Física del Buceo Libre para Dummies

Bucear, ya sea con tanque o sin él, es una actividad que tiene sus riesgos y es importante conocer ciertas leyes de física para minimizar esos riesgos. En este artículo vamos a explicar cuáles son las leyes físicas que nos gobiernan cuando nos encontramos practicando buceo libre, por qué es importante entenderlas y cómo podemos sacar partido de la física del Buceo Libre.

Veamos el primer principio y el más básico de todos.

Principio de Arquímedes

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

Expliquemos esto es castizo. 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.

Física del buceo libre - flotabilidad
Perfil de flotabilidad en el Buceo Libre

Si escalamos un poco el experimento y tomamos una tina o bañera, has notado cuando te sumerges por completo y el agua te tapa todo (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 subió de nivel, más la que regaste en el piso.

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 barro, asumiendo que son exactamente del mismo tamaño, desplazan la misma cantidad de agua, por qué  rayos 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. Caso diferente con la pelota de barro, la diferencia de densidad con el agua la llevará directo al fondo.

densidad
A la izquierda un huevo en agua fresca. A la derecha un huevo flotando en agua salada

El agua de mar, al tener sales minerales disueltas tendrá siempre una mayor densidad que el agua fresca. Por eso es que flotas menos en la piscina.

Flotabilidad

Se dice que tienes flotabilidad positiva cuando te encuentras sumergido existe un equilibrio que no te permite flotar ni hundirte. Lastres de plomo y bollas restarán y agregarán flotabilidad de manera respectiva. Este es el principio del chaleco hidrostático que se utiliza en el buceo con tanque; el buzo lo infla a su voluntad para controlar con exactitud la fuerza de flotación.

Calculando la presión

Cuando te encuentras buceando, solo con sumergirte un par de metros vas a notar un cambio de presión sobre tus oídos y sobre todo tu cuerpo que difiere mucho del día a día. La presión  se incrementa metro a metro y es de vital importancia comprender los efectos que tiene sobre nuestra salud.

A nivel del mar con encontramos a 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.

Profundidad [m] Presión [atm]
0 (Superficie) 1
-10 2
-20 3
-30 4
-40 5

Como te seguramente 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 Libre

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

O lo que es lo mismo, entre más profundo vayas más se van a encoger tus espacios de aire, especialmente tus pulmones. Esta Ley se expresa matemáticamente de la siguiente manera:ley de Boyle 1Sabiendo 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.

ley de Boyle 2

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 mascara y oídos se habrá reducido en un 50%. De aquí la importancia de la ecualización en el Buceo Libre.

Profundidad [m] Volumen de los pulmones [litros] Relación con el volumen original
0 [superficie] 6 1
-10 3 1/2
-20 2 1/3
-30 1.5 1/4
-40 1.2 1/5
-50 1 1/6

La reducción del volumen de los espacios de aire también afecta nuestra flotación, como vimos en el principio de Arquímedes. La aplicación de la Ley de Boyle y el principio de Arquímedes resulta en que a medida que desciendes vas perdiendo flotación hasta que quedas en negativo. Esto afecta directamente la cantidad de lastre que utilizaras para compensar la flotabilidad de un traje de neopreno y la flotación natural del cuerpo. Tiene lo suyo cierto?

Y de que me sirve saber todo esto?

Tener un conocimiento de la física del buceo libre es vital, es lo que te va a permitir entender muchas cosas que ocurren en el mundo de la apnea:

  • Por qué debería escoger un lastre para tener flotación neutra a -10m?
  • Por qué la mayoría de los blackouts ocurren partir de los -10m?
  • Por qué ocurren los blackouts en los freerides?

Te las respondo de un solo tirón. El mayor riesgo se blackout se encuentra al final de las apneas, cuando te estás quedando sin oxígeno. Sabiendo que el mayor diferencial de volumen ocurre entre los -10m y los 0m,  significa que tus pulmones (que vienen comprimidos desde la profundidad) se expanden drenando una gran cantidad de oxigeno de la sangre. Esta es conocida como la zona de peligro y se ha establecido como una buena práctica tener flotabilidad neutra o un poco positiva en la marca de -10m. No preferirías ganar un freeride en caso de un blackout? Piénsatelo.

Composición del Aire

El aire que respiramos es una combinación de diferentes gases, los principales y de nuestro interés son 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.

composicion-quimica-del-aire
Composición química del aire en porcentaje volumen.

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.

Ley de Dalton 2

Según la presión a la que sea sometido un gas en particular, este se comporta de una forma determinada y afecta a nuestro organismo de una manera u otra. 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.

Ley de Dalton
Ley de Dalton, las presiones parciales del aumentan junto con la presión total.

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

Como 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).Ley de Dalton 3Para el resto de gases tendríamosMuchos años de investigaciones han demostrado que el oxígeno del aire comienza a ser toxico cuando la presión parcial es igual o superior a 2.1atm. Para saber a qué profundidad ocurre esto despejamos la ecuación de la Lay de Dalton así:Y como vimos antes, para lograr experimentar esta presión deberías sumergirte a unos -90m de profundidad.

Ley de Henry

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

“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.

Física de buce libre - Ley de henry
Ley de henry y la saturación del nitrógeno en la sangre.

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

La Narcosis por Nitrógeno y el Buceo Libre

Según la Ley de Dalton, entre tanto que desciendes 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 que te pegas, causa diferentes efectos según su concentración que van desde “borracheras” y euforias  hasta alucinaciones, perdida del conocimiento y muerte. Los efectos de la narcosis por nitrógeno comienzas a ser perceptibles entre los -30m y -50m.

Narcosis Nitrogeno
Narcosis por Nitrogeno, los efectos a -60m son equiparables a beber 4 copas de martini de un solo golpe.

Los apneistas de profundidad comúnmente reportan encontrarse distraídos cerca del bottom plate debido a una sirena o algún pez brillante. En realidad, se trata de alucinaciones que produce la narcosis por nitrógeno y es un suceso de importancia,  porque te lleva a un comportamiento errático que obstaculiza una performance segura en todo su recorrido.

La narcosis por nitrógeno afecta a cada buceador de manera diferente. Algunos atletas han dicho 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 mente positiva y con las medidas de seguridad adecuadas para realizar un buceo seguro.

Buceo Libre vs Buceo con Tanque

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 del Buco Libre 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 flotación; de aquí el uso obligatorio de un BCD (Buoyancy control Device).

Los que bucean con tanque deben exhalar continuamente cuando de camino a la superficie. De no hacerlo, el aire que respiraron en profundidad se expande y puede causar barotraumas pulmonares y aun la muerte.

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

Física del Buceo Libre – 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 flotación.
  • Incrementar la cantidad de oxígeno y nitrógeno disuelto en tu sangre.

Por eso es importante cumplas los siguientes puntos:

  • Ecualizar mascara y oídos, usando Frenzel preferiblemente.
  • Ajustes tu lastre para estar con flotabilidad neutra a -10m.
  • Bucear siempre bajo un esquema de seguridad para reducir los riesgos.

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