A Física do Mergulho
Peso real e peso aparente
Como sabemos os corpos pesam e o seu peso é a forca que os atrai para o centro da Terra. Todo o corpo tem um peso a que se chama peso real. A impulsão exerce-se na vertical, de baixo para cima e portanto contrariamente ao peso real.
O peso real menos a impulsão é o peso aparente
Pa = Pr - I
Esta expressão é particularmente importante no mergulho
Suponhamos um corpo de ferro mergulhado na água. Dada a sua densidade é muito pesado em relação ao seu volume e então o peso prevalece em relação a impulsão e ele afunda.
Mas se o corpo não for de ferro mas de cortiça, muito menos densa, o seu peso será menor em relação ao volume e
conseqüentemente em relação a impulsão. Esta é superior ao peso real e o corpo flutua.
Numa terceira hipótese consideramos um corpo cuja densidade seja igual a da água. Neste caso o seu peso real é igual a impulsão e o corpo não sobe nem desce. Fica portanto em equilíbrio.
O corpo humano tem uma densidade muito próxima da água o que não é de estranhar dada a grande quantidade de
água que entra na composição do nosso organismo. Isto corresponde praticamente ao segundo caso e todos sabemos que se um indivíduo se deitar de costas na
água e se não se debater este flutua. Se usarmos um fato isotérmico, que tem uma grande massa esponjosa cheia de ar, a sua flutuabilidade aumentara ainda mais e para poder mergulhar precisa de lastro, isto é colocar pesos para anular o efeito de impulsão.
Resta saber qual a quantidade de peso que deverá colocar no cinto. A resposta não é simples pois a medida que afundamos a pressão aumenta e exerce-se quer nas partes mais moles do corpo, quer nas células do fato provocando uma diminuição do volume com a
conseqüente diminuição de impulsão.
Daí que o lastragem correta só possa ser válida para uma determinada profundidade. Por outro lado ao mergulhar com garrafas o ar que inicialmente levou consigo vai diminuindo e como esse ar tem um certo peso, o conjunto mergulhador-escafandro vai ficando mais leve.
Outros aspectos a considerar
As leis de Charles e Gay-Lussac
Estudamos anteriormente as variações de pressão / volume, considerando que a temperatura se mantém constante. Vamos estudar agora as variações de pressão / temperatura e volume / temperatura mantendo as constantes, respectivamente o volume e a pressão.
Estas variações são traduzidas matematicamente pelas duas leis de Charles e Gay-Lussac.
P=P0 ( 1 + t - t0 / 273 ) V= Constante (A pressão aumenta quando o volume aumenta)
V=V0 ( 1 + t - t0 / 273 ) P= Constante (O volume aumenta quando a temperatura aumenta)
Da sua análise verifica-se que a pressão aumenta se a temperatura aumenta e que o mesmo se passa em relação ao volume. É a primeira lei que mais interessa ao mergulhador, embora e apenas nos seus aspectos práticos. No entanto as fórmulas dadas permitirão calcular os valores exatos se isso interessar.
Por curiosidade citaremos que a variação conjunta das três variáveis - volume, temperatura e pressão - podem ser estudadas através da lei dos gases perfeitos que não tem interesse para o nosso caso.
Uma garrafa deixada ao sol numa praia vai aumentar significativamente a sua temperatura. As paredes indeformáveis da garrafa fazem com que o volume se mantenha constante. Estamos pois na primeira lei apresentada. Em função do aumento da temperatura a pressão vai aumentar e se a medirmos nessas condições antes de entrar na água estaremos a partir de dados errados, pois uma vez debaixo de água a garrafa arrefecerá e a sua pressão baixará de imediato, mal entre em contato com a água fria.
Um caso semelhante verifica-se durante a carga das garrafas. O ar, ao passar por orifícios muito estreitos, aquece por fricção. Para além deste aquecimento existe o inerente à própria compressão. De fato o ar aquece quando é comprimido e arrefece quando se expande.
Assim, no fim da carga de uma garrafa, o ar encontra-se numa temperatura superior à normal, e quando interrompermos a carga a uma determinada pressão iremos ter uma quebra se a medirmos de novo mais tarde. Esta é uma das razões que leva a que se carreguem as garrafas dentro de água ou, pelo menos, a arrefecê-las, regando-as com uma mangueira. Se não houver o cuidado de medir a pressão a uma temperatura muito próxima das condições de utilização, todos os cálculos efetuados para calcular o ar disponível, e
conseqüentemente o tempo de mergulho, ficarão errados.
A composição do ar
Para as leis que se seguem interessa-nos conhece a composição do ar que respiramos à superfície e com o qual carregamos as garrafas. Os seus principais componentes são o azoto (N2) e o
oxigênio (O2), mas existem outros componentes.
Em química Z = No DE PRÓTONS
| Z | SUBSTÂNCIA | SÍMBOLO | COMPOSIÇÃO |
|---|---|---|---|
| 7 | Azoto (ou gás nitrogênio) | N2 | 78,09% |
| 8 | Oxigênio | O2 | 20,95% |
| 18 | Argônio | Ar2 | 0,93% |
| 6 e 8 | Dióxido de Carbono | CO2 | 0,03% |
| 10 | Neônio | Ne2 | 0,018% |
| 36 | Criptônio | Kr2 | 0,001% |
| 2 | Hélio | He2 | 0,000053% |
| 1 | Hidrogênio | H2 | 0,00005% |
| 54 | Xenônio | Xe2 | 0,000008% |
| 8 | Ozônio | O3 | 0,000001% |
Quando uma mistura gasosa, como o caso do ar, se encontra a um determinada pressão, cada um dos gases que a compõe exerce a sua quota-parte de pressão a que se chama a pressão parcial desse gás.
O físico Dalton demonstrou que um gás componente duma mistura possui uma pressão parcial equivalente à que teria se só ele ocupasse o espaço onde a mistura está encerrada. A pressão parcial pode pois ser calculada multiplicando a pressão total pela percentagem do gás na mistura.
Imaginemos uma mistura constituída por 21% de oxigênio (O2), 78% de azoto (N2) e 0,03% de gás
carbônico (CO2).
Se a pressão total for de 2Kg/cm2 as pressões parciais serão:
PpO2 = 2 x 0,21 = 0,42 Kg/cm2
PpN2 = 2 x 0,78 = 1,56 Kg/cm2
PpCO2 = 2 x 0,03 = 0,06 Kg/cm2
Todos estes gases, desde o oxigênio que é absolutamente indispensável à vida até ao azoto que é neutro, tornam-se nocivos a partir de determinadas pressões parciais e, sob o ponto de vista bioquímico, dão origem a intoxicações que abordaremos à frente, empregando constantemente a noção de pressão parcial.
A dissolução dum gás num líquido
Quando temos um gás e um líquido em presença acontece que o primeiro se dissolve no segundo dependendo essa dissolução de vários fatores: a natureza do gás, a natureza do líquido, a temperatura, a superfície de contato, a agitação existente, a pressão ambiente e o tempo durante o qual estão em contato.
Em relação à pressão e ao tempo, que são os fatores que mais nos interessam no estudo do mergulho, poderemos aplicar a lei de Henry que nos diz que a dissolução é diretamente proporcional à pressão ambiente. Porém, a dissolução não é instantânea, e à medida que o tempo decorre a dissolução aumenta até se atingir a saturação. Como o seu próprio nome indica a saturação é o estado para além do qual não é possível dissolver mais gás num líquido.
Embora o exemplo apresentado em seguida não trate da dissolução dum gás num líquido pensamos que se trata dum exemplo
bastante significativo:
Quando pretendemos adoçar o café, juntamos açúcar e mexemos para que este se dissolva. A partir de certa altura, e por mais que se mexa, o açúcar não se dissolve mais no café e começa a depositar-se no fundo da xícara. Atingiu-se o ponto de saturação. No entanto a saturação é definida para uma determinada pressão. Se esta variar, a saturação varia também. Assim, se a pressão aumentar o estado de saturação altera-se e passa a ser possível dissolver mais gás. Inversamente, se a pressão diminuir o gás que estava dissolvido passa a um estado de sobre-saturação, situação bastante instável, e acaba por se libertar para que se atinja um nível de saturação mais baixo, correspondente ao novo valor da pressão.
Quando pretendemos gaseificar uma bebida, dissolvemos nesta um gás, normalmente anidrido carbônico, sob pressão. A pressão é mantida pela rolha da garrafa. E quando examinada à transparência, sem agitar ou aquecer muito, verificamos que não vemos qualquer gás dissolvido sob a forma de bolhas.
Ao removermos a rolha da garrafa, verificamos que começam a surgir bolhas, nascendo do fundo da garrafa. Foi a diminuição da pressão provocada pela saída da rolha que deu origem ao seu aparecimento. Se a bebida estiver quente ou for anteriormente agitada, libertará maior quantidade de gases, o que prova a influência da temperatura e o coeficiente de agitação. Por outro lado verificamos que as bolhas se formam ao longo de muito tempo, o que prova que essa libertação não é instantânea.
| Fonte: Bombeiros Voluntários de Nazaré |
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