FISICA DEL BUCEO-DESPLAZAMIENTO DE OBJETOS

 FLOTABILIDAD Y LEY DE ARQUIMEDES
 LAS LEYES FISICAS Y SUS EFECTOS

 
 Un cuerpo sumergido en el agua (o en cualquier otro líquido)experimenta un empuje ascendente igual al peso del agua (o líquido)que desaloja. Este enunciado nos permite conocer la flotabilidad de un objeto en el agua si conocemos su volumen y su peso, ya que la flotabilidad es igual a:  flotabilidad = volumen x densidad líquido - peso
La flotabilidad viene dada en kilos cuando el volumen se expresa en litros, la densidad en kilos por litro y el peso en kilos. Como la densidad del agua es de 1 kg/ltr., la expresión queda reducida a: flotabilidad = volumen - peso
 Para el agua de mar la densidad es aproximadamente de 1,03 Kg/ltr, por lo que si se desea realizar cálculos más ajustados habrá que tener en cuenta ese hecho. Por ejemplo, si en el mar necesitamos 6 kilos de plomo para estar correctamente equilibrados con un equipamiento dado, si el peso total es de 85 Kg (sin los plomos) ¿cuánto necesitaremos para una inmersión en agua dulce?.

En el agua de mar se cumple:
 V x 1.03 - 85 = 6
luego: V = 91/1.03  

En el agua dulce tendremos:
 91/1.03 x 1 - 85 = 87,9 - 87 = 2,9 Kgr. 

Es decir, necesitaríamos, en este caso, la mitad de lastre que en elmar. Cuando el peso en kilos es mayor que el volumen en litros, la
flotabilidad tiene un valor negativo. La interpretación de este resultado es que un objeto de esas características no flota, sino que se hunde. De la expresión anterior deducimos así mismo que cuando un objeto varía en su volumen sin modificar su peso, la flotabilidad
también varía en la misma magnitud en la que lo hace el volumen.Este es nuestro caso en el proceso respiratorio, en el que modificamos nuestro volumen en un proceso normal de inspiración/ expiración en inmersión de uno a tres litros, lo que supone una variación en la flotabilidad de uno a tres kilos. Otro elemento que nos modifica la flotabilidad es el neopreno. Supongamos un neopreno que pesa 2 kilos y que necesita 6 kilos de plomo para que quede con flotabilidad neutra.
 Esto quiere decir que su flotabilidad es de 8, luego:
6 = volumen - 2, de donde deducimos que su volumen es de 8 litros 

A 20/30 metros de profundidad el espesor del neopreno puedehaberse reducido a la mitad, por lo que el volumen del mismo se habrá reducido también a la mitad. Su flotabilidad es entonces de:

flotabilidad = 4 - 2 = 2, es decir, hemos sufrido una pérdida de flotabilidad de 4 kilos

El peso del aire frente al del agua (a igualdad de volumen) es despreciable, por lo que los espacios ocupados por aire producen un empuje ascendente que es prácticamente igual al del peso del agua con ese mismo volumen.

  
 Este hecho permite manejar grandes pesos bajo el agua sin más que emplear boyas hinchables en el número y tamaño adecuado. Por ejemplo, si queremos elevar un objeto que tiene un volumen de 1500 litros y un peso de 2500 kilogramos, el peso neto del mismo bajo el agua es de: ·  peso neto = 1500 - 2500 = 1000 kg.
Por tanto, amarrando, p.ej., 5 boyas de 200 litros de capacidad cada una, lograríamos un empuje ascendente de 1000 kg y el objeto quedaría ingrávido. Con algo más de empuje lograríamos llevarle hasta la superficie


   EJEMPLO
 
 40 metros se encuentra un objeto cuyo peso es de 500 kg. y su volumen es de 300 litros.

Convenio de signos:

(+) Fuerza ascendente (flotabilidad positiva), se corresponde con el empuje, E

(-) Fuerza descendente (flotabilidad negativa), se corresponde con la fuerza de la gravedad, P

El objeto está expuesto a:

-          una fuerza que tiende a hundirlo (fuerza de la gravedad) y es su peso 500 kg. (P = -500 kg)

-          una fuerza que tiene de llevarlo a la superficie (empuje) y corresponde al peso del agua desplazada (volumen del objeto sumergido), E= 300 l x 1,03 kg/l = 309 kg

Tenemos una fuerza negativa de 500 kg frente a otra positiva de 309 kg, el diferencial es negativo con un valor de 500 – 309 = 191 kg. (flotabilidad negativa)

La flotabilidad NEUTRA se consigue con el equilibrio de fuerzas, es decir, P = E

Por lo tanto debemos compensar un E=191 kg.

ECUACIÓN: E = V x d

Donde

E, empuje en kg

V, volumen en l

d, densidad del agua (mar 1,03 kg/l)

Conocemos el empuje (191 kg) y la densidad (1,03 kg/l), despejamos la incógnita que es el volumen:

E = V x d → V = E / d = 191 / 1,03 = 185,44 l.

CONCLUSIÓN: Necesitamos un globo de aire de 185,44 litros para conseguir flotabilidad neutra, a partir de este valor cualquier incremento de volumen de aire en el globo llevará irremediablemente nuestro objeto a la superficie.



 

EJEMNPLO

  Llevar a la superficie del mar un objeto con peso y volumen conocido.

Un buceador trata de rescatar un objeto a una profundidad de 26 metros, en agua salada, utiliza una cámara de aire y precisa una fuerza de empuje de 29 kg. para liberar el objeto del fondo.

Se pide calcular cuánto se expande el aire de la cámara al salir a la superficie y sabiendo que la cámara puede expandirse hasta un volumen máximo de 110 litros ver si es capaz de soportar la presión interna del gas en expansión.

Sabemos que la densidad del agua salada es de 1,03 kg/l

Sabemos que debemos generar un empuje ascensional por valor de 29 kg. Para ello debemos introducir aire en la cámara hasta desplazar un volumen de agua de mar cuyo peso sea de 29 kg.

ECUACIÓN: E = V x d

Donde

E, empuje en kg

V, volumen en l

d, densidad del agua (mar 1,03 kg/l)

Conocemos el empuje (29 kg) y la densidad (1,03 kg/l), despejamos la incógnita que es el volumen:

E = V x d → V = E / d = 29 / 1,03 = 28,16 l.

CONCLUSIÓN: Necesitamos introducir en la cámara de aire un volumen de 28,16 l para conseguir flotabilidad neutra, a partir de este valor cualquier incremento de volumen de aire en el globo llevará irremediablemente nuestro objeto a superficie.

28,16 litros a una profundidad de 26 m. (PA = 3,6 bar) al llegar a superficie (PA = 1 bar) es 3,6 veces menos denso y por lo tanto 3,6 veces más voluminoso. V = 28,16 l x 3,6 = 101,36 l. Volumen del aire expandido en superficie dentro de la cámara de aire. Como Vmax = 110 l > 101,36 l →NO EXPLOTA LA CÁMARA

Para una mejor comprensión del ejercicio recordar P1 x V1 = P2 x V2

3,6 x 28,16 = 1 x V2 → V2 = 101,36 l



J.VAZQUEZ