del entorno submarino son:

• Presión : la presión total sobre un buceador es la suma de la presión atmosférica local y la presión hidrostática . ^{[8] [4]}
• Densidad : del agua, el cuerpo y el equipo del buceador determina la flotabilidad del buceador y el uso de equipo flotante. ^[9] y la densidad es un factor en la generación de presión hidrostática. Los buzos utilizan materiales de alta densidad como el plomo para los sistemas de lastre de buceo y materiales de baja densidad como el aire en los compensadores de flotabilidad y las bolsas de elevación. ^[4]
• Transferencia de calor: la transferencia de calor del cuerpo de un buceador al agua es más rápida que al aire, y para evitar una pérdida excesiva de calor que conduzca a la hipotermia, se utiliza aislamiento térmico en forma de trajes de buceo o calefacción activa.
  • La conductividad térmica del agua es más alta que la del aire. ^[10] Como el agua conduce el calor 20 veces más que el aire, los buceadores en agua fría deben aislar sus cuerpos con trajes de buceo para evitar la hipotermia .
  • Los gases utilizados en el buceo tienen conductividades térmicas muy diferentes; El heliox y, en menor medida, el trimix conduce el calor más rápido que el aire debido al contenido de helio, y el argón conduce el calor más lentamente que el aire, por lo que los buzos técnicos que respiran gases que contienen helio pueden inflar sus trajes secos con argón. ^{[11] [12]}
    • Argón: 16 mW / m / K; aire: 26 mW / m / K; neopreno: 50 mW / m / K; lana: 70 mW / m / K; helio: 142 mW / m / K; agua: 600 mW / m / K. ^[10]
• Absorción de luz y pérdida de color bajo el agua. ^{[13] [14]}
  El extremo rojo del espectro de luz se absorbe incluso en aguas poco profundas. ^[13] Los buzos usan luz artificial bajo el agua para revelar estos colores absorbidos. En aguas más profundas no penetra la luz de la superficie. ^[4]
• Bajo presión, los gases son altamente comprimibles pero los líquidos son casi incompresibles. Los espacios de aire en el cuerpo del buceador y el gas contenido en el equipo flexible se contraen a medida que el buzo desciende y se expanden a medida que el buceador asciende. ^{[15] [4]}
• La viscosidad absoluta (dinámica) del agua es más alta (orden de 100 veces) que la del aire. ^[16] Esto aumenta la resistencia de un objeto que se mueve a través del agua y requiere más esfuerzo para la propulsión en el agua en relación con la velocidad del movimiento.

Fenómenos físicos de interés para los buceadores

Gráfico que muestra una termoclina del océano tropical (profundidad frente a temperatura)

Los fenómenos físicos que se encuentran en grandes masas de agua que pueden tener una influencia práctica en los buceadores incluyen:

• Efectos del clima como el viento , que causa olas y cambios de temperatura y presión atmosférica sobre y en el agua. Incluso los vientos moderadamente fuertes pueden impedir el buceo debido al mayor riesgo de perderse en el mar o lesionarse. Las bajas temperaturas del agua hacen necesario que los buzos usen trajes de buceo y pueden causar problemas como la congelación de los reguladores de buceo . ^{[3] [4]}
• Haloclinas o gradientes de salinidad verticales fuertes . Por ejemplo, cuando el agua dulce ingresa al mar, el agua dulce flota sobre el agua salina más densa y es posible que no se mezcle de inmediato. A veces, los efectos visuales, como el brillo y el reflejo, se producen en el límite entre las capas, porque los índices de refracción difieren. ^[3]
• Las corrientes oceánicas pueden transportar agua a lo largo de miles de kilómetros y pueden traer agua con diferente temperatura y salinidad a una región. Algunas corrientes oceánicas tienen un efecto enorme en el clima local, por ejemplo, el agua cálida de la deriva del Atlántico Norte modera el clima de la costa noroeste de Europa. La velocidad del movimiento del agua puede afectar la planificación y la seguridad de la inmersión. ^{[3] [4]}
• Termoclinas o cambios bruscos de temperatura. Donde la temperatura del aire es más alta que la temperatura del agua, el aire y la luz solar pueden calentar el agua poco profunda, pero el agua más profunda permanece fría, lo que provoca una disminución de la temperatura a medida que el buceador desciende. Este cambio de temperatura puede concentrarse en un pequeño intervalo vertical, cuando se le llama termoclina. ^{[3] [4]}
• Donde el agua fría y dulce entra en un mar más cálido, el agua dulce puede flotar sobre el agua salina más densa, por lo que la temperatura aumenta a medida que el buceador desciende. ^[3]
• En los lagos expuestos a la actividad geotérmica, la temperatura del agua más profunda puede ser más cálida que la del agua superficial. Esto generalmente dará lugar a corrientes de convección. ^[3]
• El agua a temperaturas cercanas al punto de congelación es menos densa que el agua ligeramente más cálida (la densidad máxima del agua es de aproximadamente 4 ° C), por lo que cuando está cerca del punto de congelación, el agua puede estar ligeramente más caliente en la profundidad que en la superficie. ^[3]
• Corrientes de marea y cambios en el nivel del mar provocados por las fuerzas gravitacionales y la rotación de la tierra . Algunos sitios de buceo solo se pueden bucear de manera segura en aguas tranquilas cuando el ciclo de la marea se invierte y la corriente disminuye. Las fuertes corrientes pueden causar problemas a los buceadores. El control de la flotabilidad puede resultar difícil cuando una corriente fuerte se encuentra con una superficie vertical. Los buzos consumen más gas respirable cuando nadan contra corrientes. Los buzos en la superficie pueden separarse de la cubierta de su bote por las corrientes. Por otro lado, el buceo a la deriva solo es posible cuando hay una corriente razonable. ^{[3] [4]}

Ver también

• Presión ambiental  : presión del medio circundante
• Presión atmosférica: presión  estática ejercida por el peso de la atmósfera.
• Flotabilidad  : fuerza ascendente que se opone al peso de un objeto sumergido en líquido
• Presión  : fuerza distribuida continuamente sobre un área

Referencias

1. Acott, C (1999). "Los buceadores" Law-ers ": Un breve resumen de sus vidas" . Revista de la Sociedad de Medicina Subacuática del Pacífico Sur . 29 . ISSN  0813-1988 . OCLC  16986801 . Consultado el 7 de julio de 2008 .
2. Larry "Harris" Taylor, Ph.D. "Práctico control de flotabilidad" . Universidad de Michigan . Consultado el 10 de octubre de 2008 .
3. Programa de buceo de la NOAA (EE. UU.) (28 de febrero de 2001). Joiner, James T. (ed.). Manual de buceo NOAA, Buceo para la ciencia y la tecnología (4ª ed.). Silver Spring, Maryland: Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, Oficina de Investigación Oceánica y Atmosférica, Programa Nacional de Investigación Submarina. ISBN  978-0-941332-70-5. CD-ROM preparado y distribuido por el Servicio Nacional de Información Técnica (NTIS) en asociación con NOAA y Best Publishing Company
4. Scully, Reg (abril de 2013). CMAS-ISA Three Star Diver Manual Teórico (1ª ed.). Pretoria: CMAS-Instructors Sudáfrica. ISBN 978-0-620-57025-1.
5. "Ley de Amonton" . Universidad de Purdue . Consultado el 8 de julio de 2008 .
6. "Ley de Henry" . Diccionario médico en línea . Consultado el 10 de octubre de 2008 .^{[ enlace muerto permanente ]}
7. "Ley de Snell" . scienceworld.wolfram . Consultado el 10 de octubre de 2008 .
8. "Presión" . Oracle ThinkQuest. Archivado desde el original el 12 de octubre de 2008 . Consultado el 10 de octubre de 2008 .
9. "La densidad y el buceador" . Buceo con Deep-Six . Consultado el 10 de octubre de 2008 .
10. "Conductividad térmica de algunos materiales comunes" . El Engineering Toolbax . Consultado el 10 de octubre de 2008 .
11. Nuckols ML, Giblo J, Wood-Putnam JL (15-18 de septiembre de 2008). "Características térmicas de las prendas de buceo cuando se utiliza argón como gas de inflado de trajes" . Actas de los océanos 08 Reunión de MTS / IEEE Quebec, Canadá . MTS / IEEE . Consultado el 2 de marzo de 2009 .
12. Eric Maiken. "Por qué Argon" . Autor . Consultado el 11 de abril de 2011 .
13. Luria SM, Kinney JA (marzo de 1970). "Visión submarina". Ciencia . 167 (3924): 1454–61. Código Bibliográfico : 1970Sci ... 167.1454L . doi : 10.1126 / science.167.3924.1454 . PMID 5415277 . 
14. Reproducido de J. Chem. Edu., 1993, 70 (8), 612. "Why is Water Blue" . Universidad de Dartmoth . Consultado el 10 de octubre de 2008 .
15. "Aproximaciones de compresibilidad y gas ideal" . UNC-Chapel Hill . Consultado el 10 de octubre de 2008 .
16. Dougherty, RL; Franzini, JB (1977). Mecánica de fluidos con aplicaciones de ingeniería (7ª ed.). Kogakusha: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-085144-3.