Física y Leyes del Buceo

¿Alguna vez te has preguntado cómo es posible que nuestro cuerpo flote en el mar? ¿Qué leyes físicas explican que podamos sumergirnos? ¿Por qué necesitamos todo el equipo de buceo para disfrutar del submarinismo o la apnea?

A estas y a otras preguntas vamos a dar respuesta gracias a las leyes de la física que intervienen en el buceo, unos conceptos básicos para bucear que aprenderás en tu curso de Open Water Diver. Vamos allá.

Principio de Arquímedes

“Un cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido experimenta una fuerza ascendente igual al peso del líquido desplazado”

Seguro que alguna vez has introducido tu pie en un cubo de agua y habrás notado que el nivel del agua sube un poco. Esa diferencia de nivel, es exactamente la cantidad de agua que acabas de desplazar y como tal tiene un peso.

Perfil de flotabilidad en el buceo

Si cambiamos un poco el experimento y lo hacemos en una bañera, habrás notado que cuando te sumerges por completo y el agua te cubre (a veces hasta derramarse ) experimentas una leve sensación de flotación. Esto es por el agua que acabas de desplazar, la flotación que experimentas es equivalente a la cantidad de agua que ascendió cuando te sumergiste.

Pregunta: Y por qué la fuerza de flotación no me lleva directamente hasta la superficie de la bañera? Esto se debe a la densidad de tu cuerpo.

Densidad

Es la razón de la masa sobre el volumen. Si hacemos el mismo experimento con una pelota de ping pong y pelota de hierro, asumiendo que son exactamente del mismo tamaño, desplazan la misma cantidad de agua, ¿por qué una flota y otra no?

Es porque el líquido desplazado por la esfera de ping pong tiene un mayor peso que la pelota misma, por lo que la fuerza de flotación siempre será mayor. Es un caso diferente con la pelota de hierro, la diferencia de densidad con el agua la llevará directa al fondo.

El agua de mar, al tener sales minerales disueltas tiene una mayor densidad que el agua dulce. Esta es la razón por la que flotas menos en la piscina.

Flotabilidad

Se dice que tienes flotabilidad neutra cuando te encuentras sumergido y existe un equilibrio que no te permite flotar ni hundirte. Con lastre o plomos, intentaremos que nuestro cuerpo se hunda. Con aire en el chaleco o un traje de mayor grosor, nuestro cuerpo flotará y será más difícil descender.

En este artículo hablamos de los principios de flotabilidad en el buceo y los diferentes tipos de flotabilidad.

Este es el principio del chaleco o jacket hidrostático que utilizamos en el submarinismo; el buzo lo infla a su voluntad para controlar con precisión la fuerza de flotación.

Calculando la presión

Cuando buceas, solo con sumergirte un par de metros ya notas un cambio de presión sobre tus oídos y sobre todo tu cuerpo diferente al que estamos acostumbrados. La presión se incrementa metro a metro y es fundamental comprender los efectos que tiene sobre nuestro cuerpo.

En superficie, tenemos una presión de 1 bar o lo que es lo mismo 1 atmosfera. La presión a nivel del mar en diferentes unidades es:

1 bar = 760 mmHg = 1.018kPa = 1atm

Si haces una inmersión hasta los 10 metros bajo la superficie, la presión será de 2 bares. Esto es, por la alta densidad del agua salada con respecto al aire. De esta manera, por cada 10m bajo la superficie la presión se incrementa en 1 bar, como vemos en la siguiente tabla.

Como seguro que te has dado cuenta, el volumen de aire en nuestro cuerpo se reduce. Esto sucede porque tu caja torácica es flexible y la presión es tan alta que bien puede ir comprimiendo tus pulmones y el aire que guardas en ellos. La ley de Boyle explica muy bien este fenómeno físico.

Ley de Boyle en el buceo

“Si la temperatura permanece constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión absoluta”

O lo que es lo mismo, cuando más profundo más se van a encoger tus espacios de aire, especialmente tus pulmones. Esta Ley se expresa matemáticamente de la siguiente manera:Sabiendo que un hombre adulto en promedio tiene una capacidad pulmonar de 6 litros, vamos a calcular como se verá reducido el volumen de sus pulmones a -30m de profundidad.

Esto es algo que lo puedes experimentar inmediatamente al descenso, sentirás la presión en mascara, oídos y el pecho.

Para cuando te encuentres a -10m el volumen de aire en tu máscara y oídos se habrá reducido en un 50%. De aquí la importancia de la compensación en el buceo y la apnea.

La reducción del volumen de los espacios de aire también afecta nuestra flotabilidad, como vimos en el principio de Arquímedes.

Composición del Aire

El aire que respiramos es una combinación de diferentes gases, los principales y de nuestro interés son el nitrógeno, oxígeno, argón y dióxido de carbono. El resto de los componentes, entre los cuales se encuentran los gases de efecto invernadero, son vapor de agua, monóxido  de carbono, metano, óxido nitroso, ozono, etc.

Entender este concepto es importante para comprender la siguiente ley física.

Ley de Dalton

“La presión total ejercida por una mezcla de gases es la suma de las presiones parciales de los gases que componen dicha mezcla”

La ley de Dalton nos habla sobre las presiones parciales de una mezcla gaseosa. Dicho de otra forma: a temperatura constante, la presión de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones a que estaría cada uno de los gases que la componen si ocupasen el volumen total de la mezcla.

Es aquí cuando la Ley de Dalton nos permite conocer, cuando se efectúa una inmersión con aire, a qué profundidad cada gas contenido en el aire puede producir efectos perjudiciales para nuestro organismo.

La Ley de Dalton en la Física del buceo nos dice que el oxígeno puro se convierte en tóxico a partir de una presión de 1.7 atm (Por debajo de los -7m) Es por ello que no se utiliza en el submarinismo, a pesar de que nos ahorre los problemas que se derivan de respirar el nitrógeno del aire.

¿Cómo calcular la presión parcial de un gas?

Para calcular la presión parcial de un gas presente en una mezcla, multiplicamos el porcentaje en volumen del gas por la presión total de la mezcla y dividimos entre 100. Hagamos el ejercicio para las presiones parciales de los gases del aire a 1.7 atm (-7m de profundidad).

Muchas investigaciones han demostrado que el oxígeno del aire comienza a ser tóxico cuando la presión parcial es igual o superior a 2.1atm.

Ley de Henry

La relación que hay entre la Ley de Henry y el buceo tiene que ver con la disolución de los gases en la sangre. El enunciado de la Ley de Henry es el siguiente:

“La cantidad de gas disuelta en un líquido es directamente proporcional a la presión parcial que ejerce ese gas sobre el líquido”

Aquí vamos por partes. Cuando la temperatura del ambiente es constante, si un gas entra en contacto con un líquido (como puede ser oxígeno y sangre) este gas se disuelve en el líquido. Esto va a ocurrir hasta que la presión parcial del gas en el líquido y la presión parcial del gas en el ambiente se estabilicen y alcancen un punto de equilibrio.

Aquí ya entramos en un tema un poco más complejo y en cuanto a lo que nos concierne en el buceo, deberíamos hablar de la absorción del nitrógeno en los tejidos.

La Narcosis por Nitrógeno y el buceo

Según la Ley de Dalton, conforme vas descendiendo la presión parcial del nitrógeno en tus pulmones aumenta, y atendiendo la Ley de Henry, la concentración del nitrógeno en tu sangre aumentará.

Este subidón de nitrógeno causa diferentes efectos según su concentración que van desde “borracheras” y euforias  hasta alucinaciones, perdida del conocimiento y muerte.

Los apneistas de profundidad comúnmente reportan encontrarse distraídos  debido a una sirena o algún pez brillante. En realidad, se trata de alucinaciones producidas la narcosis por nitrógeno y es una situación que puede convertirse en peligrosa, porque te lleva a un comportamiento errático que obstaculiza una inmersión segura.

La narcosis por nitrógeno afecta a cada buceador de manera diferente. Algunos buceadores afirman que la narcosis llega antes en aguas frías y oscuras, o si tienen algún problema en la cabeza antes de la inmersión. Aquí lo más importante es encontrarse en forma, con mentalidad positiva y con las medidas de seguridad adecuadas para realizar un buceo seguro.

Apnea vs Submarinismo

La narcosis por nitrógeno va a afectar tanto a apneistas como a buceadores con tanque, debido a que la presión parcial de nitrógeno en los pulmones de ambos serán iguales, si los dos se encuentran a una misma profundidad.

Sin embargo, la física de la Apnea es un poco diferente ya que un apneista no cuenta con un suministro constante de aire, las leyes de Boyle y Henry le van a afectar de manera diferente.

Si buceas con tanque, el volumen de aire en tus pulmones permanecerá invariable debido a que tienes un suministro constante del mismo, esto afecta directamente la flotabilidad; de aquí el uso obligatorio de un chaleco BCD (Buoyancy control Device).

Por ultimo y no menos importante, la ley de Henry afecta de manera especial a los buceadores. Respirar aire comprimido a grandes profundidades, añade una cantidad importante de nitrógeno a la sangre, lo que coloca a los que practicamos este tipo de actividad en riesgo de sufrir el síndrome de descompresión.

Física del buceo – Conclusiones

Ya dejando un poco de lado todo el lenguaje técnico, esto es lo que tienes que saber: bucear más profundo significa:

• Reducir el volumen de los espacios de aire en tu cuerpo.
• Reducir tu flotabilidad.
• Incrementar la cantidad de oxígeno y nitrógeno disuelto en tu sangre.

Por eso es importante cumplas los siguientes puntos:

• Compensar correctamente
• Si haces apnea, ajustar tu lastre para estar con flotabilidad neutra a -10m.
• Bucear siempre bajo un esquema de seguridad para reducir los riesgos.
• Planificar la Inmersión