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MODULO 2: Física de la inmersión


"Cada ser de la especie humana ha pasado nueve meses en el vientre materno antes de nacer, bien protegido en el interior de un saco, el amnios, inmerso en el líquido amniótico, de unos 500-600 g al final de la gestación, compuesto de agua con albúmina, urea, sales de calcio, de potasio y de sodio, muy similar al agua del mar. Su origen todavía es discutido y su función consiste en proteger al feto de las presiones y los traumas. En general, el líquido amniótico se expulsa antes del parto, en el momento de la rotura de las membranas, cuando ocurre lo que se llama «romper aguas». Su coloración varía según el estadio de gestación, siendo hacia el final de un tono blanquecino. Aunque nuestros orígenes sean acuáticos, no es consecuente nuestra adaptación a este medio, en particular, si después del nacimiento transcurre demasiado tiempo antes de volver a nadar. Sumergirse en un mundo con características físicas y químicas tan distintas de la tierra firme sobre la que vivimos supone aprender cómo nuestro cuerpo se adapta al agua: 800 veces más densa que el aire, dispersa el calor 25 veces más deprisa, refracta la luz de manera diferente volviendo la visión subacuática distinta, e impide oír sonidos inteligibles, pues el sonido se propaga cuatro veces más rápido. Por ello, es indispensable estudiar algunas leyes físicas que expliquen, basándose en las características fisicoquímicas de la hidrosfera, por qué acontecen ciertos fenómenos. Las leyes de Arquímedes, Boyle-Mariotte y Dalton aclararán todo sobre los efectos del cuerpo inmerso en agua, en un ambiente con significativas variaciones de presión, salinidad, transparencia y temperatura." (Curso de apnea. Umberto Pelizzari).


Es importante para el practicante de APNEA conocer las leyes físicas básicas que afectan su cuerpo cuando realiza una inmersión en el agua; pues, el conocimiento de éstos factores, junto con otros que se abordarán en su momento, generará tranquilidad, confianza y seguridad en su práctica; aspectos indispensables para un buen desempeño físico y deportivo bajo el agua.


Para ello en este módulo repasaremos algunos conceptos básicos.



MATERIA


Materia es todo lo que ocupe un espacio y tenga peso, existen 3 estados de la materia:


Sólido: Es la materia que tiene un volumen y una forma definida y no se comprime con los cambios de presión.


Líquido: Es la materia que tiene un volumen y la forma está definida

por el recipiente que la contenga. No se puede comprimir con la variación de la presión.


Gaseoso: Es la materia que tiene un volumen y una forma del recipiente que la contiene. Se comprime y expande con la presión, a que carece de volumen determinado.


El cuerpo humano está conformado por los 3 tipos de materia, es así como tiene sólidos como los huesos y músculos, líquidos como la sangre y los líquidos tisulares. Estos dos estados de la materia ocupan e 98% del organismo. El 2% restante está conformado por espacios aéreos, como los pulmones, intestinos, oídos y senos paranasales. La presión no afecta los tejidos sólidos ni los líquidos de organismo, por ser incompresibles, sólo se encuentran afectados los espacios aéreos que si son compresibles, correspondientes al 2% del cuerpo humano.


EL AIRE


Es fluido gaseoso, incoloro, inodoro e insípido que compone la atmósfera que rodea la tierra y vital para la supervivencia humana, Se habla del aire como si fuera un solo gas, pero realmente es una mezcla de gases. El aire que respiramos está compuesto aproximadamente de:


NITROGENO 78%

OXIGENO 21%

OTROS GASES 1% Bióxido y Monóxido de Carbono, Argón, Helio, Neón, etc.

Se puede decir que por cada 100 moléculas de aire, 78 son de Nitrógeno, 21 de Oxígeno y 1 de otros gases. Para fines prácticos se puede usar la composición del aire como 80% de Nitrógeno y 20% de Oxigeno.


NITROGENO (N2)


El Nitrógeno es un gas inerte que no realiza ningún papel en el metabolismo del cuerpo humano, su principal característica es que se diluye en la sangre y en los tejidos del organismo cuando está sometido a presión, teniendo efectos narcóticos a profundidades mayores de 30 metros (99 pues de profundidad o 4 Atm de presión).

OXIGENO (02)

Las células utilizan continuamente el Oxígeno para la producción de energía y sostenimiento de los procesos vitales del metabolismo orgánico, por lo que se puede decir que la vida depende de este gas. El Oxígeno contenido en el aire que respiramos es tóxico a profundidades mayores de 90 metros de profundidad (297 pies, equivalente a 10 Atm de presión).


BIOXIDO DE CARBONO (CO2)


El Bióxido de Carbono es el encargado de estimular el proceso respiratorio, este gas es generado por los tejidos del cuerpo como producto del desecho metabólico de las células y es exhalado durante el proceso normal de la respiración.


MONOXIDO DE CARBONO (CO)


El Monóxido de Carbono es el producto de una combustión incompleta de cualquier combustible como la gasolina, diesel, madera y otros, en un motor. Es altamente tóxico y muy peligroso cuando es respirado en recintos cerrados. Con este gas, es necesario tener mucho cuidado cuando se llenan los tanques de buceo, para que los gases de la combustión del motor del compresor no contaminen el aire.


AGUA (H,O)


El planeta Tierra está compuesto en su superficie por dos terceras partes de agua y una de tierra, además el agua es una diezmilésima parte del volumen total, por lo tanto podemos decir que la tierra está cubierta con una delgada capa de agua. El agua es un recurso no renovable que cada momento es contaminado por los huma Siendo un compromiso de todos cuidarlo, protegerlo y evitar otros lo contaminen. El agua es un líquido incoloro, insaboro e inodoro, vital para la existencia del hombre, los animales y plantas que habitan el planeta. El agua está compuesto por dos moléculas de Hidrógeno y una de Oxígeno.


El principio de Arquímedes


«Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado".


Principio de Pascal


«La presión ejercida sobre un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido".



De esta manera entendemos los tipos de flotabilidad que se puede presentar un buzo en una inmersión dentro del agua.


FLOTABILIDAD


Es la propiedad que tienen los cuerpos de permanecer en superficie o de hundirse cuando se colocan en contacto con un líquido El control de la flotabilidad es una de las habilidades más importantes que debe conocer un buen buzo.


La flotabilidad fue explicada inicialmente por el matemático e inventor griego Arquímedes que dijo: “Un cuerpo sumergido en un líquido, ya sea total o parcialmente, es impulsado hacia arriba por una fuerza, llamada Empuje, igual al peso del líquido desplazado”. Este es conocido como el Principio de Arquímedes y explica que es posible determinar la flotabilidad de un objeto sumergido en un líquido así: restando el peso del objeto al peso del líquido desplazado.


EMPUJE


Es la fuerza vertical hacia arriba que ejerce un líquido sobre el cuerpo. Este empuje es igual al peso del líquido desalojado por el cuerpo.


PESO APARENTE


Todo cuerpo sumergido en un líquido está sometido a la acción de dos fuerzas: Su propio peso, que es una fuerza vertical hacia abajo y el empuje. Por lo que el Peso Aparente del cuerpo será la fuerza resultante entre estas dos, lo que dará el tipo de flotabilidad que presente el cuerpo.

Un cuerpo sumergido en un líquido puede experimentar tres casos:


1, Que el peso del cuerpo sea menor que el empuje. Donde la resultante es una fuerza vertical hacia arriba que hace que el cuerpo flote, definida como FLOTABILIDAD POSITIVA. Esta se presenta cuando la densidad del cuerpo es menor que la del líquido.


2. Si el peso del cuerpo es igual al empuje, la resultante entre ambas fuerzas será cero y el cuerpo permanecerá en la posición que se le coloque. Se define como FLOTABILIDAD NEUTRA. Esta se presenta si la densidad del cuerpo es igual a la densidad del agua.


3. Que el peso del cuerpo sea mayor que el empuje, por lo que la resultante será una fuerza vertical hacia abajo el cuerpo se hundirá. Esto se llama FLOTABILIDAD NEGATIVA. Esta se presenta cuando la densidad del cuerpo es mayor que la del líquido.

CÓMO CAMBIAR LA FLOTABILIDAD DEL BUZO


Se puede decir que la densidad del cuerpo humano es un Poca menor a la densidad del agua dulce (1 gr/cm2), por lo que tiende ¿ flotar en superficie, o sea el cuerpo humano tiene flotabilidad positiva, con mayor razón en el agua de mar donde la densidad es un poco mayor (1.03 gr/cm?). La flotabilidad del cuerpo se puede ajustar y controlar por medio de los pulmones. Al inhalar profunda. mente se obtiene flotabilidad positiva debido al aumento del volumen del cuerpo y al exhalar se disminuye el volumen por lo tanto se obtiene flotabilidad negativa. Esta es una muy buena forma da controlar la flotabilidad en la práctica del buceo autónomo. Una forma de descansar en la superficie es aprovechar la flotabilidad positiva inhalando profundamente, acostados en posición horizontal con brazos y piernas extendidos, con la cabeza, hombros y brazos dentro del agua y los pulmones llenos de aire.

Otra forma de cambiar la flotabilidad es por medio del equipo: Con el chaleco se obtienen tres tipos de flotabilidad, si se encuentra totalmente inflado (positiva), un poco inflado (neutra) y desinflado (negativa). Además, el lastre le puede brindar flotabilidad negativa. Una careta de mucho volumen, el traje de neopreno y los botines aumentan la flotabilidad positiva.


La flotabilidad ideal para un buzo es la neutra, haciendo que los desplazamientos sean más cómodos, ahorrando de esta forma energía. Para obtener ésta flotabilidad, se coloca el buzo con todo el equipo en posición vertical, respirando normalmente en superficie. La flotabilidad es neutra si al espirar, la superficie coincide con la parte superior de la careta y al inspirar la cabeza sale al nivel de los ojos.


La flotabilidad del buzo cambia con la profundidad, ya que a medida que el buzo a pulmón libre desciende, sus espacios aéreos naturales disminuyen, lo que hace que el volumen total del buzo disminuya, Al ocurrir esto el volumen del agua desalojada también es menor, y por ende el empuje hacia arriba será menor. De ahí, que el descenso sea más fácil a mayor profundidad.


PRESIÓN


Presión es una fuerza que ejerce el peso del aire o del agua sobre un cuerpo. Es fuerza por unidad de Area. P =F/A.


PRESIÓN ATMOSFÉRICA


La capa de aire que rodea la tierra tiene aproximadamente 40 kilómetros de altura y ejerce un peso de 1 Kg/cm?, por lo que una persona que se encuentre a nivel del mar, está soportando una presión o un peso aproximado de un kilogramo por centímetro cuadrado (Kg/cm?) o 14.7 libras por pulgada cuadrada (psi), igual a una atmósfera (Atm), ésta es la PRESION ATMOSFERICA. Esto quiere decir, que si el cuerpo humano tiene 2 metros cuadrados de superficie, estaría recibiendo una presión de 20 toneladas repartidas en toda la superficie de su cuerpo. POR QUE NUESTRO CUERPO NO SE APLASTA? Porque las cavidades interiores del cuerpo están llenas de aire, sangre y otros fluidos que se encuentran a la misma presión y por lo tanto se mantiene el equilibrio en las presiones internas y externas. Sin embargo, si la presión externa cambia, se siente de inmediato, esto se hace notorio al subir a las montañas, al Viajar en avión o al sumergirse en el agua.



TABLA DE EQUIVALENCIAS


0 mts. 1 Atmósfera

1 Atm 750 milimetros de Mercurio (mm. Hg.)

1 Atm 14.7 libras por pulgada cuadrada (psi)

1 Atm 1.013 bares

1 Atm 1.033 kilogramos po! centímetro cuadrado (Kg/cm2)

1 Atm 10 metros de agua de mar 1 Atm 33 pies de agua de mar

1 Atm 34 pies de agua dulce




CÓMO CAMBIA LA PRESIÓN


La presión cambia para el buzo cuando varía la cantidad de peso que hay sobre su cuerpo. Si la persona sube a una montaña a 5.500 metros sobre el nivel del mar, la presión disminuye a la mitad, o sea 0.5 Kg/cm2 o 7.35 psi, debido a que la cantidad de aire sobre su cuerpo a disminuido.


- Al descender en el agua, la presión ejercida sobre el cuerpo del buzo aumentará conforme desciende. A mayor profundidad, mayor peso del agua, por lo tanto mayor presión. La presión aumentará 1 Kg/cm2, 1 Atm o 14.7 psi por cada 10 metros o 33 pies que descienda en el mar, a esta presión se le llama PRESION HIDROSTATICA, que es la presión que ejerce el peso del agua. La presión hidrostática depende de la densidad del agua. Esta aumenta una atmósfera por cada 33

pies de profundidad en agua de mar y

una atmósfera por cada 34 pies de profundidad en agua dulce.


PRESION ABSOLUTA: En superficie la presión absoluta es igual a la presión atmosférica, pero bajo el agua, es la suma de la presión atmosférica más la presión hidrostática de acuerdo a la profundidad y al tipo de agua.


DENSIDAD


La densidad es la relación que existe entre el peso (masa) y el volumen de los Cuerpos.

Ejemplo: Un litro de agua dulce pesa 1 Kg. y de agua salada pesa 1025 Kg. Luego, la densidad del agua dulce es 1 y la densidad del agua de mar es 1.025. Obviamente, el agua de mar es más densa que el agua dulce, ya que en el mismo volumen se encuentran disueltas una serie de sales, como el cloruro de sodio, carbonato de sodio, etc, haciendo más pesada el agua de mar.



Cuando comparamos 1 Kg. de plomo con 1 Kg. de madera, naturalmente pesan los mismo, pero el volumen del plomo es más pequeño que el de la madera, se dice que el plomo es más denso o compacto que la madera. El agua es aproximadamente 800 veces más densa que el aire.


Densidad del agua de mar 1.025 Kg./It. 64 Ib/pie3

Densidad del agua dulce 1.0 Kg./lt. 62.4 Ib/pie3

Densidad del aire 0.0013 Kg./lt. 0.08 Ib/pie3

AIRE BAJO PRESIÓN


El aire es una mezcla de gases altamente compresible y expandible con los cambios de presión y en menor grado con los cambios de temperatura. Al someter un cuerpo de paredes elásticas o semirrígidas lleno de aire, a cambios de presión, se presentan dos casos:


A. El volumen del aire disminuye en proporción al aumento de presión.

B. La densidad (peso/volumen) del aire aumenta en proporción a la presión ejercida.



A mayor presión aplicada, menor será el volumen del espacio ocupado por el aire y mayor será la densidad. Para demostrar esto, se toma un globo con un metro cúbico de aire a nivel del mar, a] sumergirlo a 33 pies, tendrá una presión igual a 2 atmósferas y el volumen se reducirá a la mitad (0.5 m*), contando con el mismo número de moléculas pero en la mitad del espacio original, por lo que se duplica la densidad. Al aumentar la presión se obtendrá como resultado una disminución proporcional del volumen y un aumento de la densidad.

Lo anterior, explica los efectos por los cambios de presión en los espacios aéreos del cuerpo y del equipo. Estos efectos se pueden explicar con la Ley de Boyle, que establece “Al someter a cambios de presión el volumen de un gas, contenido en un recipiente de paredes elásticas y a temperatura constante, el volumen de este gas se comportará inversamente proporcional a la presión absoluta aplicada, mientras que la densidad varía directamente proporcional a esa presión absoluta”


A MAYOR PRESION MENOR VOLUMEN, MAYOR DENSIDAD A MENOR PRESION MAYOR VOLUMEN, MENOR DENSIDAD


El cuerpo humano tiene espacios que contienen aire: los oídos, los senos paranasales, los pulmones, las vías respiratorias, el estómago y los intestinos, que responden a la presión cambiando su volumen y densidad como lo explica Boyle.


En la superficie de la tierra, la presión exterior es igual a la presión interior de los espacios aéreos del cuerpo humano, siendo ésta de 1 Atm, por lo tanto se encuentran en equilibrio y no presentan molestias. Cuando un buzo se sumerge a 10 mt. de profundidad, la presión exterior es de 2 Atm y la presión de las cavidades aéreas internas del cuerpo es igual a la de la superficie, 1 Atm, por lo que existe un desequilibrio de presiones, esto provoca problemas como los barotraumas que se verán a continuación.


ACÚSTICA BAJO EL AGUA


La velocidad del sonido en el aire es de aproximadamente 340 metros por segundo. En el agua, la velocidad del sonido es de 1.500 metros por Segundo. DUZO puede oír bajo el agua el ruido de un motor qa lancha, un golpe con el cuchillo al tanque, el sonido de las burbujas del regulador, etc, más no puede precisar la dirección de donde se emiten estos sonidos. Sin embargo, eN la superficie si es posible precisar de donde se originan los sonidos.

Debido a que la velocidad de sonido bajo el agua es aproximadamente 4.5 veces más que en el aire, la diferencia de tiempo que tarda en llegar el sonido de un oído a otro es tan pequeña, que el cerebro no detecta la dirección exacta de donde proviene el sonido. Por ejemplo, suena una campana al lado derecho de nuestro cuerpo. La onda de sonido emitida por la campana, entra primero al oído derecho y en una fracción de segundo después entra el oído izquierdo. Esta diferencia de tiempo indica en que dirección viene el sonido.

Se debe permanecer retirado de zonas de demolición con explosivos y también de barcos que usen sonares en frecuencias audibles, pues pueden dañar el oído.

OPTICA SUBACUATICA


El ojo humano funciona a semejanza de la cámara fotográfica: las imágenes se forman al igual que en este aparato, de forma invertida en la retina. Los rayos luminosos inciden sobre la córnea, el cual actúa como una lente, luego atraviesan el cristalino, donde se produce la refracción de los rayos en el humor acuoso, formando así una imagen virtual en la retina. Pero, naturalmente, este magnífico y delicado mecanismo está constituido para ver a través del aire que nos rodea, razón por la cual al sumergirse y tratar de ver a través del agua no se percibe más que unas imágenes totalmente borrosas, ya que el ojo no es capaz de enfocarlas bien. O sea que, en los ojos, al haber quedado anulado el poder de la córnea, la visión queda reducida a la de un ojo prácticamente ciego. Para remediar este defecto, en circunstancias normales se requiere el empleo de lentes correctores. Sin embargo, para lograr una visión clara bajo el agua, basta con aislar el ojo del contacto con el liquido creando ante él una cámara de aire, la cual hará las veces de lente correctora logrando que los rayos luminosos tengan su punto de convergencia en el lugar exacto que les corresponde en la retina. Esto se logra con las gafas submarinas, las cuales deberán llevar acoplado un cristal completamente plano, ya que si fuera curvo, produciría una gran deformación de las imágenes, pues no se debe olvidar que se está hablando de un ojo completamente normal.


REFLEXIÓN DE LA LUZ

Es el rebote de los rayos luminosos al entrar en contacto con la superficie de un cuerpo que tiene diferente densidad. De la luz que llega a la superficie del agua, una cantidad entra y otra se refleja. La cantidad de la luz reflejada es determinada por el ángulo del sol y las condiciones de la superficie. Ejemplo: cuando sale el sol, a las primeras horas de la Mañana, la luz reflejada es de aproximadamente un 35%, a las 10 de la mañana un 17%, a mediodía un 2%, a las 2 de la tarde un 17% y al atardecer un 35%. También habrá más luz reflejada si el mar esta rizado con pequeñas olas. La hora del día es uno de los factores importantes que debe ser considerado cuando se planea tomar fotografías submarinas.



REFRACCION DE LA LUZ

La refracción de la luz es la desviación que sufre un rayo luminoso al pasar de un medio a otro de diferente densidad (por ejemplo, aire-agua). La luz viaja en el aire a una velocidad de 300.000 kilómetros por segundo, y al entrar al agua su velocidad se reduce a 225.000 kilómetros por segundo.

En una inmersión, la luz pasa por el agua y antes de llegar a los ojos atraviesa el vidrio de la careta y el aire que contiene el visor haciendo que los rayos se desvíen con una relación de 3:4 de distorsión, presentándose el fenómeno que los objetos aparezcan un 25%. más cerca y un tercio más grandes. Un pez o cualquier objeto que se encuentra a 4 metros de distancia, debido al fenómeno de refracción, parece estar a tres metros y ser 1/3 más grande. Esta es una de las razones por la cual los buzos son algunas veces tan exagerados. En la práctica, cuando se desea tomar algún objeto debajo del agua, se debe calcular donde está realmente el objeto. un tercio más grandes. Un pez o cualquier objeto que se encuentra a 4 metros de distancia, debido al fenómeno de refracción, parece estar a tres metros y ser 1/3 más grande. Esta es una de las razones por la cual los buzos son algunas veces tan exagerados.


En la práctica, cuando se desea tomar algún objeto debajo del agua, se debe calcular donde está realmente el objeto.

DIFUSION DE LA LUZ

Los rayos luminosos Son difundidos por las partículas suspendidas en el agua. Esta difusión es más notable en aguas turbias, en las cuales, aún utilizando luz artificial, no mejorará la visibilidad, en virtud de existir una especie de pantalla ya que las partículas reflejan esta luz.

ABSORCION DE LA LUZ

La luz solar está formada por siete colores fundamentales de diferentes longitudes de onda: rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul, índigo y violeta.

Los colores son absorbidos progresivamente a medida que aumenta la profundidad o la distancia horizontal, filtrándose primeramente los colores de onda larga que son: rojo, anaranjado y amarillo, pasando paulatinamente los colores de onda corta que son el verde y el azul.




El color rojo prácticamente desaparece a diez mes de profundidad. Aproximadamente a 20 metros, desaparece el amarillo y el verde, a los 30 metros de profundidad todo es de Color azul grisáceo.

En la absorción de colores también influirá la transparencia del agua Los colores naturales se establecen con la luz artificial (linterna subacuática), a cualquier profundidad. La oscuridad absoluta Será, aproximadamente, a 500 metros de profundidad.

TÉRMICA

La temperatura normal del cuerpo humano es de 37 grados Centígrados O 98.6 grados Farenheit, la cual debe permanecer estable para un buen funcionamiento de todos los sistemas orgánicos.

El cuerpo humano se puede considerar como una máquina generando continuamente calor controlando su propia temperatura de acuerdo al medio ambiente.


Al sumergirnos, el calor del cuerpo pasa directamente al agua debido al equilibrio térmico “Si dos cuerpos de temperaturas diferentes se ponen en contacto, la temperatura del más caliente disminuye y la del más frío aumenta, hasta que ambas se igualen” El agua absorbe el calor 25 veces más rápido que el aire”, perdiendo así más calor del que puede producir el cuerpo. Cuando un buzo empieza a temblar, es el mejor aviso para salir de inmediato del agua:

Para evitar la pérdida de calor al bucear, se deben utilizar trajes de neopreno o lycras que protejan el cuerpo y eviten el contacto directo con el agua.






Evaluación MODULO 2




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