Fisica Aplicada

Centro de Buceo - Inmersión Aventura Física Aplicada al Buceo

Inmersión Aventura - Centro de Buceo 1

MANUAL

FISICA APLICADA AL BUCEO



ITEM CONTENIDO PAGINA CAPITULO I 4 Física aplicada al buceo 4 1 INTRODUCCIÓN 4 1.1 Propósito 4 1.2 Alcance 4 CAPITULO II 4 2 FÍSICA 4 2.1 Física aplicada al buceo 4 2.2 Conceptos básicos 4 2.2.1 Física 4 2.2.2 Fuerza 4 2.2.3 Presión 4 2.2.4 Presión atmosférica 5 2.2.5 Presión relativa 5 2.2.6 Presión absoluta 5 2.2.7 Densidad 5 CAPITULO III 5 3 LA MATERIA Y SUS ESTADOS 5 3.1 Sólidos 6 3.2 Líquidos 6 3.3 Gaseosos 6 CAPITULO IV 7 4 CLASES DE GASES 7 CAPITULO V 8 5 LEYES DE LOS GASES 8 5.1 Ley de Boyle 8 5.2 Ley de Charles 9 5.3 Ley de Henry 10 Figura 1 Ley de Henry 11 5.4 Ley de Dalton 12 5.5 Ley de Graham 12



CAPITULO VI 13 6 PRINCIPIO DE ARQUIMIDES 13 6.1 Tipos de flotabilidad 13 6.1.1 Flotabilidad positiva 13 6.1.2 Flotabilidad neutra 13 6.1.3 Flotabilidad negativa 13 Figura 2 Principio de Arquímedes 13



FISICA APLICADA AL BUCEO

CAPITULO I

1 INTRODUCCION 1.1.- Propósito. Este capítulo describe las leyes de la física y su

efecto sobre los seres humanos en el agua. 1.2.- Alcance. Una completa comprensión de los principios delineados

en este capítulo es esencial para la práctica segura y efectiva del buceo.

CAPITULO II

2 FÍSICA

2.1.- FÍSICA APLICADA AL BUCEO 2.2.- Conceptos básicos:

Para comprender el buceo y sus efectos en el cuerpo humano, es necesario saber algo sobre los conceptos básicos de la física del buceo, que a continuación se definen:

2.2.1.- Física. Es la ciencia que trata de las propiedades de la materia y de los modos en que la misma se comporta bajo diferentes condiciones.

2.2.2.- Fuerza. Se define como la causa capaz de provocar deformaciones o aceleraciones en los cuerpos. Efectos que se provocan por contacto del agente productor con el cuerpo o por transmisión a distancia, como en el caso de los campos de fuerzas.

2.2.3.- Presión. Entendemos por presión, la fuerza ejercida por unidad de superficie. Su fórmula básica es la siguiente:

P = F / S P= Presión F= Fuerza S= Superficie



Las unidades de medida habitualmente utilizadas en buceo para expresar la presión son: Kilogramo por centímetro cuadrado (sistema decimal) Kg/cm2

Libra por pulgada cuadrada (sistema anglosajón) Lbs/Pulg2 – Psi

Aplicando el concepto anterior a la medición de la presión atmosférica como unidad de superficie, 1 cm2 sobre el que gravita una columna de aire equivalente a la altura de la atmósfera terrestre, cuyo valor es e 1,003 Kg/cm2. Sin embargo, en el estudio de los fenómenos que se producen en el buceo con aire, hay que considerar otra escala de valores en el momento de pasar a definir las presiones a las que se ha de ver sometido el organismo el subacuático.

2.2.4.- Presión Atmosférica. Todo cuerpo situado sobre la corteza terrestre soporta un peso equivalente a la columna de aire que gravita sobre él, esto es 1 Kg/cm2. Ahora bien, este fenómeno se produce solamente a nivel del mar o cota cero, una vez traspasado esta frontera, el gradiente de presión aumenta en proporciones muy superiores (el aire es 800 veces más denso que el aire). Basado en lo anterior tenemos que por cada 10 metros, la presión hidrostática aumenta en una atmósfera. 2.2.5.- Presión relativa. Es la ejercida directamente sobre el objeto por la masa líquida (sin considerar la atmósfera). 2.2.6.- Presión absoluta, la presión exacta que sufre el organismo del submarinista, esto es la presión relativa sumada a la atmósfera terrestre, por ejemplo:

10 metros de profundidad = 1 Atmósfera Relativa = 2 Atmósferas absolutas

2.2.7.- Densidad. Se define como masa por unidad de volumen.

CAPITULO III

3 LA MATERIA Y SUS ESTADOS

Toda masa que ocupe un lugar en el espacio y que por lo tanto tenga volumen, es un cuerpo y es materia. La materia se presenta bajo tres



estados diferentes, dependiendo del grado de atracción de sus moléculas y la fuerza con la que estas se atraen (cohesión), estás son 3.1.- Los Sólidos. Predomina la fuerza de cohesión, ofrece resistencia notable a dejarse penetrar y conserva su forma. 3.2.- Los Líquidos. En este estado la atracción de las Los Sólidos, predomina la fuerza de cohesión, ofrece resistencia notable a dejarse penetrar y conserva su forma moléculas es menor que en los sólidos, la cohesión apenas se deja sentir, se deja penetrar fácilmente, no conserva su forma y es necesario contenerlos en un recipiente, su volumen es constante y no varía, aunque se le altere la presión y la temperatura, por ser prácticamente incompresible. 3.3.- Los Gases. Al contrario de los líquidos y los sólidos, son muy elásticos y se caracterizan por la facilidad que tienen su moléculas para expansionarse y ocupar el recipiente que los contiene. Esta propiedad obedece a su gran energía cinética, debida a su pequeñísimo tamaño y a la distancia que las separa, lo cual las hace muy compresibles.

Dada la importancia que reviste en el buceo, el estudio de los gases y sus características y propiedades, es prioridad para cualquiera que explore las profundidades. El estudio de las propiedades de los gases se basa en las leyes que relacionan magnitudes de presión y de temperatura a que pueden estar sometidos, magnitudes cuyos efectos están íntimamente ligados. A estas leyes, denominadas “Leyes de los Gases”, se les conoce con el nombre de sus descubridores, son las siguientes:

Ley de Boyle y Mariotte. Ley de Charles - Gay-Lussac. Ley de Henry.

El estado del volumen de un gas depende de tres variables: presión, volumen y temperatura; las tres son interdependientes ya que el volumen ocupado por un gas depende de los valores de las otras dos: presión y temperatura.



CAPITULO IV 4 CLASES DE GASES Son muy numerosos, aunque a los efectos de la física aplicada al buceo solamente nos ocuparemos de aquellos que guarden alguna relación con esta. Los más importante son los que componen la mezcla atmosférica que forma el aire que respiramos, o sea: el Oxígeno (O), el Nitrógeno (N2) y el Anhídrido Carbónico (CO2). Les siguen aquellos que pueden tener alguna influencia perjudicial para el subacuático, principalmente en lo que se refiere a la carga de aire de sus cilindros, como lo es el Monóxido de Carbono y el Óxido de Nitrógeno. Además de los gases mencionados y que no forman parte de la mezcla respiratoria, hay el Hidrógeno y el Helio. Este último es muy utilizado debido a su gran ligereza en mezcla con el oxígeno para respirar a grandes profundidades. La composición del aire atmosférico es la siguiente: Componentes % por volumen Nitrógeno (N) .......... 79,00 Oxígeno (O2) .......... 20,94 Anhídrido carbónico (CO2) .......... 0,03 Gases raros (helio, argón, neón, xenón, radón, hidrógeno, monóxido carbono etc.) .......... 0.03 Aparte de esta composición, el aire contiene pequeñas cantidades de vapor acuoso, polvo y diversos microbios.



CAPITULO V 5 LEYES DE LOS GASES

De acuerdo a lo estudiado, hemos observado como los gases se ven afectados por los efectos de la presión, dado su alto grado de compresibilidad y la influencia que la temperatura ejerce en este proceso. Por ello, el estado de una masa gaseosa dependerá de tres variables; presión, volumen y temperatura. Variables que como sabemos, no son independientes entre sí, ya que el volumen ocupado por un gas depende de los valores de las otras dos: presión y temperatura. Por lo tanto, se puede establecer una relación en la cual el volumen (v) estará en función de las otras dos: presión (p) y temperatura (T), esto es:

V = F ( P x T )

Expresión que recibe el nombre de “ecuación de los gases”, que es consecuencia de las leyes de Boyle y Charles.

5.1.- Ley de Boyle. De lo anterior se deduce que una de la presión, es capaz de modificar el volumen y la densidad de un gas, y así lo expresa la ley de Boyle, cuyo enunciado dice:

“A TEMPERATURA CONSTANTE, EL VOLUMEN DE UN GAS ES INVERSAMENTE PROPORCIONAL A LA PRESIÓN EJERCIDA SOBRE ÉL” .

Ejemplo de lo anterior,

Profundidad en metros Aumento presión absoluta

Reducción del volumen del gas

00 metros 1 atmósferas 0

10 metros 2 atmósferas 1/2







5.2.- Ley de Charles. El efecto del calor sobre los gases es mucho mayor que sobre los cuerpos sólidos, siendo la dilatación su principal manifestación, por lo que a mayor temperatura tanto mayor volumen tiende a ocupar el gas, lo que demuestra que la fuerza de expansión de los gases aumenta en la misma medida que la temperatura, y como resultado su volumen crece. Pero cuando el gas se encuentra encerrado en un recipiente rígido cuyas paredes le impiden expansionarse más allá se su capacidad, como ocurre con las botellas de buceo, el aumento de temperatura supone el aumento de la presión del gas. Para ambos casos la ley de Charles, tiene un enunciado estos son:

En el caso del recipiente que permite la expansión de los gases;

“SI LA PRESIÓN DE UN GAS SE MANTIEN CONSTANTE, EL VOLUMEN SE MODIFICARÁ EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA

APLICADA SOBRE ÉL”.

Esto se expresa en la siguiente ecuación;

V1 = V2

T1 T2

Donde, V1 y V2 = volumen y temperatura inicial.

V2 y T2 = volumen y temperatura distinta a valores iniciales.

En el caso que el gas se encuentre encerrado en un recipiente rígido;

“CUANDO EL VOLUMEN DE UN GAS SE MANTIEN CONSTANTE, LA PRESIÓN AUMENTA EN RAZÓN DIRECTA A LA TEMPERATURA APLICADA

SOBRE ÉL”.

Esto se expresa en la siguiente ecuación;

P1 = P2



T1 T2

Donde, P1 y T1 = presión y temperatura inicial.

P2 y T2 = presión y temperatura distinta a valores iniciales.

De los principios anteriores, se deduce la Ley General de los Gases, que combina la Ley de Boyle y la ley de Charles como sigue,

P1 = V2 Ley de Boyle V1 = T1 Ley de Charles

P2 V1 V2 T2

Luego;

P1 * V1 = P2 * V2

T1 T2

Donde: P1 = presión inicial del aire.

V1=volumen inicial del aire.

T1=temperatura inicial del aire.

P2=presión distinta a valores iniciales.

V2=volumen distinto a valores iniciales.

Es importante indicar, que para el cálculo y aplicación de esta ley, los valores deben ser expresados en una sola unidad, ya sea de presión, volumen o temperatura.

5.3.- Ley de Henry. Establece que la cantidad de gas que se disuelve en un líquido, es directamente proporcional a la presión absoluta del gas. Ésta ley es de mucha importancia para el buzo, pues regula el mecanismo etiopatogénico de la Enfermedad por Descompresión Inadecuada (E.D.I.), a continuación se explica la aplicación de esta ley.

Debido a que el cuerpo humano contiene gran cantidad de líquido (70% líquidos – 30% sólidos) y el buzo usa aire comprimido a presión, a medida



que aumenta la profundidad, el oxígeno y el nitrógeno comienzan a ser disueltos en mayor medida en la sangre, grasas y tejidos del cuerpo.

El oxígeno será rápidamente consumido por las células de nuestro organismo para nuestros procesos vitales, sin embargo el nitrógeno, que es un gas inerte, será almacenado en los tejidos.

Al ascender rápidamente a la superficie, los gases tenderán a salir de los tejidos en forma de burbujas, debido a que la disminución de presión impide que los tejidos que los tejidos puedan disolver tal cantidad de gas, es por esto que la desaturación debe ser en forma gradual para que haya tiempo de que el gas disuelto escape en forma de gas a través de la respiración, y no en forma de burbujas que se ubiquen en los vasos sanguíneos y tejidos, impidiendo una normal irrigación.

Aquí es donde nace una velocidad de ascenso y una de descenso, así como todas las precauciones y la obligatoriedad de realizar los procedimientos de descompresión.

Su enunciado dice,

“A TEMPERATURA CONSTANTE, LA MASA DE GAS DISUELTA EN UN VOLUMEN DETERMINADO DE LÍQUIDO ES PROPORCIONAL A LA PRESIÓN

PARCIAL EJERCIDA SOBRE EL GAS”.

(a) (b) (c)

FIG 1 Ley de Henry



FIG. 1 Ley de Henry. A) estado de equilibrio. B) El gas es sometido a nueva presión y parte del mismo se disuelve en el líquido: no saturado. El gas es absorbido por el líquido, produciéndose un nuevo estado de equilibrio. C) El gas pierde presión y abandona el líquido: sobresaturación.

Otras leyes de importancia en el estudio del buceo, son las llamadas “Ley de Dalton” y “Ley de Graham”, respectivamente, las que a continuación explicaremos brevemente.

5.4.- Ley de Dalton. Establece que la presión ejercida por una, mezcla de gases, es la suma de las presiones que serían ejercidas por cada una de los gases si estuviera solo y ocupando el volumen total. Esta ley es importante para el buzo, pues gobierna los peligros que pueden representar las presiones parciales de algunos gases.

Por ejemplo: Nitrógeno ..... Narcosis de nitrógeno.

Oxígeno ..... Intoxicación por oxígeno.

5.5.- Ley de Graham, establece las condiciones de difusión de los gases. Se llama difusión, al proceso de entremezclarse las moléculas de los gases. Al meterlos en un mismo recipiente se mezclarán entre ellos por completo, debido al constante movimiento de las moléculas. Aunque las moléculas de uno sean más pesadas que las del otro. Por la misma razón, los gases también se difunden en los líquidos atravesando su superficie, y aún a través de finas capas de material sólido.



CAPITULO VI

6 PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES.

Establece que un cuerpo sumergido, total o parcialmente, dentro de un líquido, experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del líquido que desplaza.

Este principio nos aclara ¿por qué los cuerpos flotan o se hunden?, y también ¿por qué el buzo tiende a flotar más en agua salada que en agua dulce?.

6.1.- TIPOS DE FLOTABILIDAD

6.1.1.- Flotabilidad positiva, es cuando un cuerpo tiende a flotar, vale decir, cuando el cuerpo tiene el mismo volumen que el líquido que desaloja y menor densidad que el líquido que desplaza.

6.1.2.- Flotabilidad neutra, se llama así porque el cuerpo ni flota ni se hunde, o sea, cuando el cuerpo pesa lo mismo que la masa de líquido que desaloja y tiene la misma densidad del líquido que desplaza.

6.1.3.- Flotabilidad negativa, es cuando un cuerpo tiende a hundirse, vale decir, cuando el volumen de agua que desplaza es inferior al peso del cuerpo y tiene mayor densidad que el líquido que desplaza.

FIG. 2 Principio de Arquímedes.

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