Física del buceo

¿Qué ocurre cuando algo se sumerge en el agua? ¿Cómo afecta la salinidad del agua a mis niveles de plomo? ¿Cómo se comportan los gases bajo el agua?

Nos gustaría aplicar aquí algunos fundamentos físicos a las cosas que podríamos encontrar bajo el agua. La mayor parte de esto se explica en la especialidad de Ciencia del Buceo SSI, que puede complementar con nuestros ejemplos de aplicación.

¿Cuánto pesa un ancla?

¡Eureka! Lo que una bañera revela sobre el buceo

Se dice que a Arquímedes -ese viejo griego de la geometría, el de pi- se le encomendó una vez una difícil tarea. Debía averiguar si una corona era de oro auténtico o una falsificación de un material más barato.

En busca de una solución, el anciano se dio primero un baño. En el proceso, pensó en por qué el agua se desborda cuando se sienta en ella, y descubrió el «principio de Arquímedes» que aún se conoce hoy en día.
Tras este descubrimiento, se dice que corrió desnudo por el barrio gritando «Eureka».

¿Qué es el principio de Arquímedes?

La flotabilidad estática de un cuerpo en un medio es tan grande como la fuerza del peso del medio desplazado por el cuerpo.

Es decir: todo es más fácil bajo el agua. El agua que desplazamos nos mantiene en pie. Tenemos que ejercer tanta fuerza, es decir, llevar tanto peso con nosotros como pesa el agua que desplazamos. Por eso hay tanto plomo, y por eso somos ingrávidos bajo el agua: los humanos somos 80% agua.

Los pulmones. Imagen: Wikipedia

¿Qué tiene que ver eso con mi ancla ahora?

Un ancla de este tipo en el fondo del mar es bastante estable: De metal, pesada y compacta, tiene mucha capacidad. Cualquiera que haya fondeado alguna vez un barco sabe lo pequeñas que son en comparación con la embarcación, y que las anclas de los grandes barcos son bastante más grandes que las que se utilizan para amarrar una Zodiac.

Las anclas en el sector de las embarcaciones de recreo pesan entre 2 y 60 kg: se recomiendan 10 kg para una embarcación neumática de 7,5 m, mientras que un velero de 18 m debe llevar al menos 24 kg. Lo dice con más precisión aquí.

Sin embargo, no se puede pesar un ancla en tierra para saber cuál es su fuerza descendente. Al peso del ancla hay que restarle el peso del agua que desplaza, por lo que hay que conocer su volumen.

Los anclajes se fabrican con metales pesados, por ejemplo, el acero. El acero tiene un peso específico de 7,85g, es decir, algo menos de 8g por cm³, casi 8kg por litro. Así que un ancla de 24 kg también desplaza unos 3l de agua, por lo que sólo tiene unos 21l de fuerza descendente.

Para llevar este ancla a la superficie, necesitamos equilibrar la fuerza descendente (¡no el peso!). Tenemos que llenar 21l en una bolsa de elevación para equilibrar la fuerza descendente y levantar el ancla.

Que lo hagamos en agua salada o dulce es sólo un problema teórico. Eso viene en la siguiente sección…

Al bucear: Flotabilidad

Al bucear, inicialmente se ajusta la masa a través del plomo, y luego el volumen a través de los gases.

Objetivo: ser exactamente tan pesado como el agua que desplaza – entonces está tarado neutralmente.

Sin embargo, lo que parece tan sencillo tiene algunos escollos: Elegir la cantidad de plomo adecuada en cada momento no es tan fácil. Aunque bucees con tu propio equipo y sepas cuánto plomo necesitas en una determinada masa de agua, tendrás que ajustar la cantidad en otros lugares del mundo. ¿Por qué? Por un lado, porque el agua tiene un contenido de sal diferente, y por otro, porque las botellas tienen pesos diferentes.

Principio de Arquímedes - Gráfico: SSI

Influencia del agua dulce y salada

 

Los mares y océanos de todo el mundo contienen cantidades relevantes de sal, a diferencia de los lagos interiores. Sin embargo, la cantidad exacta puede variar mucho.

El gráfico muestra la salinidad aproximada de una región. Lo que llama la atención aquí es lo bajo que está en las aguas del Ártico: la razón es el deshielo de la capa de hielo que aporta agua dulce. Cuanto más se derrita el hielo, más claramente cambiará la salinidad del agua, con consecuencias que aún no son previsibles.

Alrededor del ecuador, la salinidad es significativamente mayor, alcanzando los niveles más altos del mundo en mares interiores como el Mediterráneo o el Mar Rojo. La razón es el mayor calor: el agua se evapora y la sal permanece.

En los puntos en los que grandes cantidades de agua dulce de los ríos llegan a los océanos, este patrón se interrumpe y se puede medir una salinidad significativamente menor.

Sin embargo, sólo con el contenido de sal no está claro cuánto pesa cada litro de agua: Al fin y al cabo, la sal disuelta también ocupa un poco de espacio. Para saber esto con un poco más de precisión, veamos qué densidad tiene el agua salada con diferentes salinidades a diferentes temperaturas. El agua dulce tiene la mayor densidad a 4 grados centígrados, el agua salada a temperaturas algo más bajas dependiendo del contenido de sal.
En el gráfico, puedes leer la salinidad a la derecha, luego seguir la línea hasta tener la temperatura del agua en el fondo donde vas a bucear – y luego leer la densidad a la izquierda.
Por ejemplo: cuando se bucea en las Islas Canarias, el agua contiene unos 35g de sal por litro. El agua está a unos 20 grados, la línea aquí señala una densidad de 1025 kg/m³, es decir, 1,025 kg/l – esto significa que por cada litro de volumen se necesitan 25g más de plomo que en el agua dulce.

Salinidad de la superficie del mar

El quid de la cuestión con las botellas

 

Se podría pensar que, una vez resuelta la cuestión de la sal, sería fácil calcular el plomo que se necesitaría en un nuevo punto. Puedes – si no usas también una botella diferente a la habitual.

Mientras que las botellas de acero son más populares en las regiones en las que se bucea en aguas relativamente frías, las de aluminio se encuentran principalmente en las zonas de buceo tropicales. ¿Por qué?

Las botellas de acero tienen fuerza descendente bajo el agua, incluso cuando están vacías. Las botellas de aluminio, en cambio, son más o menos neutras; cuando están vacías, tienen flotabilidad. Si se bucea con trajes gruesos y se necesita mucho plomo, tiene sentido obtener parte de la fuerza descendente de los tanques. Por otro lado, en trajes finos o lycras, una botella de acero puede ser simplemente demasiado peso, el aluminio es mejor para el buceo (y requiere menos mantenimiento…).

Y luego, con las botellas, no se trata sólo de lo que les ocurre bajo el agua, su peso en tierra también es interesante. Las botellas de aluminio tienen paredes mucho más gruesas que las de acero y son, por término medio, un poco más pesadas en tierra, aunque tienen menos fuerza descendente en el agua. Así que hay que cargar con el mayor peso de la botella más el plomo adicional en tierra – nadie lo hace voluntariamente.

Botellas de aluminio frente a botellas de acero - Gráfico: SSI

¿Qué ocurre con los gases bajo el agua?

Boyle y la ecuación general de los gases

Justo al principio del curso OWD, a veces incluso durante la inmersión introductoria, se habla de Boyle: Presión, volumen, densidad. En resumen, el volumen de gas y la presión tienen una relación inversamente proporcional. Cuando la presión aumenta, el volumen disminuye. Y si la presión cae, el volumen vuelve a aumentar. La densidad del gas es proporcional a la presión, el mismo gas presionado en un volumen más pequeño es, por supuesto, más denso.

En principio, esto es suficiente para casi todo lo que necesitas saber sobre el buceo. Pero sólo estaría completo si se estudiaran también algunos componentes más.

Como ocurre muy a menudo en la física, las cantidades que nos interesan también pueden ponerse en un contexto sencillo. A esta relación la llamamos «ecuación de los gases ideales». Como todos los modelos, no es perfecto y funciona con algunas simplificaciones. Considera que los gases que respiramos son gases «ideales» en los que las partículas del gas no se atraen ni se repelen, y en los que estas partículas no ocupan ningún espacio. Por supuesto, esto no es del todo correcto para un gas real, pero sin embargo esta ecuación da resultados lo suficientemente precisos para una larga y feliz vida de buceo.

Si observamos esta ecuación a continuación, reconocemos en el lado izquierdo las cantidades ya conocidas de la ley de Boyle. En el lado derecho, sin embargo, está ahora la temperatura T, una constante R, que se conoce por los experimentos y que representa la proporcionalidad de las cantidades individuales, y la llamada cantidad de sustancia n. Los físicos y químicos miden esta cantidad de sustancia en la unidad «mol», y un mol corresponde al enorme número de 602 cuatrillones de partículas individuales de gas.

Lo maravillosamente sencillo de esta ecuación, sin embargo, es que en muchos casos -y también en el caso del globo cuyo volumen a diferentes presiones ambientales estamos viendo en la ilustración de esta página- ni la temperatura ni el número de partículas cambian apreciablemente. Y si esto es así, entonces por supuesto vemos inmediatamente que según la ecuación de los gases ideales, el producto de la presión p y el volumen V también es constante en general. Esta ecuación contiene, por tanto, la ley de Boyle, por así decirlo, pero al mismo tiempo permite considerar los casos en los que la temperatura y la cantidad de sustancia también cambian con el tiempo. Y eso es muy valioso para nosotros cuando buceamos, porque después de todo, el agua no tiene siempre la misma temperatura, ¡ni queremos dejar el hermoso gas respirable en nuestros tanques para siempre!

 

Boyle - Imagen: SSI

Ecuación general de los gases

p x V = n x R x T

p: Presión

V: Volumen

n: Cantidad de sustancia

R: Constante de los gases ideales 8,314 J / (mol x K)

T: Temperatura en Kelvin

¿Qué importancia tiene la temperatura?

 

Para la mayoría de las preguntas que tienen que ver con los gases bajo el agua, podemos dejar la temperatura fuera de la ecuación. Pero si alguna vez se ha preguntado por qué la Fini se muestra de repente menos después de entrar en el agua, ya se ha familiarizado con otro concepto físico: la ley de Gay-Lussac.

(pxV)/T=constante

Cuando los gases se calientan, se expanden. Cuando están en un recipiente cerrado -por ejemplo, en una botella de buceo- no pueden expandirse, sino que la presión aumenta.

¿Qué pasa cuando te tiras al agua fría?

Digamos que el aire está a 20 grados, el agua sólo a 10. Tengo 200 bar en la botella.

Solución

El volumen de la botella no cambia, puedes dejarla fuera.

Necesitas la temperatura en Kelvin: tienes que calcular a partir del cero absoluto, 0 grados Celsius son unos 273 Kelvin. 10 grados Celsius serían 283, 20 grados entonces 293 Kelvin.

200 bar/293K= x bar/283K

200bar/293Kx283K=193bar

¿Cuándo se calienta peligrosamente la botella?

Digamos que ponemos al sol una botella de acero homologada para 232 bares de presión de funcionamiento (y probada a más de 300 bares).

Si tiene 200 bares a 20 grados de temperatura ambiente, ¿a qué temperatura alcanza 232 bares?

Solución

Recordamos: p1/T1=p2/T2

Temperatura: en Kelvin, 20 grados Celsius – 293 Kelvin

En resumen, esto se convierte
p2xT1/p1=T2

232barx293K/200bar=339,8K – 66,8 grados Celsius

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