La física del buceo

Rhett Allain

Solía ​​bucear mucho más de lo que debería. Prácticamente hice de todo: inmersiones en aguas abiertas, inmersiones técnicas, pesca submarina y buceo en cuevas. Es un deporte divertido que te permite ver algunas cosas increíbles, pero también hay toneladas de ciencia que se involucran en el proceso de poner a un humano bajo el agua de manera segura. Entonces, descubramos lo que el buceo nos puede enseñar sobre la física.

Quizás lo primero en lo que piensa un buceador cuando se trata de presión es en la presión de la botella. Los tanques de buceo contienen mucho aire en un volumen relativamente pequeño, y la única forma de hacerlo es comprimir el aire, produciendo alta presión. Un buzo puede determinar la cantidad de aire que queda en un tanque usando un manómetro. Por lo general, un tanque lleno tiene una presión de 3000 libras por pulgada cuadrada (psi). Si llega a menos de 200 psi, debería estar fuera del agua.

El aire normal, el material que cubre la Tierra, está compuesto principalmente de moléculas de nitrógeno, que constituyen aproximadamente el 79 por ciento. El resto es oxígeno, alrededor del 21 por ciento. Podemos imaginar que estas moléculas son como bolas súper diminutas que se mueven a diferentes velocidades y en diferentes direcciones. Si este gas estuviera en un recipiente, algunas de las moléculas chocarían con la pared, rebotarían y cambiarían de dirección. Este cambio de movimiento significa que cada molécula ejerce una pequeña fuerza sobre la pared. (Una pared o contenedor más grande experimentará más colisiones y una mayor fuerza general).

Una manera de describir el movimiento de las moléculas de gas es pensar en la fuerza por unidad de área. Esta es la presión del gas:

Si mide la fuerza en libras y el área en pulgadas cuadradas, obtiene la presión en libras por pulgada cuadrada o psi. Esa es la unidad más común para la presión del tanque en los Estados Unidos.

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Otra unidad es la barra, donde 1 barra equivale a 14,5 psi. El valor de 1 bar está muy cerca de la presión del aire en la Tierra. La presión atmosférica del aire que te rodea en este momento es probablemente de 14,5 psi. (Sí, dije "probablemente" porque no quiero juzgarte. Tal vez estés leyendo esto desde la cima del monte Everest, donde la presión es de solo 4,9 psi, porque hay menos aire sobre ti empujando hacia abajo. Si es así , envíame una foto.) En términos de fuerza y ​​área, es igual a 100,000 newtons por metro cuadrado.

El agua también está compuesta de pequeñas moléculas en movimiento que actúan como pelotas, y esas moléculas chocan con objetos bajo el agua (como las personas), produciendo presión. El agua tiene muchas más moléculas que el mismo volumen de aire, lo que significa que hay más colisiones para producir una mayor presión. Pero al igual que ir a la cima del Monte Everest disminuye la presión del aire, sumergirse más profundamente en el agua aumenta la presión, porque la gravedad tira hacia abajo de las moléculas de agua. Por cada 10 metros de profundidad, la presión aumenta 1 bar o 14,5 psi. Eso significa que en una inmersión de 20 metros (alrededor de 60 pies) por debajo del nivel del mar, habría una presión de agua de 43,5 psi, tres veces mayor que la presión del aire en la superficie de la Tierra.

(El hecho de que la presión aumenta con la profundidad evita que toda el agua del océano se colapse en una capa infinitamente delgada. Dado que la presión es mayor cuanto más profundo se desciende, el agua debajo empuja hacia arriba más que el agua sobre ella empuja hacia abajo. Esta diferencia compensa la fuerza gravitatoria hacia abajo, por lo que el nivel del agua se mantiene constante).

Puede parecer que 43,5 psi es demasiado para que una persona lo maneje, pero en realidad no es tan malo. Los cuerpos humanos son muy adaptables a los cambios de presión. Si ha estado en el fondo de una piscina, ya conoce la respuesta a este problema de presión: sus oídos. Si la presión del agua en el exterior de su tímpano es mayor que la presión del aire dentro de su oído interno, la membrana se estirará y puede doler mucho. Pero hay un buen truco para arreglar esto: si empuja aire hacia la cavidad del oído medio apretando la nariz mientras intenta expulsar el aire, el aire será forzado a entrar en esta cavidad. Con más aire en el oído interno, la presión en ambos lados de la membrana será igual y se sentirá normal. Esto se llama "ecualización", por razones obviamente obvias.

En realidad, hay otro espacio de aire que debes igualar mientras buceas: el interior de tu máscara de buceo. No olvides agregarle aire a medida que profundices, o esa cosa te aplastará la cara de manera incómoda.

Hay otro error de física que podría cometer un buceador. Es posible crear un espacio de aire cerrado en los pulmones al contener la respiración. Suponga que contiene la respiración a una profundidad de 20 metros y luego sube a una profundidad de 10 metros. La presión dentro de sus pulmones permanecerá igual durante este ascenso, porque tiene el mismo volumen pulmonar y contienen la misma cantidad de aire. Sin embargo, la presión del agua fuera de ellos disminuirá. La presión externa reducida en sus pulmones hace que parezca que están demasiado inflados. Esto puede causar desgarros en el tejido pulmonar, o incluso forzar la entrada de aire en el torrente sanguíneo, lo que oficialmente es algo malo.

Hay otro problema con el que lidiar cuando estás bajo el agua: flotar y hundirse. Si desea permanecer bajo el agua, es útil hundirse en lugar de flotar, hasta cierto punto. No creo que nadie quiera hundirse a tal profundidad que nunca regrese. Además, es bueno poder flotar cuando estás en la superficie. Afortunadamente, los buceadores pueden cambiar su "flotación" para diferentes situaciones. Esto se llama control de flotabilidad.

Las cosas se hunden cuando la fuerza gravitatoria que tira hacia abajo es mayor que la fuerza de flotación que empuja hacia arriba. Si estas dos fuerzas son iguales, entonces el objeto será neutralmente flotante y no subirá ni se hundirá. Es como flotar, pero en el agua, y es esencialmente lo que quieres hacer cuando buceas.

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El agua en realidad tiene flotabilidad neutra. ¡Sí, el agua flota! Supón que tienes un volumen cúbico de agua de 1 metro de lado, y está en medio de más agua. Sabemos que esta agua se quedará allí, lo que significa que la fuerza de flotación hacia arriba y la fuerza de gravedad hacia abajo deben ser iguales.

Ahora reemplaza ese metro cúbico de agua con una roca de la misma forma y tamaño. Dado que la fuerza de flotabilidad se debe a la interacción entre el objeto y el agua que lo rodea, esta roca tendrá la misma flotabilidad que el cubo de agua. Sin embargo, dado que tiene una masa (y por lo tanto un peso) mayor que el agua, la fuerza total sobre él será hacia abajo y se hundirá.

Podemos expandir esto a cualquier objeto genérico para decir que la fuerza de flotación sobre algo es igual al peso del agua que desplaza (algún volumen V). Es útil pensar en la masa por unidad de volumen de agua. A esto lo llamamos la densidad. (A los físicos les gusta el símbolo ρ para la densidad).

Dado que el peso del agua desplazada depende de la densidad del agua (ρw) y del campo gravitatorio (g), obtenemos la siguiente expresión para la flotabilidad:

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El peso de un objeto también depende de la densidad. Si la densidad de ese objeto es menor que el agua, entonces la fuerza de flotación será mayor que su propio peso y flotará. La mayor parte de la madera tiene una densidad inferior a la del agua, por lo que flota. Un bote de metal puede flotar porque no es de metal sólido: el aire del interior hace que su densidad sea menor que la del agua. Además, pueden flotar rocas muy pequeñas, una gran salsa y sidra. (Si no conoce esa cita, no lo juzgaré). Por otro lado, un clavo de hierro tiene una densidad mayor que la del agua, por lo que se hundirá.

Pero ahora tenemos una idea de cómo un buceador puede controlar la flotabilidad. Si aumenta su volumen (y su masa permanece igual), entonces su densidad disminuirá. Esto aumentará tu fuerza de flotabilidad y te elevarás. Disminuir su volumen disminuirá su fuerza de flotación y se hundirá. De hecho, puedes cambiar tu volumen bajo el agua simplemente respirando. Inhalar desde un regulador de buceo hará que tus pulmones se expandan, lo que aumenta tu volumen y tu flotabilidad. Exhalar hace lo contrario.

Los buceadores también usan un dispositivo exterior para cambiar su volumen. Es básicamente una bolsa inflable que llevas en la espalda llamada (como era de esperar) dispositivo de control de flotabilidad. Se conecta a un tanque de buceo para que pueda agregar o quitar aire para cambiar su flotabilidad.

Cuando el aire tiene una temperatura de 72 grados Fahrenheit, se siente muy bien. Pero, ¿alguna vez has estado en agua a la misma temperatura? Oh chico, esa cosa se siente súper fría. Realmente, la diferencia no es la temperatura, sino qué tan rápido se transfiere la energía térmica de su cuerpo a otra cosa. Eso se llama conductividad térmica, o la velocidad a la que la energía térmica puede transferirse entre dos objetos. (En este caso, de tu cuerpo al agua más fría).

Aquí hay otro ejemplo: suponga que tiene un bloque de madera y un bloque de metal a temperatura ambiente; no están expuestos a la luz directa del sol ni sobre un calentador. Si toca ambos bloques, la madera se sentirá más caliente que el metal, aunque en realidad estén a la misma temperatura. Esto se debe a que el metal tiene una conductividad térmica más alta que la madera. La mano que toca el metal disminuirá en energía térmica más rápido, haciendo que uno se sienta más frío.

Lo mismo sucede exactamente con el buceo. Dado que el agua es un conductor térmico mucho mejor que el aire, la velocidad a la que la energía térmica se mueve desde su cuerpo, que casi siempre está más caliente que el agua, hacia el agua es más rápida que el mismo proceso en el aire. De hecho, puede perder energía tan rápido que es muy posible que disminuya la temperatura central de su cuerpo, lo que puede causar problemas como la pérdida de la función muscular e incluso insuficiencia respiratoria y cardíaca.

La solución más común a este problema del agua es usar un traje de neopreno, que suele estar hecho de un material como el neopreno con una conductividad térmica muy baja. Esto disminuye la velocidad a la que el cuerpo humano pierde energía térmica. Se llama traje de neopreno porque todavía te mojas: el agua exterior queda atrapada entre tu piel y el traje ajustado, y tu cuerpo lo calienta.

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Si no le gusta estar expuesto al agua, puede obtener un traje seco, que tiene sellos herméticos en las muñecas y el cuello, y botas incorporadas, para que el agua no entre en absoluto. (Está bien, tal vez solo unas pocas fugas pequeñas). Sin embargo, esto agrega una tarea adicional para el buceador. A medida que desciende a mayores presiones de agua, el volumen del aire dentro del traje disminuirá, provocando un efecto de "envoltura retráctil" en el cuerpo, de modo que no haya espacio dentro del traje para doblar los brazos y las piernas. Puede solucionar esto agregando aire al traje a mayor profundidad, pero también debe dejar salir ese aire cuando regrese a la superficie.

He estado en algunas inmersiones en aguas turbias donde realmente no pude ver mucho. Alerta de spoiler: no fue muy divertido. El objetivo del buceo es ver cosas interesantes bajo el agua. Pero incluso en agua clara, necesitas una máscara para poder ver realmente cualquier cosa. La máscara crea un espacio de aire entre tus ojos y el agua, que es lo que necesitan para enfocar correctamente. Así es como funciona el cristalino de tu ojo cuando estás en tierra, como se supone que deben ser los humanos, en comparación con lo que sucede en el agua:

Una lente desvía la luz según su forma, así como la diferencia en la velocidad de la luz tanto en el material de la lente como fuera de ella. (Podemos describir la velocidad de la luz en un material con el índice de refracción). La velocidad de la luz en el agua es solo el 66,7 por ciento de la velocidad de la luz en el aire. Eso es un problema, ya que hace que el cristalino del ojo sea menos capaz de desviar la luz para enfocarla en la retina. El resultado es una visión borrosa.

Cuando te pones una máscara, una vez más tienes aire frente a tus ojos, lo que permite que tu lente desvíe la luz en la cantidad adecuada. Pero la luz aún viaja a través del agua a una velocidad más lenta que a través del aire. Cuando la luz pasa de un medio (como el agua) a otro medio (como el aire), el camino de la luz se tuerce. Llamamos a esto refracción, y puede hacer que las cosas bajo el agua parezcan más cercanas de lo que realmente son.

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¿Cómo funciona esto? Es importante recordar que vemos cosas porque la luz se refleja en los objetos y luego en nuestros ojos. Tome el ejemplo de un pez que ve en su viaje de buceo. Los rayos de luz rebotan en los peces, viajan a través del agua y luego al aire dentro de la máscara de buceo. Debido a la diferencia en el índice de refracción entre el aire y el agua, los rayos de luz se desvían. Pero nuestros ojos y nuestro cerebro no saben que la luz cambió de dirección. Simplemente asumen que viajó en línea recta, como lo hace en el aire. Esto hace que parezca que la luz proviene de un lugar que está más cerca de donde está realmente el pez.

Este diagrama debería ayudar:

Hay otro problema con ver peces (y especialmente corales) bajo el agua: el color. Aunque nos gusta pensar que el agua es transparente, es solo un poco transparente. Si tiene agua pura, la luz visible será absorbida a medida que viaja a través de ella. Después de 300 metros, esencialmente no quedará nada de la luz. Eso significa que incluso en el agua más clara, estaría tan oscuro como la noche a una profundidad de 300 metros. (De todos modos, no deberías bucear tan profundo).

La absorción de la luz no es la misma para todos los colores. Casi toda la luz roja será absorbida después de solo 5 metros de agua. A medida que profundices, solo verás una luz que es más azul que roja. Sin luz roja, las cosas rojas, incluidos los peces y los corales, parecerán gris oscuro.

Pero puedes solucionar este problema con un simple truco: trae una linterna. La luz de tu linterna no tiene que viajar tan lejos como la luz de la superficie antes de que se refleje en ese hermoso pez, por lo que aún puedes ver las partes rojas.

Recuerde que el aire normalmente es una mezcla de 79 por ciento de nitrógeno y 21 por ciento de oxígeno a una presión de 1 atmósfera (1 ATM). Pero debemos pensar en el oxígeno y el nitrógeno de manera diferente, ya que interactúan con el cuerpo de diferentes maneras. Podemos tratar con mezclas de gases utilizando la idea de "presión parcial". El aire a 1 ATM (con una mezcla de oxígeno y nitrógeno) es lo mismo que el oxígeno a una presión de 0,21 ATM (21 por ciento de la mezcla) y el nitrógeno a 0,79 ATM.

Veamos cómo estos dos gases impactan en el cuerpo. Voy a comenzar con la presión parcial de oxígeno, que a menudo llamamos simplemente PPO2. La gente necesita oxígeno, pero ni muy poco ni demasiado. Digamos que estás viajando en un avión a gran altura, donde la presión del aire es más baja. Si llega a una PPO2 por debajo de 0.17, simplemente no hay suficiente oxígeno para que su cerebro funcione. No podrá pensar con claridad e incluso podría desmayarse. (Esta es la razón por la cual los aviones a gran altura tienen cabinas presurizadas; si no las tienen, las personas deben usar máscaras de oxígeno suplementarias. También es la razón por la cual los asistentes de vuelo en un avión comercial revisan los procedimientos de seguridad en caso de una disminución en la presión de la cabina. )

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Pero bajo el agua, es probable que el problema sea demasiada presión. Si la presión parcial de oxígeno ronda los 1,6 ATM, puede provocar convulsiones en las personas.

¿Cómo se obtiene una PPO2 tan alta? Considera el siguiente caso: tienes un tanque con oxígeno puro (y sin nitrógeno) y te sumerges a una profundidad de 10 metros. Para respirar realmente con un regulador de buceo, la presión suministrada a sus pulmones debe ser igual a la presión ambiental, o no podría inhalar. Eso significa que el oxígeno puro estará a 2 ATM. (Recuerde, obtiene 1 ATM de presión por cada 10 metros de profundidad). Respirar esto produciría una PPO2 de 2,0, que es mayor que 1,6 ATM. Entonces, no hagas eso.

Esta es la razón por la que los buceadores no usan oxígeno puro y, en cambio, usan aire normal que tiene solo un 21 por ciento de oxígeno. Su PPO2 a esa misma profundidad sería de 0,42 ATM, lo que probablemente no cause problemas. Además, es mucho más fácil simplemente bombear aire normal a los tanques. El uso de otras mezclas implica cosas complicadas como las compresiones y el tipo de tanques de oxígeno que se ven en los hospitales.

Ahora suponga que pone una mezcla personalizada de gasolina en su tanque. ¿Qué tal un 40 por ciento de oxígeno y un 60 por ciento de nitrógeno? (Nota: esto es algo real, se llama Nitrox). Esto aumenta la proporción de oxígeno a nitrógeno, por encima de lo que hay en el aire. Si respiras este gas a una profundidad de 20 metros, que son 3 ATM, el oxígeno estaría en una PPO2 de 0,4 × 3 ATM, que equivale a 1,2 ATM. Esto se está acercando a un PPM de 1,6 ATM, por lo que tal vez no debería profundizar más que eso con esta mezcla de gases.

¿Cuál es la ventaja de agregar oxígeno adicional a su tanque si no puede profundizar tanto? La respuesta es que al aumentar el oxígeno disminuye el nitrógeno. Aunque su cuerpo no usa gas nitrógeno, sus tejidos lo absorben. Cuando vas a presiones más bajas (como cuando subes a la superficie), este nitrógeno sale de tus tejidos, lo que se llama desgasificación. Si sale demasiado nitrógeno demasiado rápido, se formarán burbujas que entrarán en la sangre y causarán problemas médicos graves. Esto se conoce comúnmente como enfermedad por descompresión, o las curvas. Usar menos nitrógeno significará que sus tejidos absorberán menos, lo que le dará una menor probabilidad de enfermedad por descompresión.

También puede prevenir la enfermedad por descompresión moviéndose muy lentamente a profundidades menores. Para las inmersiones recreativas, el objetivo es absorber solo una cantidad de nitrógeno que se pueda desgasificar de manera segura en el tiempo que lleva nadar de regreso a la superficie.

El cálculo real del tiempo que puede permanecer a cierta profundidad es complicado y se basa en estimaciones aproximadas sobre el cuerpo humano promedio. Esta es la razón por la que la mayoría de los buceadores modernos utilizan pequeños ordenadores de buceo que calculan constantemente el tiempo que les queda en función de la profundidad y el tiempo.

Esa no es suficiente física para que puedas bucear, pero es suficiente para darte una idea de lo que está sucediendo. Si desea probarlo, un instructor de buceo en una tienda de buceo puede ayudarlo a aprender el resto. Solo recuerda traer tu linterna.