Buceando con el USS Barometer

Un frasco de agua de 18m de altura es como un bar贸metro de mercurio para medir la presi贸n atmosf茅rica. El bar贸metro real es un tubo de vidrio con un di谩metro aproximado de 6,35 mm, lleno de mercurio, con su extremo abierto invertido sumergido en un peque帽o recipiente lleno de mercurio. En la parte superior, sellada, el mercurio desciende hasta quedar a una altura de unos 76 cm por encima de la superf铆cie del recipiente. La longitud de la columna es equivalente a una presi贸n (presi贸n atmosf茅rica o barom茅trica) de – 14.7 libras/ pulgada cuadrada absoluta (psia) o 1 bar. Si el experimento se realiza durante una tormenta o en la cima de una monta帽a (es lo que hicieron los investigadores de la 茅poca, alrededor del 1600 DdC), la altura de la columna de mercurio cae como las ca铆das de presi贸n barom茅trica.
 

La columna de mercurio est谩 por encima de la peque帽a balsa de mercurio debido a que la presi贸n atmosf茅rica en la superficie de la piscina lo empuja tubo arriba. El espacio «vac铆o» en el extremo cerrado del tubo, en realidad, est谩 lleno de vapor de mercurio. Para ilustrar este punto, se podr铆a hacer un bar贸metro con agua de mar en lugar de mercurio (y evitar el contacto f铆sico con el mercurio, ya que es muy t贸xico). Si el extremo cerrado de un tubo llenado  con agua de mar se elevase gradual y verticalmente sobre el nivel del mar, la columna de agua salada en su interior se elevar铆a hasta los 10 m., sin importar la longitud del tubo ni cu谩nto se elevase. Si el tubo fuese lo suficientemente grande como para bucear en 茅l, un buceador notar铆a que la presi贸n ambiental disminuir铆a a medida que fuera ascendiendo por su interior.
Esto funciona exactamente de la misma manera que en el bar贸metro de mercurio,excepto que el l铆quido es agua. De hecho, se han constru铆do bar贸metros de agua dulce, pero en vez de 76 cm de altura, son de 11 m de altura (11m altura de agua dulce= 1 atm贸sfera de presi贸n = 76 cm de mercurio = 33pies de columna de agua de mar. El espacio aparentemente vac铆o en el extremo superior del tubo est谩 lleno de vapor de agua, a una presi贸n de 0,05 atm贸sferas absolutas (ATA).

La bomba de succi贸n
Un bar贸metro de agua y una bomba de aspiraci贸n tienen mucho en com煤n. Si abrimos el espacio superior del tubo a la atm贸sfera, el agua cae de nuevo al nivel del mar. Ahora cerremos el espacio superior y hagamos el vac铆o con una bomba de succi贸n, aspirando el agua del mar por el tubo. El agua se elevar谩 hasta los 11m y se detendr谩. En un pozo de agua dulce, es imposible bombear el agua desde una profundidad mayor de 11metros por la misma raz贸n que el agua en un bar贸metro de agua dulce no se elevar谩 por encima de los 11m (m谩s adelante explicaremos el porqu茅).
 

Buceo en altitud
¿Qu茅 le sucedi贸 al pececillo que nadaba en la jarra de agua en el estanque para tortugas de Shayne Pemberton, y qu茅 le pasar铆a a un buceador dentro de un bar贸metro de agua? En primer lugar, hay que recordar que la presi贸n al nivel del mar en la parte inferior de la columna de agua es de 1 ATA, y que la presi贸n en el espacio superior, 11metros m谩s arriba, es de 0,05 ATA (la presi贸n del vapor de agua). Si el buceador ascendiese por el interior de la columna de agua hasta una altura de 5 m, la presi贸n absoluta en este punto ser铆a la mitad de una atm贸sfera absoluta (ATA 0.5), lo que equivale a la presi贸n atmosf茅rica a una altitud de 5.486 m. Si el buceador continuara ascendiendo hasta los 7 m, la presi贸n se reducir铆a a 0,3 ATA, lo que equivaldr铆a a una altitud de 9.144 m. La cima del monte Everest tiene una altura de unos 8.839 m, y el traje de un astronauta espacial esta presurizado a una presi贸n equivalente a una altitud de 9.235 m.
 

El buceador se encuentra en este mundo artificial con dos probelmas de inmersi贸n muy poco probables. En primer lugar, un buceador que respirase aire a 7 m en la columna de agua, perder铆a la consciencia por insuficiencia de ox铆geno (hipoxia), debido a que la presi贸n parcial del ox铆geno a 9.144 m es s贸lo de 0,06 atm o su equivalente al 6% de su presi贸n al nivel del mar. Para evitar la hipoxia, el traje de un astronauta espacial se llena con ox铆geno puro. En segundo lugar, el buceador desarrollar谩 un mal de altura que le provocar谩 una incapacitaci贸n fatal debida a una enfermedad descompresiva (ED), al convertirse en burbujas el nitr贸geno disuelto en sus tejidos. Para evitar la ED, los astronautas respiran ox铆geno puro durante un m谩ximo de cuatro horas a nivel del mar, eliminando as铆 el nitr贸geno disuelto antes de que se descomprima a la presi贸n de los trajes espaciales. Piense en este mundo artificial: una columna de aire compresible de m谩s de 330Km de altura es sustituida por una columna de agua de mar de 10m de altura, incompresible.

Cada columna ejerce el mismo peso en la superficie del oc茅ano. Bucear en un bar贸metro de agua ser铆a una forma inteligente de ense帽ar ambos concepto de presi贸n, tanto la manom茅trica como la absoluta, si no fuera por la hipoxia y la ED… Hervir en fr铆o ¿Por qu茅 la altura de la columna en un bar贸metro de agua de mar est谩 limitada a 10 m y por qu茅 no se puede bombear agua de pozos a m谩s de 11 metros de profundidad? Esto obedece al mismo fen贸meno que la ebullici贸n. A temperatura ambiente, 22 °C, la presi贸n de vapor de agua es de 0,05 atm. Cuando el agua se calienta, su presi贸n de vapor se incrementa, y cuando la temperatura alcanza los 100 °C, la presi贸n de vapor es de 1 atm. As铆, el agua hierve cuando su presi贸n de vapor es igual a la presi贸n absoluta (ambiental). Piensa en ello de otro modo. Cuando se asciende a una monta帽a, al ser la presi贸n atmosf茅rica menor, el agua hervir谩 a una menor presi贸n de vapor (a menor temperatura). Lo contrario es cierto en una olla a presi贸n, donde el aumentar la presi贸n en la olla, se retrasa el punto de ebullici贸n hasta una temperatura m谩s alta.
 

La descompresi贸n de la burbuja
Aqu铆 tenemos una lecci贸n acerca de lo que les sucede a las burbujas que se forman durante la descompresi贸n Las burbujas se forman cuando la suma de todas las presiones parciales de los gases disueltos (nitr贸geno, ox铆geno, di贸xido de carbono, helio, etc) -m谩s la presi贸n del vapor de agua – excede a la presi贸n absoluta Esto se conoce como «sobresaturaci贸n ». Durante el buceo, sin embargo, y a diferencia de la ebullici贸n, la presi贸n de vapor de agua es mucho menor que la presi贸n parcial del nitr贸geno disuelto, por lo que el nitr贸geno, en lugar del vapor de agua, impulsa la formaci贸n de burbujas. Algunos te贸ricos sostienen que durante la descompresi贸n es posible que soportemos valores de sobresaturaci贸n m谩s grandes, antes de que se formen burbujas en la sangre y en los tejidos pero, de existir, estos excesos de sobresaturaci贸n son muy peque帽os. Las burbujas silenciosas («silent bubbles») que no causan ning煤n signo o s铆ntoma de E.D., pueden estar presentes, incluso despu茅s de inmersiones  triviales. Controles rutinarios por ultrasonidos en humanos han detectado burbujas en sobresaturaciones tan bajas como puedan ser inmersiones en agua salada a 0,4 atm (-4m). Tal vez las grandes sobresaturaciones en la teor铆a de la descompresi贸n representan burbujas silenciosas que son demasiado peque帽as o est谩n en el lugar equivocado para causar s铆ntomas.
 

Incluso hay una lecci贸n a煤n m谩s ex贸tica concerniente a la formaci贸n de burbujas: el vapor de agua abandonar谩 la superficie del agua s贸lo si hay una superficie de gas adyacente. Si no hubiera ninguna superf铆cie de gas en el bar贸metro de agua, ser铆a posible elevar la columna de agua a miles de metros en el aire y hacer que estuviese adherida al extremo del tubo. Por extra帽o que pueda parecer, la presi贸n en la parte superior de la columna ser铆a cientos de veces inferior a la presi贸n atmosf茅rica. Esto ha sido demostrado experimentalmente con agua pura y sobrecalentada, que no hierve aunque la presi贸n de vapor sea cientos de veces mayor que la presi贸n atmosf茅rica. Cuando finalmente de forma una burbuja de vapor de agua pura, es cuando el agua ha llegado al l铆mite de su “tensi贸n”, a parte de la resistencia a la fractura. Esto se conoce como la formaci贸n de burbujas “de novo”, o la formaci贸n de burbujas «de la nada.» La realidad es que casi siempre las burbujas se forman a partir de «algo», y ese algo es una peque帽a cavidad de gas, ya sea en el agua de mar o en nosotros. ¿Qui茅n dijo que la f铆sica era aburrida?

Sobre el Autor

Richard Vann se incorpor贸 al Centro M茅dico y de Fisiolog铆a Ambiental de la Universidad de Duke con un doctorado en ingenier铆a biom茅dica. Ha investigado la formaci贸n de burbujas y el intercambio de gas inerte. Ha desarrollado t茅cnicas de descompresi贸n utilizadas en buceo cient铆fico y por los astronautas de la Estaci贸n Espacial durante las EVAs (*). Vann es el actual Vicepresidente de Investigaci贸n de DAN.

(*) Nota del Traductor:
EVA son las siglas de Actividad Extra Vehicular, lo que normalmente se conoce como «paseos espaciales».

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