¿QUE SABES DE BUCEO?: junio 2011

El ejercicio más frecuente es calcular la presión parcial del oxígeno soportada por un buceador teniendo como datos de partida el porcentaje de O₂ en la mezcla y la profundidad de la inmersión:

DATOS: Inmersión en mar, botella cargada con aire normal (21%O₂) y profundidad de la inmersión 30 metros.

SE PIDE: Calcular la presión parcial del O₂

RESOLUCIÓN: Lo primero que debemos calcular es la presión absoluta soportada por el buceador a 30 metros de profundidad = (3 bares de presión hidrostática + 1 bar de presión atmosférica) = 4 bares

Finalmente calculamos la presión parcial del oxígeno (ppO₂) que será el 21% de 4 bares = (21/100)*4 bares = 0,84 bares

Podemos hacer el ejercicio a la inversa lo que nos permite un mejor manejo de los cálculos

DATOS: Presión parcial del oxígeno 0,84 bares y porcentaje en la mezcla de aire 21%

SE PIDE: Calcular la profundidad en el mar para alcanzar dicha presión parcial

RESOLUCIÓN: Para la resolución observamos el método empleado anteriormente, en el que simplemente multiplicamos el %O₂ por la presión absoluta (PA) a la profundidad de la inmersión y obteníamos la presión parcial ppO₂, es decir:

ECUACIÓN: (%O₂ /100) x PA = ppO₂
_DONDE:
%O₂ :contenido de oxígeno en la mezcla de aire, en tanto por ciento
PA: presión absoluta, en bares
ppO₂: presión parcial del oxígeno, en bares

En el primer caso son conocidos %O2 y PA calculando la ppO2

En el caso que nos ocupa conocemos la ppO2 y el %O2, calculando la PA y a partir de esta la profundidad.

Planteamos la ecuación (21/100) x PA = 0,84, despejamos la PA

PA = 0,84 / (21/100) = 0,84/0,21 = 4 bares de presión absoluta

Como un bar de presión corresponde a la atmosférica nos quedan 3 bares que corresponden a la columna de agua soportada (hidrostática) y como sabemos que cada 10 metros es 1 bar de presión: 3 bares x 10 m/bar = 30 metros de profundidad

El último ejercicio de este apartado consiste en calcular que contenido de oxígeno en la mezcla de aire deberíamos respirar en superficie para soportar la misma presión parcial que en la inmersión

DATOS: Inmersión en mar, presión parcial soportada 0,84 bares

SE PIDE: Calcular el %O₂ en la mezcla de aire de nuestra botella para que respirando en superficie alcancemos la misma presión parcial de 0,84 bares

RESOLUCIÓN: Volvemos a plantear la misma ecuación (%O₂ /100) x PA = ppO₂

En este caso la incógnita es el %O₂ y conocemos la PA que en superficie coincide con la presión atmosférica 1 bar y conocemos asimismo la ppO₂ 0,84 bares, por lo tanto disponemos la ecuación

(%O2/100) x 1 bar = 0,84 bar, despejamos la incógnita (%O2/100) = 0,84 / 1 = 0,84, luego %O2 = 0,84 x 100 = 84%

EJERCICIO DE REPASO

ENUNCIADO/DATOS: Calcular el contenido en oxígeno (%O₂) en la mezcla de aire de nuestra botella para que respirando en superficie soportemos la misma presión parcial de oxígeno (ppO₂) que buceando a 38 metros en mar con aire normal (21%O₂)

RESOLUCIÓN:

Lo primero que debemos calcular es la presión parcial (ppO₂) a 38 metros respirando una mezcla de aire con un contenido en oxígeno del 21%.

Sabemos que a 38 metros de profundidad en el mar soportamos una presión absoluta (PA) de 4,8 bares.

ECUACIÓN: (%O₂ /100) x PA = ppO₂

(21/100) x 4,8 bar = 1,008 bar, es decir 1 bar

Para saber el contenido de oxígeno (%O₂) en la mezcla respirada en superficie volvemos a plantear la ecuación con los datos conocidos y despejamos la incógnita:

(%O₂ /100) x PA = ppO₂

Tenemos (%O₂/100) es la incógnita, PA, presión absoluta en superficie 1 bar, ppO₂ = 1 bar

Despejamos (%O2/100) = ppO2 / PA = 1 bar / 1 bar = 1, por lo tanto %O₂ = 1 x 100 = 100%

Deberíamos respirar oxígeno al 100%

Los tres pilares de la física del buceo son el principio de Arquímedes, las leyes de presiones y las leyes de los gases. El primero explica el fenómeno de flotabilidad, el segundo la variación de la presión con la profundidad y la transmisión de la presión y el último el comportamiento de los gases al variar la presión, el volumen y la temperatura.

PRINCIPIO DE ARQUÍMIDES

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

El cuerpo humano, de promedio, tiene un a densidad muy similar a la del agua. Ello supone que por cada kilogramo de peso desplaza un litro de agua, que también pesa 1 Kg (agua dulce). Aceptaremos que al estar sumergido, ni se hunde ni flota. Para nosotros es relativamente fácil hundirnos y salir a flote si sólo nos vestimos con trajes de baño. Sin embargo al utilizar un traje de buceo, nuestra densidad disminuye considerablemente, por lo que adquirimos flotabilidad positiva y se torna muy difícil sumergirnos. Por ello es necesario utilizar lastre adicional, para de tal forma volver a experimentar flotabilidad neutra o negativa.
Cuando el peso del buzo es mayor que el peso del volumen de agua desplazada su flotabilidad es negativa, el buzo tiende al fondo. Cuando el peso del buzo es menor que el peso equivalente a su volumen su flotabilidad es positiva, el buzo tiende a la superficie. La situación en la que las fuerzas son equivalentes, el peso del buzo es igual al peso del agua que desplaza, la flotabilidad se considera neutra; la fuerza ascendente se anula con la fuerza descendente.

PRINCIPIO DE PASCAL

La presión ejercida sobre un fluido se transmite a todos los puntos del mismo con la misma intensidad, en todas direcciones y de forma instantánea.

La presión atmosférica normal a nivel del mar es de 1 atmósfera. La presión ejercida por una columna de 10 m de agua de mar equivale aproximadamente a 1 atmósfera de presión. Luego, para cálculos rápidos y sencillos, se puede asumir que, por cada 10 metros de profundidad, la presión aumenta 1 atmósfera o 1 bar, pues 1,013 bar=1 atm. De este modo, podemos decir con suficiente precisión, que la presión ejercida sobre un cuerpo a 10 m bajo la superficie del mar es de 2 bar (1 bar P. atmosférica + 1 bar P. hidrostática).

Columna de agua

Columna de agua es una unidad de medida de la presión que representa el peso de una columna de agua pura (densidad 1000 kg./m³.). El múltiplo más utilizado es el metro de columna de agua (mca), que será la presión en el fondo de una piscina de un metro de profundidad

La presión en el fondo de una columna de agua de 1 m de altura sería:

P = 1000 (kg/m3) x1 (m) x 9,80665 (m/s2) = 9806,65 Pa

(Presión = Fuerza /Superficie) è

(Fuerza = Masa x Aceleración) è (Presión = Masa x Aceleración /Superficie) è

(Densidad = Masa/Volumen) è (Presión = Volumen x Densidad x Aceleración /Superficie) è

(Volumen = Superficie x Altura) è (Presión = Densidad x Altura x Aceleración)

Las principales equivalencias con otras unidades de presión se muestran a continuación:

1 mca = 9806,65 Pa

1 atm. = 10,33 mca

10,33 mca = 760 mm Hg

1 bar = 10,2 mca

10 mca = 1 kg/cm2

LEY DE BOYLE - MARIOTTE

Expresa el equilibrio de un gas a temperatura constante (relación entre la presión y el volumen de un gas). Durante la inmersión la variación de temperatura del aire es mínima y por lo tanto la ley de Boyle es especialmente práctica para entender la relación entre presión y volumen.

A temperatura constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión a la que es sometido. O lo que es lo mismo: el volumen de un gas disminuye al aumentar la presión y aumenta al disminuir la presión.
De acuerdo con esta ley, si denominamos V1 al volumen de un gas al someterlo a una presión P1, y V2 al volumen del mismo gas al someterlo a otra presión P2, se enuncia:

[P1 x V1 = P2 x V2]

La presión es inversamente proporcional al volumen de un gas: al aumentar la presión sobre una masa de gas, el volumen de este disminuye proporcionalmente.

LEY DE DALTON

El aire no es un gas puro, sino una mezcla de gases. La ley de Dalton explica que la presión total de una mezcla de gases es la suma de las presiones que ejercería cada uno de los gases componentes ocupando él solo el volumen total (La presión total ejercida por una mezcla de gases es la suma de las presiones parciales de los gases que componen dicha mezcla).

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.

P. Absoluta = P. Parcial (1) + P. Parcial (2) + P.Parcial (3) + ........

LEY DE HENRY

Relativa a la disolución de los gases. Cuando un gas entra en contacto con un líquido, las moléculas de gas (debido a su energía termodinámica - presión y temperatura), van a penetrar la interfase gas-líquido y difundirse en su interior. A este fenómeno se le conoce con el nombre de disolución de los gases.

Cuando un gas se encuentra disuelto en fase líquida se habla de tensión (T) de un gas, a diferencia de la presión parcial (p) de un gas que hace referencia a gases en una mezcla en fase gaseosa.

La ley de Henry explica que a una temperatura dada y en condición de saturación, la cantidad de gas disuelto en un líquido, es directamente proporcional a la presión ejercida por el gas sobre la superficie del líquido.

LEY DE CHARLES

A volumen constante, la presión de un gas varía de forma directamente proporcional a la temperatura. Si se dejan las botellas al sol, la presión del aire de su interior aumenta.

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