Fundamentos del buceo

Como cualquier masa, el cuerpo de un buceador se ve sujeto a los diversos efectos físicos de la inmersión; estos conllevan a su vez una serie de efectos y respuestas fisiológicas importantes a considerar, pues son ellas que dictan los límites de seguridad.

Fundamentos físicos
Los tres pilares de la física del buceo son el principio de Arquímedes, la presión y las leyes de los gases. El primero explica el fenómeno de flotabilidad, el segundo la variación de la presión con la profundidad y el último el comportamiento de los gases al variar la presión (el volumen y la temperatura).

Arquímedes
El principio de Arquímedes se aplica al buzo como un todo. El cuerpo del buceador y su equipo presentan una masa total y desplazan un volumen de agua equivalente al volumen del cuerpo sumergido. El buzo está sometido entonces a un par de fuerzas opuestas: por un lado el efecto de la gravedad sobre su masa (el peso del buzo y su equipo), y por otro la fuerza de flotación ejercida por el volumen de agua desplazada.

Cuando la masa del buzo es mayor que la masa del volumen de agua desplazada su flotabilidad es negativa, el buzo tiende al fondo. Cuando la masa del buzo es menor que la masa equivalente a su volumen su flotabilidad es positiva, el buzo tiende a la superficie. La situación en la que las fuerzas son equivalentes, la masa del buzo es igual a la masa del agua que desplaza, la flotabilidad se considera neutra; la fuerza ascendente se anula con la fuerza descendente.

El principio de Arquímedes no tiene mayor incidencia sobre la fisiología del buceo. Su aplicación es lo que permite al buzo autónomo mantener una flotabilidad neutra y es uno de los aliados más importantes del buzo en apnea. Este último aprovecha el cambio en su densidad corporal total en inmersión y de la posición relativa (con respecto a su centro de gravedad - centro másico) de los pulmones. En superficie el apneísta presenta una flotabilidad positiva, que es vencida fácilmente en una buena maniobra de inmersión (cabeza primero) y que es vencida rápidamente al comprimirse el aire de sus pulmones con la profundidad (ver ley de Boyle-Mariotte). A partir de determinada profundidad su flotabilidad se vuelve negativa y le permite realizar un descenso sin esfuerzo. La situación de los pulmones por debajo del centro másico del buzo durante el descenso tiene por efecto un acercamiento de la profundidad de flotabilidad neutra a la superficie. Durante el ascenso, con la cabeza hacia arriba, los pulmones están por encima del centro másico del buzo y la profundidad de flotabilidad neutra se desplaza hacia el fondo. Así el esfuerzo activo de ascenso se ve reducido y la fase pasiva (de flotabilidad positiva) es alcanzada más lejos de la superficie.

Presión
La presión es la fuerza por unidad de área ejercida sobre una superficie. Un fluido ejerce una presión homogénea en todo punto de un cuerpo sumergido en él, que depende de la profundidad a la que este se encuentra, siendo los vectores de fuerza siempre perpendiculares a la superficie de dicho cuerpo. La presión absoluta a la que se ve sometido un cuerpo en inmersión es la suma de la presión atmosférica (debida al peso de la columna de aire) y la presión hidrostática (debida al peso de la columna de agua). Así, el efecto de la presión es menor en altitud que a nivel del mar y, debido a que el agua salada es más densa que el agua dulce, a igual profundidad, un buzo en un lago está sometido a menor presión que un buzo en el mar.

La presión atmosférica normal a nivel del mar es de 1 atmósfera. La presión ejercida por una columna de 10 m de agua de mar equivale aproximadamente a 1 atmósfera de presión. Luego, para cálculos rápidos y sencillos, se puede asumir que, por cada 10 metros de profundidad, la presión aumenta 1 atmósfera o 1 bar, pues 1,013 bar=1 atm. De este modo, podemos decir con suficiente precisión, que la presión ejercida sobre un cuerpo a 10 m bajo la superficie del mar es de 2 bar (1 bar = P. atmosférica + 1 bar P. hidrostática).

Finalmente, el principio de Pascal determina que la presión ejercida sobre un fluido, en este caso la atmosférica, se transmite uniformemente por todo el fluido, de manera que la presión atmosférica se transimite, y se suma en cada plano a una misma profundidad, a la presión hidrostática. De igual forma, en cada tejido blando del buzo se transmite la presión total, haciendo que la presión interna de las cavidades sea igual a la externa.

Leyes de los gases
El cuerpo humano no es en definitiva una masa uniforme. Si bien nuestros tejidos están conformados mayoritariamente por agua (los líquidos idealmente son incompresibles); la presencia de cavidades y el comportamiento físico particular de los fluidos en fase gaseosa (aire), determinan de lejos los límites que el cuerpo humano puede soportar.

Ley general de los gases
La ley general de los gases explica el comportamiento de estos con relación a las variables de presión, temperatura y volumen. Así, en una masa constante de un gas la relación entre estas variables está definida por la siguiente igualdad:

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Donde P es la presión, V es el volumen y T es la temperatura; en dos situaciones distintas (1 y 2).

Lo que explica esta ley es que un cambio en magnitud de cualquiera de las variables de un gas, a a partir de un estado inicial (1), acarreará irrevocablemente al ajuste de las variables complementarias en su estado final (2), para respetar la igualdad.

Si la temperatura se mantiene constante (T1=T2), es posible retirarla de la ecuación, pues su efecto sobre el equilibrio de la misma es nulo. El equilibrio se mantiene pues, únicamente por las variaciones en la relación entre presión y volumen.

Ley de Boyle - Mariotte
Expresa el equilibrio de un gas a temperatura constante. Durante la inmersión la variación de temperatura del aire es mínima y por lo tanto la ley de Boyle es especialmente práctica para entender la relación entre presión y volumen. Básicamente, esta se ve enunciada en la siguiente igualdad:

P1V1 = P2V2

La presión es inversamente proporcional al volumen de un gas: al aumentar la presión sobre una masa de gas, el volumen de este disminuye proporcionalmente.

Así, una masa constante de aire, que en superficie (1 bar) ocupa un litro, verá su volumen reducido a la mitad (begin{matrix} frac{1}{2} end{matrix} L) al someterse a una presión de 2 bar (-10 m), a un tercio (begin{matrix} frac{1}{3} end{matrix} L) a 3 bar (-20 m) y así sucesivamente.

De igual manera, un litro de aire a 3 bar (-20m), aumentará su volumen en un 50% a 2 bar (1.5 L a -10 m) y lo triplicará a 1 bar (3 L en superficie), dado que los mayores cambios proporcionales, se dan en los primeros 10 metros.

Ley de Dalton
El aire no es un gas puro, sino una mezcla de gases. La ley de Dalton explica que la presión total de una mezcla de gases es la suma de las presiones que ejercería cada uno de los gases componentes ocupando él solo el volumen total.

Esta ley también se conoce como la ley de las presiones parciales, pues implica que la presión parcial de un gas, en una mezcla de gases, sometida a una presión X, es directamente proporcional a la proporción en que ese gas está presente en la mezcla.

Esto quiere decir, que si en una mezcla de gases uno de sus componenetes representa el 20% del volumen de la mezcla, a una presión P, tal componente tendrá una presión parcial de 0,2 P.

En el aire normal la composición es, aproximadamente, de un 21% Oxígeno y 78% Nitrógeno, con un 1% de otros gases (fundamentalmente argón). Redondeando, la presión parcial de cada uno de sus componentes será:
Presión parcial de los componentes del Aire Presión Total Presión parcial O2 Presión parcial N2

Profundidad equivalente
1 bar 0,2 bar 0,8 bar Superficie = Presión atmosférica
2 bar 0,4 bar 1,6 bar -10 m = 1 bar P. hidrostática + 1 bar P. atmosférica
3 bar 0,6 bar 2,4 bar -20m = 2 bar P. hidrostática + 1 bar P. atmosférica
4 bar 0,8 bar 3,2 bar -30m = 3 bar P.hidrostática + 1 bar P. atmosférica
... ... ... ...
Pbar 0,2 Pbar 0,8 Pbar (P-1)*-10 m = (P-1)bar P. hidrostática + 1 bar P. atmosférica

Ley de Henry de disolución de los gases
Cuando un gas entra en contacto con un líquido, las moléculas de gas (debido a su energía termodinámica - presión y temperatura), van a penetrar la interfase gas-líquido y difundirse en su interior. A este fenómeno se le conoce con el nombre de disolución de los gases.

Cuando un gas se encuentra disuelto en fase líquida se habla de tensión (T) de un gas, a diferencia de la presión parcial (p) de un gas que hace referencia a gases en una mezcla en fase gaseosa.

La ley de Henry explica que a una temperatura dada y en condición de saturación, la cantidad de gas disuelto en un líquido, es directamente proporcional a la presión ejercida por el gas sobre la superficie del líquido.

El concepto de saturación enunciado en la ley de Henry se refiere al equilibrio que existe entre la presión del gas (en la fase gaseosa) y la tensión del mismo (en la fase líquida). Se habla de condición de subsaturación, cuando la presión es superior a la tensión, de saturación cuando la presión y la tensión son equivalentes, y de sobresaturación cuando la presión es menor que la tensión del gas disuelto. Un líquido en condición de subsaturación disolverá el gas de la fase gaseosa hasta encontrar el equilibrio (saturación). Un líquido en sobresaturación va a eliminar gas disuelto para encontrar el equilibro (saturación).

Ley de difusión de Graham
El fenómeno de difusión entre dos gases, es decir, la velocidad a la que se mezclan es explicado por esta ley. Básicamente enuncia que la velocidad de difusión de dos gases, en condiciones iguales de temperatura y presión, es inversamente proporcional a la raíz de sus masas molares.

Dicho en otros términos, a igual temperatura y presión, la velocidad de difusión de un gas de moléculas "ligeras" se difunde más rápido que uno de moléculas "pesadas".

Los dos principales gases en el aire, el nitrógeno (N) y el oxígeno (O) se encuentran en las formas moleculares N2 y O2. La masa molar del nitrógeno es de 28, mientras que la del oxígeno es de 32. Por lo tanto la velocidad de difusión del nitrógeno es mayor que la del oxígeno.

Ley de difusión de Fick
Describe la tasa de transferencia de un gas a través de una membrana (o capa de tejido). Ésta es proporcional a superficie expuesta así como a la diferencia entre las presiones de sus dos fases e inversamente proporcional al espesor de la membrana/tejido. Además la velocidad de difusión es proporcional a la constante de difusión (particular al tipo de tejido y de gas que interviene).

Fundamentos fisiológicos y riesgos
Las anteriores reglas físicas tienen una influencia certera en el cuerpo de un buzo en inmersión y conllevan una serie de efectos mecánicos y bioquímicos a considerar.

Un estudio estadounidense de 1970 concluyó que el buceo deportivo era (por hora de actividad), 96 veces más peligroso que conducir un automóvil.[6] Un estudio Japonés del año 2000 concluyó que cada hora de Buceo recreativo era entre 36 y 62 veces más arriesgada que conducir un automóvil.[7] Aún así el buceo es considerado una de las actividades más seguras del mundo por especialistas.

El modelo físico del cuerpo humano
El cuerpo humano está compuesto de materia en sus tres fases básicas (sólida, líquida y gaseosa). La única estructura rígida la constituye el sistema esquelético, el cual tiene la función mecánica de soportar los demás órganos y tejidos (principalmente los músculos y con la ayuda de estos las vísceras). Los componentes del cuerpo unidos directamente al esqueleto (como la mayoría de los músculos) conservan su posición relativa, los componentes "libres" o poco asociados al esqueleto (como las vísceras abdominales) mantienen su posición por equilibrio de fuerzas. Luego está el sistema respiratorio, consta de sacos y conductos propios representa los órganos y tejidos con fase gaseosa por excelencia. El tejido sanguíneo representa la fase líquida más importante del cuerpo. Finalmente todos los demás tejidos (músculos y visceras) tienen la consistencia propia de la carne: en mayor o menor medida firmes y deformables.

Esto, ligado a la arquitectura anatómica, permiten definir tres "compartimentos" básicos a tener en cuenta:

* Cajas rígidas determinadas por el sistema esquelético: la caja craneana (importante por contener cavidades en fase gaseosa -senos nasales, frontales y parafrontales; y parcialmente los conductos auditivos-) y la caja torácica (que contiene los pulmones y el corazón).

* Las vísceras abdominales: separadas de la caja torácica por el diafragma, pero con tejidos muy elásticos y deformables.

* La masa sanguínea: en fase líquida, irrigando todo el cuerpo a través de vasos, pero con volúmenes considerables en el corazón y en los órganos muy vascularizados (pulmones y sistema nervioso).

Los reflejos de inmersión en el hombre
Además de considerar al cuerpo del buzo como un conglomerado de materiales, cada uno con sus propiedades físicas, es necesario explicar algunos mecanismos fisiológicos reflejos que se desencadenan en inmersión.

El hombre es un ser esencialmente terrestre y por tanto su fisiología esta completamente adaptada a este tipo de vida. Como sus coterraneos animales, la fisiología humana ha heredado una serie de mecanismos de respuesta fisiológica y sistémica (no voluntaria) a la situación de inmersión. Estas respuestas se denominan "reflejos de inmersión" y consisten en:

* Disminución del ritmo cardiaco: desencadenado por el aumento en la presión arterial.

* Hipervolemia (aumento del volumen de plasma sanguíneo), que es contrarrestado por un aumento en la diuresis (secreción de orina).

Efectos de la presión
Cambios volumétricos por efecto de la presión

A medida que un buzo desciende, el volumen de aire disminuye debido a la presión. Los compartimentos en "caja" deben ser suficientemente elásticos para permitir la compresión del volumen o deben ser compensados activamente por el buzo. Los senos nasales, paranasales y frontales, así como los canales auditivos (trompas de Eustaquio) deben compensarse mediante la maniobra de Valsalva o con un breve ejercicio de espiración forzada cerrando nariz y boca. La caja torácica (alojando los pulmones) limita en la parte inferior con el diafragma y la masa abdominal; en apnea el volumen perdido por el aire contenido en los pulmones es equilibrado por la dilatación de los vasos sanguíneos en los alveolos y el desplazamiento hacia arriba de la masa abdominal (y el diafragma). El buzo SCUBA, al tener una fuente de aire autónoma y equilibrada a la presión ambiente reemplaza el volumen pulmonar con un mayor aporte de aire a medida que respira en el descenso; pero debe tener especial cuidado durante el ascenso.

Los accidentes ligados a este efecto son barotraumatismos mecánicos. Los principales son las hemorragias en los senos faciales, la rotura de tímpano. Menos frecuentes y más graves, los barotraumatismos pulmonares: por sobrepresión (en buceo autónomo) los pulmones llegan al límite de dilatación y los alveolos se rompen generando un neumotórax (el aire escapa a la cavidad toráxica), un enfisema mediasteno (el aire escapa a la cavidad del corazón y puede llegar siguiendo la pared de la traquea al cuello) o una embolia (cuando el aire escapa por las venas y arterias); y por subpresión (en apnea) los pulmones llegan a su límite de compresión y se continúa el descenso, la presión interna será menor que la presión sanguínea, los vasos alveolares se rompen e inundan los pulmones de sangre, se generará un edema pulmonar agudo.

Factores de disolución y difusión
En superficie, a nivel del mar (1 bar), las presiones parciales de N2 y de O2 serán respectivamente de 0,8 bar y 0,2 bar. Normalmente los tejidos del cuerpo están en saturación para el N2 (es decir que la tensión del N2 en los tejidos es de 0,8 bar). Pero no sucede igual con el oxígeno. El O2 respirado es transportado internamente por la hemoglobina presente en la sangre, aunque una parte importante circula bajo forma disuelta. Además el oxígeno es consumido en el metabolismo celular, que a cambio produce dióxido de carbono (CO2) que es transportado por vía venosa (por la hemoglobina y bajo forma disuelta) hacia los pulmones.

Durante la inmersión aumenta considerablemente la presión parcial de nitrógeno, generando un desequilibrio entre la presión parcial y la tensión tisular. Siguiendo las leyes de disolución y difusión de los gases, los tejidos se encontrarán en fase de subsaturación y empezarán a absorber N2 para equilibrarse nuevamente. Pero esta saturación ocurre en un gradiente y a ritmos diferentes según el tejido. La sangre y los tejidos nerviosos se saturan rápidamente, mientras que los huesos y los tendones son los que más tardan. El proceso inverso se produce en el ascenso, al remontar a la superficie los tejidos de un buzo están es sobresaturación de N2 y tenderán a liberarlo a tasas equivalentes de desaturación.

Si la presión circundante es muy inferior a la tensión de N2 de un tejido, el gas disuelto (es decir en forma líquida) no podrá ser evacuado del tejido por difusión. Lo que sucede entonces es que el N2 volverá nuevamente a su fase gaseosa dentro del tejido. Es decir que se forman burbujas dentro de los tejidos que normalmente no deben presentar fase gaseosa.

En un ascenso es normal que se formen algunas microburbujas de N2 y de CO2 que son eliminadas progresivamente por vía pulmonar. Pero si el ascenso se hace demasiado rápido o sin respetar las paradas de descompresión, la cantidad y la talla de micro burbujas puede ser más importante. Estas tenderán entonces a formar macro burbujas y una forma muy especifica de barotraumatismo del buceo autónomo. Este tipo de barotraumatismo se le conoce con el nombre de accidente de descompresión y es prácticamente imposible provocarlo en apnea porque los tiempos de inmersión no son más prolongados que algunos minutos y están intercalados por pausas en superficie.

El accidente de descompresión es, pues, provocado por una situación de sobresaturación tisular por encima de un nivel crítico. La presencia de burbujas en el tejido sanguíneo puede provocar trombos (trombosis), embolias e incluso la necrosis de los tejidos. Los efectos pueden ser inmediatos o progresivos.

Efectos bioquímicos
Equilibrio sanguíneo O2/CO2

Normalmente el O2, por ser el gas consumido para el metabolismo celular, presenta tensiones sanguíneas menores a las presiones parciales alveolares, en cambio el CO2, como producto de desecho, presenta tensiones sanguíneas mayores que las presiones parciales alveolares. Esto crea un gradiente de presiones en las interfases alveolo-sangre, que permiten el intercambio gaseoso. El cuerpo posee un mecanismo fisiológico que nos alerta cuando se ve sometido o se acerca a una situación de anoxia. Esta alarma fisiológica es la que produce la sensación de asfixia. El aumento de la tensión del CO2 en el flujo sanguíneo acarrea una ligera acidificación del pH sanguíneo debido a su transformación en ácido carbónico, este cambio es detectado por un par de receptores nerviosos en la arteria carótida y desencadenan el reflejo de asfixia. Luego no son las tensiones de los gases las que son directamente "reguladas" por el organismo, sino el pH del plasma sanguíneo, como indicador indirecto de estas tensiones. Es decir que nuestro mecanismo de alerta del riesgo de hipoxia depende invariablemente del cambio del pH sanguíneo debido al aumento de la tensión del CO2.

Cuando se incurre en una hiperventilación (aumento voluntario o involuntario de la frecuencia respiratoria), las presiones parciales alveolares de los gases y de las tensiones sanguíneas tienden a igualarse: aumenta la tensión sanguínea del O2 y disminuye la de CO2. El pH sanguíneo tiende a alcalinizarse y por lo tanto se retarda el reflejo de asfixia. Los buzos en apnea recurren con frecuencia a una corta hiperventilación en superficie, antes de la inmerión. Esto con el fin de oxigenar al máximo los tejidos y el aire contenido en los pulmones, pero también para retrasar la sensación de asfixia y maximizar así el tiempo de confort durante la inmersión. La otra cara de la moneda es el riesgo de provocar un accidente sincopal.

El síncope es la pérdida de conocimiento o desmayo breve, debido a una insuficiencia de aporte de oxígeno hacia el cerebro (Tensión O2 < 0,17 bar ). Básicamente es el efecto de la hipoxia. Tras una hiperventilación importante, los síntomas pre-sincopales (sensación de asfixia, vertigos y mareos) no aparecen y el síncope aparece instantáneamente y sin advertencia (y para un buzo que no sea asistido inmediatamente, las consecuencias serán mortales).
[editar] Toxicidad de los gases

* Hipercapnia:
aumento anormal de la tensión de CO2 en la sangre (Tensión CO2 > 40mbar), revelando los efectos tóxicos de este gas. Puede sobrevenir en el buceo autónomo, los buzos inexpertos tratan de disminuir su frecuencia respiratoria en un afán de "ahorrar" aire de la botella y en buzos profesionales, debido a un ejercicio intenso durante la inmersión. Los síntomas son un malestar, angustia y ansiedad del buzo, sensación de asfixia y respiración superficial; los cuales si no son controlados por el buzo, amplifican y agravan la hipercapnia llegando al síncope y la muerte por ahogamiento; además el buzo presa del pánico pueden sufrir barotraumatismos o accidentes de descompresión por un ascenso fuera de regla.

* Hiperoxia:
a partir de tensiones tisulares superiores a los 0,5 bar, el oxígeno empieza a tomar un carácter tóxico que se consolida completamente cuando su tensión tisular alcanza 1,7 bar. Bajo esas presiones parciales el O2 se disocia en radicales libres (peróxido de hidrógeno H2O2 y radicales hidróxilo ·OH) que inhiben la función celular a nivel de la membrana. Este efecto sobre la membrana celular afecta especialmente el sistema nervioso (la membrana celular de las neuronas y su delicado equilibrio de electrolitos y sustancias mensajeras son la clave de la transmisión de los impulsos nerviosos). Por lo tanto, aunque todos los tejidos se ven afectados por igual, su efecto neurotóxico es el que reviste mayor gravedad. El sistema nervioso regula y controla la mayoría de las funciones vitales. La intoxicación por oxígeno produce convulsiones, pérdida de conocimiento y puede llevar al consiguiente ahogamiento del buzo. El riesgo de hiperoxia dicta los límites de seguridad del buceo autónomo con aire. En España el límite máximo de profundidad para el buceo recreativo se establece en 40 m, y en 55 m para inmersiones excepcionales.También la asociación P.A.D.I. establece el límite del buceo recreativo en 40 m, si bien muchas asociaciones recomiendan y/o exigen no superar los 18-20 m de profundidad con las titulaciones básicas.

* Narcosis de nitrógeno:
aunque el nitrógeno y otros gases inertes son químicamente estables, bajo concentraciones elevadas (léase presiones parciales y tensiones tisulares) producen efectos reversibles sobre el sistema nervioso. Estos efectos son en general similares a los debidos a la intoxicación por alcohol o a las sustancias narcóticas y es por esto que reciben el nombre de "narcosis". Cuando la tensión tisular del N2 >= 4bar, los efectos empiezan a manifestarse; pero es muy variable de un individuo a otro. Son los buzos autónomos con aire los expuestos a este tipo de efecto, pudiéndose dar casos muy por encima de los -30 m, dependiendo del estado general del buzo. Los síntomas típicos son la euforia, despreocupación, alteración de la capacidad de raciocinio y de concentración, pérdida de memoria y desorientación. La pérdida de la capacidad de juicio y de orientación, típica de este fenómeno, puede hacer incurrir al buzo en otros accidentes y eventualmente incluso al ahogamiento.