La física del buceo , o física del buceo submarino , son los aspectos básicos de la física que describen los efectos del entorno submarino sobre el buceador y su equipo, y los efectos de mezclar, comprimir y almacenar mezclas de gases respirables y suministrarlas para su uso a presión ambiental. Estos efectos son principalmente consecuencias de la inmersión en agua, la presión hidrostática de la profundidad y los efectos de la presión y la temperatura sobre los gases respirables. Una comprensión de la física subyacente es útil al considerar los efectos fisiológicos del buceo, la planificación y gestión de los gases respirables, el control de la flotabilidad y el equilibrio del buceador , y los peligros y riesgos del buceo .
Los cambios en la densidad del gas respirable afectan la capacidad del buzo para respirar eficazmente, y las variaciones en la presión parcial de los componentes del gas respirable tienen efectos profundos en la salud y la capacidad del buzo para funcionar bajo el agua.
Las principales leyes de la física que describen la influencia del entorno de buceo submarino en el buceador y el equipo de buceo incluyen:
Principio de Arquímedes ( Flotabilidad ): ignorando el efecto menor de la tensión superficial, un objeto, total o parcialmente sumergido en un fluido, es impulsado hacia arriba por una fuerza igual al peso del fluido desplazado por el objeto. Por lo tanto, cuando está en el agua, el peso del volumen de agua desplazado en comparación con el peso del cuerpo del buceador y el equipo del buceador, determina si el buceador flota o se hunde. [1] [2] El control de la flotabilidad, y ser capaz de mantener la flotabilidad neutra en particular, es una habilidad de seguridad importante. El buceador debe comprender la flotabilidad para operar de manera efectiva y segura trajes secos , compensadores de flotabilidad , sistemas de lastre para buceo y bolsas elevadoras . [3]
El concepto de presión como fuerza distribuida sobre el área y la variación de la presión con la profundidad de inmersión son fundamentales para la comprensión de la fisiología del buceo , en particular la fisiología de la descompresión y del barotrauma .
La presión absoluta de un buceador es la suma de la presión atmosférica local y la presión hidrostática . [4] [5] La presión hidrostática es el componente de la presión ambiental debido al peso de la columna de agua sobre la profundidad, y comúnmente se describe en términos de metros o pies de agua de mar .
Las presiones parciales de los gases que componen una mezcla de gases respirables controlan la velocidad de difusión hacia dentro y hacia fuera de la sangre en los pulmones y su concentración en la sangre arterial, y la concentración de gases en sangre afecta sus efectos fisiológicos en los tejidos corporales. Los cálculos de presión parcial se utilizan en la mezcla y el análisis de gases respirables.
Una clase de peligros del buceo, comúnmente conocidos como peligros delta-P, son causados por una diferencia de presión distinta a la presión ambiental. Esta diferencia de presión provoca un flujo que puede arrastrar al buceador y llevarlo a lugares donde podría sufrir lesiones, como la entrada de un propulsor marino o una compuerta.
Las ecuaciones de estado de los gases , que pueden expresarse en combinación como la ley combinada de los gases o la ley de los gases ideales dentro del rango de presiones que normalmente encuentran los buceadores, o como las leyes de los gases expresadas tradicionalmente que relacionan las relaciones entre dos propiedades cuando las otras se mantienen constantes, se utilizan para calcular variaciones de presión, volumen y temperatura, como: la ley de Boyle , que describe el cambio de volumen con un cambio de presión a una temperatura constante. [1] Por ejemplo, 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 en el agua. Del mismo modo, el volumen de gas en dichos recipientes no rígidos aumenta durante el ascenso. Los cambios en el volumen de gases en el buceador y en su equipo 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 respirado por un buceador aumenta con la presión y la profundidad. [5] La ley de Charles , que describe el cambio de volumen con un cambio de temperatura a una presión fija, la segunda ley de Gay-Lussac , que describe el cambio de presión con un cambio de temperatura para un volumen fijo (originalmente descrita por Guillaume Amontons , y a veces llamada ley de Amontons). Esto explica por qué un buceador que entra en agua fría con un cilindro de buceo tibio, por ejemplo después de un llenado rápido reciente, descubre 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 en el cilindro se enfría. [6] [3]
En mezclas de gases respirables, la concentración de los componentes individuales de la mezcla de gases es proporcional a sus presiones parciales y fracción volumétrica de gas . [1] La fracción de gas es constante para los componentes de una mezcla, pero la presión parcial cambia en proporción a los cambios en la presión total. La presión parcial es una medida útil para expresar límites para evitar la narcosis por nitrógeno y la toxicidad por oxígeno . [5] La ley de Dalton describe la combinación de presiones parciales para formar la presión total de la mezcla.
Los gases son muy compresibles, pero los líquidos son casi incompresibles. Los espacios de gas en el cuerpo del buceador y el gas contenido en un equipo flexible se contraen cuando el buceador desciende y se expanden cuando asciende. [7] [5] Cuando se les impide la libre expansión y contracción, los gases ejercerán una presión desequilibrada sobre las paredes de su contención, lo que puede causar daños o lesiones si es excesivo.
La ley de Henry describe cómo a medida que aumenta la presión aumenta la cantidad de gas que se puede disolver en los tejidos del cuerpo. [8] Este efecto está involucrado en la narcosis por nitrógeno , la toxicidad del oxígeno y la enfermedad por descompresión . [5]
La concentración de gases disueltos en los tejidos corporales afecta a una serie de procesos fisiológicos y está influida por las tasas de difusión , la solubilidad de los componentes del gas respirable en los tejidos del cuerpo y la presión. Si se mantiene el tiempo suficiente bajo una presión específica, los tejidos se saturarán con los gases y no se absorberán más hasta que aumente la presión. Cuando la presión disminuye más rápido de lo que se puede eliminar el gas disuelto, la concentración aumenta y se produce una sobresaturación , y pueden crecer los núcleos de burbujas preexistentes. La formación y el crecimiento de las burbujas en la enfermedad por descompresión se ven afectados por la tensión superficial de las burbujas, así como por los cambios de presión y la sobresaturación.
La densidad del gas respirable es proporcional a la presión absoluta y afecta el rendimiento respiratorio de los reguladores y el trabajo respiratorio , que afectan la capacidad del buceador para trabajar y, en casos extremos, para respirar. La densidad del agua, del cuerpo del buceador y del equipo, determina el peso aparente del buceador en el agua y, por lo tanto, su flotabilidad , e influye en el uso de equipo de flotabilidad. [9] La densidad y la fuerza de la gravedad son los factores en la generación de presión hidrostática. Los buceadores utilizan materiales de alta densidad como el plomo para los sistemas de pesas de buceo y materiales de baja densidad como el aire en los compensadores de flotabilidad y las bolsas elevadoras . [5]
La viscosidad absoluta (dinámica) del agua es mayor (del orden de 100 veces) que la del aire. [10] Esto aumenta la resistencia de un objeto que se mueve a través del agua, y se requiere más esfuerzo para la propulsión en el agua que en el aire en relación con la velocidad de movimiento.
La conductividad térmica del agua es mayor que la del aire. [11] Como el agua conduce el calor 20 veces más que el aire y tiene una capacidad térmica mucho mayor, 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 provoque hipotermia , se utiliza un aislamiento térmico en forma de trajes de buceo o calefacción activa. Los gases utilizados en el buceo tienen conductividades térmicas muy diferentes; el heliox y, en menor medida, el trimix , conducen 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 buceadores técnicos que respiran gases que contienen helio pueden inflar sus trajes secos con argón. [12] [13] Algunos valores de conductividad térmica a 25 °C y presión atmosférica a nivel del mar: argón: 16 mW/m/K; aire: 26 mW/m/K; neopreno: 50 mW/m/K; fieltro de lana: 70 mW/m/K; helio: 142 mW/m/K; agua: 600 mW/m/K. [11]
La visión subacuática se ve afectada por el índice de refracción del agua, que es similar al de la córnea del ojo y que es aproximadamente un 30% mayor que el del aire. La ley de Snell describe el ángulo de refracción en relación con el ángulo de incidencia. [14] Esta similitud en el índice de refracción es la razón por la que un buceador no puede ver claramente bajo el agua sin una máscara de buceo con un espacio de aire interno. [3] La absorción de la luz depende de la longitud de onda, esto provoca la pérdida de color bajo el agua. [15] [16] El extremo rojo del espectro de la luz se absorbe en una distancia corta y se pierde incluso en aguas poco profundas. [15] Los buceadores utilizan luz artificial bajo el agua para revelar estos colores absorbidos. En aguas más profundas no penetra la luz de la superficie y es necesaria la iluminación artificial para ver. [5] La visión subacuática también se ve afectada por la turbidez, que causa dispersión, y los materiales disueltos que absorben la luz.
La acústica subacuática afecta la capacidad del buceador de escuchar a través de la capucha del traje de buceo o del casco y la capacidad de juzgar la dirección de una fuente de sonido.
Los fenómenos físicos que se encuentran en grandes masas de agua y que pueden tener una influencia práctica en los buceadores incluyen:
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