Author: Conrad H. Blickenstorfer
Física de mergulhoSe você clicou no link para esta página, você é uma alma corajosa e também inteligente. O termo "física" é intimidante para a maioria das pessoas. Pode até ser intimidante para pessoas altamente educadas. Heck, a maioria da física é ministrada no ensino médio e na faculdade, e mesmo pessoas com graus avançados rapidamente esquecem a maioria dos conhecimentos escolares e se concentram no que realmente importa na vida. Se você realmente fosse um físico, desculpe. Você pode ignorar esta página, embora provavelmente mesmo não deveria.Então, por que a "física" faz parte de todo currículo de classe de mergulho? Isso porque o esporte de mergulho envolve lidar com um ambiente que não é natural para nós humanos. Claro que tomamos banho e banhamos e nadamos (e em algum momento todos os mamíferos emergiram do oceanos], mas na verdade estão debaixo d'água, Isso é completamente diferente. Não podemos respirar debaixo d'água. A água é fundamentalmente diferente do ar. E se não entendemos as regras inteiramente diferentes de ser, e sobreviver, debaixo d'água, o mergulho pode ser perigoso ou mesmo mortal. O que é tão diferente que você pode perguntar. Basta pegar um tanque de ar comprimido com você e você está pronto. Não tão. Subaquática, tudo é diferente. Nossos sentidos funcionam de forma diferente. Vemos de forma diferente por causa da óptica da água. Ouvimos de forma diferente porque o som viaja muito mais rápido. Há o arrasto da água e o fato de que as leis da gravidade não parecem mais aplicar a maneira como as conhecemos instintivamente em terra firme. As cores são diferentes porque algumas delas são absorvidas pela água de forma muito diferente do que pelo ar. A água é um condutor muito melhor do calor do que o ar. Como resultado, perdemos calor muito mais rapidamente em água fria. Mais importante ainda, a água é muito, muito mais densa do que o ar. Ao nível do mar, a água pesa cerca de 800 vezes mais do que o ar. O que significa que enquanto você mergulha, você é rapidamente submetido a uma pressão muito substancial. Como o corpo humano consiste principalmente em água, você não está em perigo de ser esmagado. No entanto, os gases dentro do corpo humano são muito afetados. Eles são comprimidos muito mais mergulhando e o impacto dessa é a razão mais importante pela qual qualquer mergulhador deve estar ciente da física de estar debaixo d'água. Então vamos começar com as aulas de física. Manteremos isso simples, mas percebemos que algumas dessas leis são baseadas em equações bastante complexas. Você não precisa entender todas as partes de todas as leis ou equações, mas você deve entenda o que significa para você e para o seu corpo quando estiver subaquático. Então vamos começar! FlutuabilidadeO dicionário descreve a flutuabilidade, na medida em que se aplica a estar dentro ou abaixo da água, como "a tendência ou a capacidade de permanecer a flutuar em um líquido". Esse fenômeno é baseado em algo descoberto pela primeira vez pelo cientista grego antigo Arquimedes, que viveu há mais de 2.200 anos. O que ele encontrou foi um objeto que está parcial ou totalmente imerso em água é empurrado por uma força igual ao peso do fluido deslocado. Isso, obviamente, é de grande importância para os mergulhadores. No mergulhador falar, "flutuabilidade neutra" significa que você (seu corpo e qualquer equipamento que você tem em você) é exatamente tão denso como a água. Aplicando a descoberta de Arquimedes, isso significa que você apenas flutua no lugar e não se levanta nem afunda. Se a soma total do seu corpo for menos densa do que a água circundante, você é "positivamente flutuante" e você se levanta. Se você e sua arte são mais densos do que a água, você é "negativamente flutuante," e você afunda. Então, se você pensou que o mergulho simplesmente significava nadar ou voltar, não é assim. O mergulho apropriado significa que você sempre tem que controlar sua flutuabilidade.Como controlar a flutuabilidade? Existem três formas principais. O primeiro é adicionando pesos. Aqueles podem ser anexados ao corpo do mergulhador de várias maneiras. Como regra geral, eles geralmente representam cerca de 10% do peso corporal. O segundo caminho é usando o Compensador de flutuabilidade (BC), também chamado de dispositivo de controle de flutuabilidade (BCD). O BC recebe seu ar do tanque de mergulho e é usado para ajustar a flutuabilidade em várias profundidades. É, claro, também um dispositivo de segurança, se um mergulhador precisar subir rapidamente. O terceiro, e (para iniciantes) menos eficaz, o controle de flutuabilidade é seus pulmões. A maioria das pessoas é positivamente flutuante na água com os pulmões cheios de ar, mas negativamente flutuante quando expirar. Tenha em mente que a flutuabilidade global depende de muitas coisas: o tamanho e peso do mergulhador, o tipo de traje de mergulho, o cinto de peso, o design e o peso da unidade de mergulho, o ar no BC, o ar no seu os pulmões, o ar restante no tanque, todas as coisas que você carrega com você, e também se você está mergulhando em água fresca ou salgada. A água salgada contém minerais dissolvidos, principalmente sal. Na verdade, estamos falando de cerca de 30 a 35 quilos de sal em mil libras de água, o que significa que a água do mar é mais densa e, portanto, exerce um pouco mais de flutuabilidade ascendente em seu corpo. Gassy importaQuando se trata de mergulhar, os gases e a forma como eles se comportam não têm nada a ver com o humor sophomoric tão apreciado pelos jovens. De fato, o comportamento dos gases nas pressões encontradas na água torna-se um assunto muito importante e muito importante. Se não for devidamente compreendido e respeitado, eles podem se tornar uma questão de vida e morte.O principal problema aqui é que os gases são de baixa densidade em comparação com a água. Para todos os efeitos práticos, a água não se comprime, mesmo no fundo do oceano (bem, sim, mas não o suficiente para importar-se para o mergulho). O gás, por outro lado, pode ser facilmente comprimido, e as coisas acontecem quando o faz. É por isso que é essencial ter uma compreensão básica das leis que regem o comportamento do gás. Agora, o que estamos preocupados? É apenas o ar em geral, ou os diferentes componentes do ar? Ambos. O que chamamos de "ar" na verdade consiste em uma série de gases, mas dois compõem quase tudo. O primeiro é oxigênio. Os cientistas sabem disso como um elemento químico na tabela periódica que lista todos os elementos químicos conhecidos pelo homem. É conhecido pelo símbolo "O" e carrega o número atômico 8. O oxigênio é o segundo elemento mais comum na terra e compõe cerca de 21% do ar que respiramos. O oxigênio facilmente se liga com outros elementos e, portanto, traz nutrientes ao redor do nosso corpo e, assim, permite a vida. O oxigênio se liga facilmente com praticamente todos os outros elementos, o que o torna um elemento tremendamente útil. Claro, também é a razão pela qual as coisas ferram, e muito oxigênio pode realmente ser venenoso para o corpo humano. Chegaremos a isso mais tarde. O segundo é nitrogênio, outro elemento na tabela do período, carregando a letra "N" e o número atômico 7. O nitrogênio é, de longe, o maior componente do nosso ar, 78%. No corpo humano, na verdade não faz nada. Acima da água, seja qual for o nitrogênio que respiremos, também expiramos. Algum nitrogênio é absorvido pelos nossos corpos e apenas permanece lá. O restante de um por cento de gás no ar consiste em uma variedade de elementos, como argônio, néon, hélio, metano, Krypton, hidrogênio, dióxido de carbono e outros. Com exceção do dióxido de carbono, esses rastreamentos não são importantes quando você mergulha. O oxigênio e o nitrogênio, no entanto, são importantes. Oxygen, porque você precisa para viver. E Nitrogênio porque pode fazer coisas ruins para o seu corpo. Os efeitos do nitrogênio são, de fato, a principal razão pela qual os mergulhadores devem saber sobre a física dos gases.
O problema com nitrogênioEntão, o que faz o nitrogênio um cara mau? O problema é que quando você mergulha, a pressão aumentada da água comprime o nitrogênio e mais disso se dissolve em seu corpo. Assim como existe um ponto natural de saturação de nitrogênio na superfície, há pontos de saturação debaixo da água. Isso depende da profundidade, do tipo de tecido corporal envolvido, e também quanto tempo um mergulhador é exposto à pressão extra. Quanto mais você mergulhar, mais nitrogênio absorve seu corpo. Pior ainda, quanto mais profundo você for, maior a diferença entre o nitrogênio já absorvido em seu corpo e o que ele agora pode segurar, o que significa que mais nitrogênio é absorvido cada vez mais rápido. Absorver o nitrogênio não é realmente o problema, pelo menos não até certo ponto (se você mergulhar mais de 100 pés ou mais, o nitrogênio pode resultar em narcose de nitrogênio - mais sobre isso mais tarde).O problema é livrar-se do nitrogênio, uma vez que você ascende novamente. À medida que a pressão diminui, o nitrogênio começa a dissolver-se dos tecidos do corpo do mergulhador, um processo chamado "fora de gaseificação". Isso resulta em pequenas bolhas de nitrogênio que então são levadas para os pulmões e expulso. No entanto, se houver muito nitrogênio e / ou é lançado com muita rapidez, pequenas bolhas podem se combinar para formar bolhas maiores, e aquelas podem causar danos ao corpo, desde pequenos desconfortos até grandes problemas e até a morte. É por isso que os mergulhadores devem conhecer o comportamento dos gases sob pressão e é por isso que os instrumentos de mergulho são absolutamente essenciais. E por que existem "mesas de mergulho" que calculam a quantidade de nitrogênio absorvida e podem ser liberados com segurança. [Clique para obter uma explicação sobre Dive Tables] O nitrogênio fora de gaseamento é uma questão extremamente complexa que atualmente ainda depende apenas de modelos e aproximações derivadas de décadas de observação e testes. E como se a física subjacente não fosse suficientemente complexa, cada mergulhador individual é diferente e absorverá e libertará nitrogênio de uma maneira diferente. Diferentes tecidos corporais, por exemplo, têm propriedades de absorção / difusão muito diferentes. Cartilagem e osso são muito lentos para absorver e liberar nitrogênio, tecido pulmonar muito rápido. A gordura corporal, que varia muito entre os indivíduos, tem uma afinidade muito maior para a absorção de nitrogênio e pode afetar significativamente a descompressão. As Leis do GásCom tudo isso em mente, espero que esteja pronto para algumas leis que regulam o comportamento dos gases. Essas leis geralmente são nomeadas após as pessoas que as descobriram, então você aprenderá sobre a lei de Boyle e as de monstros Charles, Dalton e Henry. Aqui vamos nos:Lei de Sir Robert Boyle diz que, à medida que a pressão do gás aumenta, o volume de gás diminui. Lei de Jacques Charles diz que com pressão constante, o volume de gás aumenta e diminui com sua temperatura. John Dalton acrescentou que em uma mistura de gases, a pressão total do gás é igual à soma de suas pressões individuais. William Henry, finalmente, percebi que a quantidade de gás que se dissolverá em um líquido é função de sua pressão parcial e com que facilidade o líquido absorve gás.
Agora, por que essas leis são importantes para os mergulhadores?Lei de Boyle descreve como o gás fica comprimido à medida que a pressão aumenta. A pressão é medida em muitas unidades, mas por motivos de simplicidade, vamos usar atmosferas. Uma atmosfera é a pressão do ar no nível do mar. Uma atmosfera também se traduz em 14,7 libras por polegada quadrada, ou 14,7 psi. A uma profundidade de 33 pés na água, a pressão dobra, o que significa que o gás é comprimido para metade do seu volume. E cada respiração regular de ar realmente absorve duas vezes mais moléculas de ar que na superfície. Isso significa que o ar no tanque só dura metade do tempo. Por cada 33 pés adicionais de profundidade, a pressão aumenta por outra atmosfera. Assim, a pressão total a 33 pés é de duas atmosferas, a 66 pés de três ambientes, e assim por diante. A uma profundidade de cem pés, a pressão é de quatro ambientes, e o ar no tanque só dura um quarto do tempo na superfície.E é por isso que a lei de Boyle vem primeiro: Imagine tomar um sopro de ar a uma profundidade de 33 pés, depois segurando a respiração e subindo para a superfície. O ar se expandirá para o dobro do seu tamanho, o que pode levar a uma presença anormal de ar ao redor dos pulmões ("pneumotórax"), o que pode resultar no colapso do pulmão e outras coisas desagradáveis. Isso também pode levar a Embolia aérea arterial, uma condição perigosa onde as bolhas de ar entram na corrente sanguínea e causam bloqueios. Ou algo chamado Emphysema Mediastinal, o que significa que o ar está preso no centro do baú. Finalmente, as bolhas de ar podem ficar debaixo da superfície da pele, causando Enfisema subcutâneo--desagradável. Assim, a lei de Boyle exige diretamente a regra mais importante da segurança do mergulho: quando você mergulha de mergulho! Lei de Charles descreve por que um cilindro de mergulho que está sendo preenchido com ar fica bastante quente (alguma vez percebeu como uma bomba de bicicleta fica quente quando você a usa?). Então está bem cheio na loja de mergulho, mas uma vez que esfria, vê que a pressão dentro do tanque agora é muito menor. Isso porque a pressão do gás diminui quando o gás fica mais frio. Lei de Dalton explica como as pressões parciais de gases individuais compõem toda a pressão. Portanto, a relação entre os gases permanece a mesma, mas como eles são comprimidos, eles podem causar danos. Por exemplo, se um compressor ruim bombeia algum monóxido de carbono para dentro do tanque, na superfície que não causaria muito dano, mas, em profundidade, a quantidade de monóxido de carbono inalado poderia se tornar mortal. Por que é que? Porque, enquanto a porcentagem de monóxido de carbono permanece a mesma, por exemplo, 100 pés, ainda respiramos quatro vezes mais moléculas de monóxido de carbono - para causar danos. Da mesma forma, os gases normalmente seguros como o oxigênio podem tornar-se tóxicos sob grande pressão. Lei de Henry é extremamente importante, pois descreve como o gás é absorvido em líquidos sob pressão. O problema é que os vários tecidos do corpo humano absorvem e liberam gases a taxas diferentes. E as pessoas também vêm em todos os tamanhos e formas. Isso significa que é extremamente difícil prever com precisão "ingassing" e o "excesso de gás" muito mais perigoso dentro e fora do tecido. As mesas de mergulho e, mais recentemente, os computadores de mergulho, contêm dados que mostram taxas seguras de subida, mas todos são baseados em inúmeros pressupostos. Como resultado, existem diferentes algoritmos, todos os quais são susceptíveis de errar do lado de cautela. Mesa do direito do gásA tabela abaixo ilustra o impacto das leis de Boyle e Dalton na pressão do ar e na densidade. Observe que o limite de mergulho esportivo é de cerca de 130 pés. A essa profundidade, você está sujeito a uma pressão total de cinco atmosferas e o ar no seu tanque foi comprimido para 1/5 de seu volume. O que significa que ele dura apenas 1/5. E quando você observa as pressões parciais de nitrogênio e oxigênio enquanto mergulha mais fundo, você pode ver como as leis de Henry vai fazer um monte de nitrogênio dissolver nos tecidos do seu corpo.
Mergulho de altitudeQuando você mergulha, você está lidando com dois tipos de pressão. Uma é a pressão variável sob a água, enquanto você mergulha. O outro é a pressão do ar, uma vez que você está de volta à superfície. As mesas de mergulho assumem que a pressão para ser a pressão do ar do nível do mar, e os tempos de intervalo de superfície e seu impacto na liberação de nitrogênio são baseados nesse pressuposto. Mas e se você mergulhar em altitudes mais elevadas? O PADI Recreational Dive Planner avisa que o mergulho acima das altitudes de 1.000 pés requer considerações especiais. Existem vários.Por exemplo, se você começar no nível do mar e, em seguida, conduzir uma montanha para mergulhar em uma montanha como, como Lake Tahoe, que é de 6.200 pés, você começa a ter nitrogênio residual em seu corpo e seu primeiro mergulho deve ser tratado como um mergulho repetitivo, a menos que você espere o tempo suficiente para que seu corpo primeiro se ajuste totalmente à nova altitude. Além disso, enquanto a água pesa o mesmo em altitude do que no nível do mar (exceto pela pequena diferença entre água salgada e água doce) e a pressão extra exercida em seu corpo, digamos, 66 pés de água é o mesmo que ao nível do mar, uma vez Você sai da água, a pressão do ar é mais baixa. O que significa que a relação de pressão entre sua profundidade mais profunda e a superfície é maior nas elevações mais altas do que seria se você tivesse mergulhado na mesma profundidade ao nível do mar. Para ser seguro, você deve calcular o que a profundidade do oceano resultaria na mesma relação de pressão de profundidade para superfície que sua profundidade de altitude e, em seguida, use essa profundidade teórica para determinar seu limite máximo de não descompressão. Existem tabelas de ajuste de altitude onde você pode procurar as profundidades teóricas para diferentes altitudes. Para exemplos de tabelas de ajuste de altitude elevada, clique aqui ou aqui. Ao usar o sistema PADI, você pode assumir que cada 1.000 pés de elevação adicional é equivalente a dois grupos de pressão. E, como sempre, você arredonda. Portanto, uma elevação de 7.200 pés seria tratada como 8.000 pés. Além disso, sua subida máxima deve ser mais lenta. PADI recomenda 30 pés por minuto em oposição a um máximo de 60 pés por minuto no nível do mar. Luz e visãoVemos diferente sob a água, e a razão, mais uma vez, é a física. A própria máscara de mergulho, com a lente de vidro ou as lentes planas, curva a luz para que os objetos subaquáticos sejam ampliados em cerca de um terço. Eu digo "sobre" porque o fator de ampliação depende tanto de quão longe as lentes são dos olhos, e também de quão longe é um objeto. Por algum motivo, os mergulhadores inexperientes tendem a subestimar a distância de objetos próximos e a superestimar a distância a objetos mais distantes. Existem máscaras de mergulho especiais que tentam eliminar essa distorção, mas têm suas desvantagens e exigem se acostumar.Cores também são diferentes debaixo d'água. As cores são realmente nada mais do que diferentes comprimentos de onda refletidos por um objeto. Subaquática, as ondas viajam de forma diferente, e alguns comprimentos de onda são filtrados pela água mais cedo do que outros. As ondas de energia mais baixas são absorvidas primeiro, então o vermelho desaparece primeiro, depois a laranja, depois o amarelo. O verde permanece mais longo e azul o mais longo, e é por isso que as coisas parecem mais azuis quanto mais você for. Enquanto a água estiver limpa, isto é. Em águas turcas, há menos penetração de luz e as coisas tendem a parecer amareladas de verde. Mesmo nas melhores condições, as cores só podem ser vistas até uma profundidade de mais de 100 pés. Abaixo, as coisas parecem pretas ou cinzentas. A forma como as cores são absorvidas tem um impacto na fotografia subaquática: uma boa fonte de luz é necessária para imagens vibrantes. Mas espere, há mais. Ou melhor, menos. Veja, a superfície da água é reflexiva e pode agir um pouco como um espelho. Ao meio dia, com o sol direto na cabeça, isso não é grande coisa e quase toda a luz do sol entra na água. No entanto, cedo e tarde no dia em que os raios do sol atingem a água em ângulos rasos, quase toda a luz se reflete e não entra na água. Portanto, esteja ciente de que pode escurecer mais cedo do que você pensa. SomO som viaja muito mais rápido na água do que no ar, sobre quatro vezes mais rápido. Sons também viaja mais longe na água. (É por isso que os militares estão tão preocupados em ter submarinos silenciosos.) E o som subaquático é afetado pela pressão, temperatura da água e salinidade. Isso pode produzir resultados interessantes quando o som subaquático atende a duas camadas de água com diferentes temperaturas.Tudo isso significa que nossa audiência, que é projetada para interpretar o som no ar, pode facilmente se confundir debaixo d'água. Nosso cérebro detecta a fonte e, em certa medida, a distância, de um som pela diferença entre sua chegada na orelha direita e esquerda. Com o som subaquático muito mais rápido, nosso cérebro não pode processar a direção com facilidade, e o som subaquático geralmente aparece como sendo todo em torno de um mergulhador. Perda de calor na águaSe você já notou que se sentia perfeitamente confortável, caminhando por 68 graus Fahrenheit, mas a água da mesma temperatura parece muito frio rapidamente, é porque a água é um condutor muito melhor do que o ar. Então, na terra, a diferença de cerca de 30 graus entre a temperatura do ar ea temperatura do seu corpo não é grande coisa. No entanto, ao mergulhar, a água que entra em contato com o seu corpo aquece, se expande e rapidamente leva o calor longe de você. Como resultado, você se sente frio em nenhum momento. De fato, a água remove o calor do seu corpo entre 25 e 40 vezes mais rápido que o ar!Outra razão para maior perda de calor quando o mergulho está respirando. A respiração geralmente representa cerca de um quarto da perda de calor do nosso corpo sob a forma de ar quente exalado. Quanto mais mergulhamos, mais denso é o ar que respiramos. A uma profundidade de 33 pés, o ar que respiramos e exalamos já é duas vezes mais denso do que na superfície, o que significa que a perda de calor da expiação é duas vezes maior. Esta perda acelerada de calor é o motivo pelo qual os mergulhadores usam "fatos de exposição", fatos de mergulho que são misturadores selados que não permitem a entrada de água ou roupa de mergulho onde alguma água entra. As malhas funcionam usando uma fina camada de ar além do isolante propriedades do terno. Em roupa de mergulho, uma fina camada de água que foi aquecida pelo seu corpo faz o mesmo. Infelizmente, a física subaquática joga vários outros curvas: a pressão crescente comprime as bolhas de gás isolantes dentro do terno de exposição, tornando-o cada vez mais efetivo, mais profundo você vai. É por isso que há recomendações quanto ao tipo e espessura do terno que você deve usar a diferentes temperaturas da água.
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