La ciencia del buceo (II) – Desplazamiento, flotabilidad y percepción

Por Juan Carlos Gil Montoro, el 28 julio, 2020. Categoría(s): Biología • Divulgación • Física

Introducción

Esta es la segunda entrada de una serie sobre la ciencia del buceo: los efectos que produce en nuestro cuerpo y cómo los mitigamos.

En la primera entrada tratamos la situación de inmersión, cómo resolvemos el respirar bajo el agua así como la pérdida de calor. En esta entrada cubrimos las dificultades para el desplazamiento, los efectos de flotabilidad y cómo la inmersión afecta a la percepción por parte de nuestros sentidos. Finalmente, en una tercera entrada discutiremos los grandes cambios de presión que experimenta el organismo en el medio acuático y las consecuencias que provoca.

Desplazamiento

Al andar movemos el aire que está frente a nosotros sin apenas darnos cuenta (excepto si el viento sopla fuerte) debido a su baja densidad. Sin embargo el agua tiene una densidad y una viscosidad dinámica unas 800 y 50 veces superiores a las del aire, respectivamente, por lo que trasladarnos en el medio acuático supone cierto esfuerzo. Cualquiera ha podido experimentar este efecto al andar con el agua hasta el pecho, circunstancia que se aprovecha para diseñar tablas de ejercicio muy efectivas así como ejercicios de rehabilitación en piscina.

La resistencia hidrodinámica en el mar es superior a la que encontramos en agua dulce debido a su mayor densidad (1027 frente a 1000 kg/m3) por su contenido en sales. Sin embargo, la oposición que ofrece a nuestro movimiento no aumenta con la profundidad a la que nos encontremos debido a que el agua es un líquido prácticamente incompresible (para ser precisos la densidad del agua de mar si aumenta muy ligeramente con la profundidad hasta unos 1000 m, por efecto de la disminución de la temperatura [Densidad agua mar]).

Para disminuir el coeficiente de penetración hidrodinámica del cuerpo conviene bucear en posición horizontal. Es muy común en buceadores noveles inclinarse hacia arriba ligeramente, a menudo por exceso de lastre. Esa posición se llama de trim positivo y produce un cansancio adicional no sólo por la mayor resistencia del agua al tener que trasladar más cantidad. También cuesta algo más respirar por la diferencia de presión hidrostática entre la boca y los pulmones al estar a diferente profundidad. Más aún, la patada es menos eficiente (buceando con SCUBA no se nada con las manos sino que se patalea con los pies). La posición más confortable para el buceo es la horizontal o de trim neutro.

Las aletas de buceo son un aliado imprescindible del buceador. Están diseñadas de tal forma que exhiben rigidez transversal y flexibilidad longitudinal para que el pataleo sea eficiente. Por otra parte, existen los denominados vehículos de propulsión para buceo (VPB; Diver Propulsion Vehicle, DPV) que tienen una batería, un motor eléctrico y una hélice para desplazarse fácilmente bajo el agua. Son útiles por ejemplo para la exploración de cavernas subacuáticas, lo que se conoce como espeleobuceo (recomiendo ver el documental Túnel de la Atlántida: Viaje a lo desconocido del programa Al filo de lo imposible [Espeleobuceo]) o cuando hay que lidiar con corrientes submarinas.

Vehículo de propulsión para buceo
Ilustración 1: Vehículo de propulsión para buceo. Fuente: Wikimedia.

Las corrientes son un movimiento dirigido de agua debido al viento, la ruptura de las olas, la aceleración de coriolis [Coriolis] o diferencias en temperatura y salinidad (incluso aguas con la misma densidad pueden mezclarse dando lugar a una más densa que se hunde por debajo de las originales, fenómeno que se denomina cabelling [Foster 1972]), si bien la causa principal son las mareas. La forma del fondo marino influye decisivamente: zonas estrechas pueden aumentar la intensidad de una corriente, y cambios en la profundidad pueden producir desplazamientos verticales de agua.

Normalmente las corrientes son un enemigo del buceador recreativo, sin embargo pueden aprovecharse en nuestro beneficio en lo que se denomina buceo a la deriva o de corrientes (drift diving, [Buceo deriva]). Esta técnica permite cubrir más distancia en menos tiempo y con poco esfuerzo, pero obviamente no está carente de peligros y precisa certificación específica. Aunque es buena idea en cualquier actividad subacuática, marcar la posición del buceador o grupo con una boya de señalización es imprescindible en el buceo a la deriva. El corto Ocean gravity ilustra de manera magistral la sensación de «volar por el fondo» que aporta esta modalidad de buceo [Ocean gravity].

Por su parte, el desplazamiento vertical viene mediado por los cambios de presión que acompañam a la profundidad que serán cubiertos en la tercera entrada de esta serie. Desde luego no hay nada como ascender y descender por un cable guía o el propio cabo de ancla de la embarcación.

Flotabilidad

El principio de Arquímedes establece que un cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje hacia arriba equivalente al del peso del fluido que desplaza. Cualquier objeto sumergido se ve así sometido a dos fuerzas que compiten: el empuje hidrostático hacia arriba y su peso hacia abajo.

Vivimos inmersos en un mar de aire poco denso, y salvo que viajemos en un vehículo más ligero que el aire como los globos aerostáticos, nos iremos irremediablemente a su fondo: el suelo que pisamos. El agua da más juego, y si bien los objetos muy densos tienen flotabilidad negativa porque su peso supera al empuje, es fácil diseñar vehículos más ligeros que el líquido que ocupan, con flotabilidad positiva, sin más que haciéndolos suficientemente huecos, como los barcos. Al principio de una inmersión tenemos que ganar profundidad para después buscar la denominada flotabilidad neutra: la situación en la que empuje y peso se igualan y el movimiento vertical se detiene.

Un barco flota por que su empuje es mayor que su peso, en un buceador (buceo) son iguales y en un ancla el peso excede al empuje
Ilustración 2: Flotabilidad positiva, negativa y neutra. Fuente: Elaboración propia.

Una de las pruebas más temidas para obtener la certificación de buceo recreativo es la denominada «postura del Buda». Se trata de quedarnos completamente estáticos (flotabilidad neutra) en una posición que recuerda a la del loto, y a partir de ahí subir y bajar ligeramente (modificando nuestra flotabilidad) sólo con nuestra respiración, controlando el tiempo que mantenemos el aire a presión de inmersión en nuestros pulmones (ver la ilustración 8 de la primera entrada de esta serie).

Buceador en postura del Buda
Ilustración 3: Flotabilidad neutra: la postura del Buda. Fuente: [Lanzarote non stop divers].

Factores que afectan a la flotabilidad

Hay una serie de factores que afectan a la flotabilidad de un buceador:

  • Dependiendo de la proporción de grasa y músculo, la densidad del cuerpo humano es aproximadamente 1050-1080 kg/m3 [Krzywicki 1967], con lo que en ausencia de equipo de buceo tendemos a hundirnos en el agua si no nos damos impulso (nadando o pataleando). Es más fácil flotar en el mar que en la piscina, y en el Mar Muerto lo difícil es no flotar: su densidad es de 1240 kg/m3 por la gran cantidad de sales disueltas.
  • El traje de buceo tiene flotabilidad positiva, y más cuanto más grueso. Al aumentar la profundidad y la presión, el traje de buceo se comprime, disminuyendo su volumen y, por tanto, su flotabilidad.
  • Nos metemos al agua con las botellas llenas, muy pesadas, pero se van vaciando y por tanto aligerando a lo largo de la actividad.
  • Las botellas pueden ser de aluminio o acero, que obviamente no pesan lo mismo…
Un bañista flota en el Mar Muerto
Ilustración 4: Un bañista flota en el Mar Muerto. Fuente: Wikimedia.

Control de la flotabilidad

El control de la flotabilidad es fundamental para no incurrir en riesgos y disfrutar de una zambullida relajada. Para ello el buceador cuenta con una serie de mecanismos:

  • Lastre: el conjunto formado por el buceador junto a su equipo tiene flotabilidad positiva, y es preciso usar lastre para alcanzar la flotabilidad neutra. Muchos peces tienen flotabilidad negativa y cuentan con una vejiga natatoria para hacerla neutra.

El tradicional cinturón de plomos, muy contaminante, está siendo paulatinamente sustituido por bolsas o acoples integrados en el equipo de buceo. El lastre debe ser suficiente como para prever la mayor flotabilidad positiva de la botella de aire comprimido cuando esté casi vacía, de otra forma al final de la inmersión ascenderíamos irremediablemente. Hay buceadores que dejan plomos en el fondo para irlos incorporando durante la actividad subacuática, o incluso van cogiendo piedras a tal efecto.

  • Chaleco hidrostático o jacket (Buoyancy Compensation Device, BCD). El jacket es un chaleco fusionado al arnés que sujeta la botella de aire a la espalda. Cuenta con una cámara que se conecta mediante una válvula al regulador, y que permite al buceador inflar el chaleco con el aire de la botella (ver la ilustración 8 de la primera entrada de esta serie). El chaleco puede desinflarse igualmente mediante una válvula de purga. De esta forma el buceador puede regular su flotabilidad en todo momento.

El cachalote tiene en su enorme cabeza el denominado órgano de espermaceti. Al comenzar la zambullida se reduce su irrigación por vasoconstricción, lo que redunda en una disminución del calor aportado a los lípidos que contiene, que aumentan su densidad. Esto genera un lastre equivalente a unos 40 kg que resulta en un menor esfuerzo para que el animal descienda a las profundidades. Para ascender se activa la vasodilatación, el espermaceti se expande y actúa como una boya que permite al cachalote ascender rápidamente [Buceo cetáceos].

  • Pulmones: la propia respiración del buceador varía ligeramente su volumen. Un buceador experto puede ir perfilando las irregularidades del fondo marino, ascendiendo y descendiendo ligeramente, simplemente modulando su respiración. Por el contrario, una situación común en buceadores noveles debida al estrés es no ser capaces de alcanzar la profundidad de inmersión al principio de la zambullida por no vaciar completamente los pulmones al exhalar.

Percepción

Nuestros sentidos han evolucionado durante millones de años adaptándose al medio donde vivimos: la superficie terrestre a altitudes bajas (un tercio de la población humana vive a menos de 100 m de altitud y un 90% se encuentra por debajo de los 1000 m [Cohen 1998]). Pero el agua afecta profundamente a nuestra percepción. Veamos como.

Visión

Nuestros ojos son buenos sensores para la mayor parte de las longitudes de onda que emite el Sol y consiguen atravesar la atmósfera, pero traspasar el agua es más complicado. Se denomina nivel eufótico a la profundidad por debajo de la cual no queda luz suficiente como para que se desarrolle la fotosíntesis, aproximadamente un 1% de la que disfrutamos en superficie. En función de la turbidez del medio acuático, esta profundidad puede ser de apenas unos decímetros en algunos pantanos o llegar a los 200 m en las regiones tropicales de los océanos.

La radiación del Sol está compuesta por luz de varios colores, cada uno con su longitud de onda, desde las más largas del infrarrojo hasta las más cortas del ultravioleta, pasando por las visibles. Pues bien, resulta que el agua es más eficaz absorbiendo la luz cuanto mayor es su longitud de onda. Así, el color rojo no penetra más allá de los 5 metros de profundidad, las tonalidades naranja desaparecen alrededor de los 15 seguidas de las amarillas a unos 30, las verdes a unos 45-50 y finalmente el color azul que persiste hasta los 55-60 metros de profundidad e incluso los tintes violeta algo más allá.

Esto explica que las fotos submarinas tengan a menudo ese característico tinte azul-verdoso. Por el mismo motivo es buena idea llevar una linterna en cualquier inmersión, para poder recuperar los colores perdidos: la experiencia de bucear en un banco de coral a 20 m gana muchísimo con ayuda de una linterna, incluso cuando la cantidad de luz total es suficiente.

Absorción del color con la profundidad
Ilustración 5: Absorción del color con la profundidad. Fuente: Elaboración propia.

Este video ilustra el efecto razonablemente bien, aunque la tinción fluorescente de algunos colores desvirtúa ligeramente el resultado (recuerda que puedes convertir la profundidad en pies a metros dividiendo por 3).

Se han desarrollado algoritmos capaces de contrarrestar la distorsión producida por el agua en las fotografías y videos submarinos [Akkaynak 2019].

Una foto hecha a 10 m de profundidad aparece azulada, pero al ser procesada con el algoritmo se muestra en todo su explendor
Ilustración 6: Foto original tomada a unos 10 m de profundidad (izquierda) y tras ser procesada por el algoritmo Sea-Thru (derecha). Fuente: [Akkaynak 2019].
Más allá de la absorción de la luz descrita arriba, el agua afecta de varias otras formas a nuestra visión:

  • Refracción: los rayos de luz se desvían en virtud de la ley de Snell al viajar a través de medios de distinto índice de refracción. En superficie la córnea corrige la desviación que se produce cuando la luz pasa del aire (índice de refracción 1.00) al interior de nuestro ojo (índices de refracción de la córnea y del humor acuoso 1.38 y 1.34, respectivamente). Con el ojo desnudo bajo el agua (índice de refracción 1.33) apenas hay refracción, pero la córnea sigue desempeñando su papel de lente, con lo que la imagen se forma detrás de la retina (como si tuviésemos hipermetropía) y la vemos borrosa. La máscara de buceo crea un nuevo espacio aéreo y nuestro ojo enfoca bien sobre la retina, pero vemos los objetos más grandes y más cercanos (una ventaja para los que somos miopes).
Efecto de la refracción de la luz en la visión en tres casos: en superfiice, buceando con el ojo desnudo y buceando con más cara de buceo
Ilustración 7: Efecto de la refracción de la luz en la visión. Izquierda: en superficie nuestra córnea corrige la refracción de la interfase aire-ojo (si, es un pez volador). Centro: buceando sin máscara no sería necesaria la corrección, pero nuestro ojo la sigue haciendo y vemos borroso. Derecha: con la máscara hay dos interfases; la córnea corrige bien la aire-ojo, pero la agua-aire resulta en una imagen agrandada. Fuente: Elaboración propia.

El pez arquero debe lidiar con la refracción de la interfase aire-agua y corregir el disparo que efectúa desde dentro del líquido hacia su presa, que se encuentra fuera.

En determinadas condiciones el efecto de la refracción de la luz puede ser extremo. Una clina es una capa de agua donde una propiedad física varía en vertical de forma significativa. Una haloclina es una clina donde cambia la salinidad, mientras que en una termoclina lo que se modifica es la temperatura. Como tanto la salinidad como la temperatura afectan a la densidad, a veces se induce una estratificación vertical de capas de agua, lo que produce refracción. Pero si la clina se perturba, se forman «bolsas» líquidas con distintas salinidades o temperaturas, cada una de las cuales refracta la luz, pudiendo dar lugar a un efecto acumulativo que resulta en ausencia casi total de visibilidad. El resultado es particularmente marcado en el caso de las haloclinas, que ha llegado a ser descrito como «nadar en vaselina» [Visibilidad].

Finalmente, la refracción junto a la propia máscara de buceo provocan además pérdida de visión periférica.

  • Difracción: las partículas dispersas en el medio acuático desvían los rayos de luz, fenómeno que se conoce con el nombre de difracción. Esto se traduce en una disminución del contraste y puede hacer que los objetos pequeños resulten inapreciables. Curiosamente las aguas muy claras pueden producir un aumento de la difracción por la proliferación de plancton y algas. Por su parte, la mar de fondo o el propio pataleo del buceador puede levantar partículas del fondo y enturbiar el agua.
Causticas (patrones luminosos fantasmagóricos) en el fondo del mar
Ilustración 8: La superficie del mar produce estos patrones de luz en los fondos poco profundos llamados caústicas. Fuente: Wikimedia.
  • Atenuación: la combinación de los efectos ópticos descritos anteriormente resulta en que suele haber muy poca luz disponible en inmersión. La visibilidad (o viz en el argot de los buceadores, definida de forma poco rigurosa como la distancia horizontal a la que es posible distinguir los objetos) es muy inferior a la que tenemos en superficie, a menudo de apenas unos metros. La visibilidad vertical, mucho menos relevante, es superior a la horizontal (aproximadamente el doble) porque al mirar hacia arriba dirigimos nuestros ojos a zonas con mayor luminosidad.

Oído

¿Alguna vez has metido la cabeza en el mar, has oído el ruido de una embarcación y al sacar la cabeza no eras capaz de verla?

El sonido son ondas de presión que se transmiten a través de cualquier medio material, ya sea gaseoso, líquido o incluso sólido; el sonido no se propaga en el vacío. La energía mecánica de las ondas de sonido se absorbe en mayor medida cuanto más comprimible sea el medio que atraviesa; la energía se transforma en calor, esto es, en movimientos (vibración, rotación…) de las moléculas. En el agua, el sonido se propaga con mayor rapidez (unos 1500 m/s dependiendo de su temperatura y salinidad [Velocidad sonido]) y menor pérdida de energía (mayor volumen del sonido) que en el aire (340 m/s, casi cinco veces más lento que en el agua); en el acero el sonido viaja a unos 5000 m/s, más de cuatro veces más rápido que en el agua.

Los estratos y clinas de agua alteran la velocidad del sonido, provocando la desviación de las ondas, dando lugar a su refracción de forma semejante a la de la luz descrita arriba. La superficie y el fondo del mar, así como cualquier objeto sumergido de mayor tamaño que la longitud de onda de las ondas del sonido, provocan su reflexión fuerte y bien definida, lo que se conoce como eco. Por su parte, los obstáculos más pequeños generan ecos débiles en todas direcciones produciendo reverberación.

En resumen, bajo el agua los sonidos se oyen más fuertes y cercanos, y es más difícil determinar su origen.

El conocimiento de la propagación del sonido en el medio acuático ha permitido la construcción de ingenios acústicos para medir la profundidad (las sondas ecoicas que se instalan bajo la quilla de los barcos) o detectar bancos de peces, en general utilizando ultrasonidos. Esto no deja de ser una forma de biomimetismo del mecanismo de ecolocalización de los cetáceos. En superficie esta técnica no es útil porque el sonido se amortigua muy rápido, salvo si es muy, muy intenso, como en el caso del procedimiento que desarrolló Erwin Madelung en la Primera Guerra Mundial para el apuntado de la artillería contra las piezas enemigas.

Esquema de la ecolocalización en un buque oceanográfico
Ilustración 9: Ecolocalización en un buque oceanográfico. Fuente: Wikimedia.

En general, en el buceo recreativo no es posible comunicarse por la voz. Existen dispositivos de intercomunicación para uso profesional que no han calado para su uso recreativo, posiblemente porque uno de los atractivos de este tipo de buceo es, precisamente, el silencio.

Si es habitual el uso de pizarras subacuáticas que nos van a permitir la comunicación escrita o pictográfica con nuestros compañeros. También está muy extendido el uso de los denominados sonajeros o maracas, un tubo metálico con una bolita en su interior que al ser sacudido bajo el agua transmite a nuestra pareja de buceo una señal muy clara de que reclamamos su atención. En ausencia de maraca es posible golpear las botellas con un objeto contundente como el cuchillo de buceo (que debe formar parte de cualquier actividad submarina por motivos de seguridad, para poder liberarnos en caso de enredarnos con una red, sedal o cabo) o una simple piedra.

Sonajero o maraca de buceo
Ilustración 10: Sonajero o maraca de buceo. Fuente: [ScubaPro].

Orientación

El tercer desafio a los sentidos por la situación de inmersión concierne a nuestra orientación. En superficie nos trasladamos en dos dimensiones y en posición vertical; dependemos fundamentalmente de la vista y el oído para orientarnos, pero también del sentido del equilibrio. Bajo el agua parece que se esté en otro Universo. El medio denso, las alteraciones de la vista y el oído, la aparente ausencia de gravedad, la libertad de movernos en tres dimensiones… todo contribuye a nuestra desorientación.

La orientación temporal es crítica. Es preciso seguir de forma razonablemente precisa el plan de la inmersión trazado con anterioridad para no encontrarnos en una situación de escasez de aire o agotamiento. Pero la belleza del medio submarino hace que el tiempo parezca transcurrir más despacio… La herramienta está clara: consultar con frecuencia el reloj (otro imprescindible bajo el agua) e incluso establecer alarmas acústicas que refuercen nuestra apreciación del tiempo.

Tampoco es extraño tener dificultades para conservar nuestra orientación espacial. Si seguimos a un pulpo tras unas rocas es posible que dudemos por dónde queda nuestro grupo. En caso de voltearnos por cualquier motivo ¡podemos llegar a no saber si estamos boca arriba o boca abajo! Afortunadamente contamos con una serie de pistas:

  • Brújula: otra herramienta indispensable al bucear. Si salimos desde costa es buena idea comprobar su rumbo antes de sumergirnos.
  • Burbujas: a pesar de que estés confundido sobre donde queda el «arriba» y donde el «abajo», las burbujas de tu respiración siempre irán hacia la superficie.
  • Luz: el brillo del Sol, o la Luna o incluso las luces de la costa en inmersiones nocturnas, pueden contribuir a orientarnos. En zambullidas por la noche es habitual que cada buceador porte una barra de luz química (o «cyalume», metonimia de la marca más popular que las fabrica) para contribuir a la orientación del grupo de buceadores.
  • Movimiento del agua: cerca de la orilla podemos sentir el vaivén del oleaje, cuyo empuje será más intenso en sentido hacia la costa.
  • Ondulaciones de la arena: también cerca de la orilla el agua puede producir ondulaciones en la arena paralelas a la costa.

El fondo del mar muestra unas ondulaciones horizontales perpendiculares paralelas a la línea de costa
Ilustración 11: La costa está hacia la derecha o hacia la izquierda. Fuente: [Drift Point Photography]
En situaciones más técnicas como es el caso del espeleobuceo, un cable de retorno nos va a permitir encontrar el camino de vuelta sin pérdida de tiempo [Espeleobuceo].

Dedicatoria

Esta serie de entradas sobre la ciencia del buceo están dedicadas in memoriamJosé Cervera, @Retiario, una de las personas más extraordinarias que he tenido la suerte de conocer y con quien compartía tres pasiones: la ciencia, la esgrima y el buceo.

Foto de José Cervera, Retiario

Nos vemos en el Gran Azul, Maestro.

Bibliografía



Por Juan Carlos Gil Montoro, publicado el 28 julio, 2020
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