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  • Tracy Gunn

Comprender la Ley de Boyle en Física IDC Dive Theory

Updated: Jan 2


Retrato del Honorable Robert Boyle (1627 - 1691) Bienvenida M0002557.jpg

La ley de Boyle establece que "si la temperatura permanece constante, tanto el volumen como la densidad de un gas se ven afectados en proporción a la presión atmosférica e inversamente entre sí".



Sir Robert Boyle


Sir Robert Boyle fue un devoto científico irlandés del siglo XVII y su trabajo estuvo muy influenciado por Torricelli. Evangelista Torricelli quien fue alumno de Galileo (cuyo trabajo Boyle también estudió) y es mejor conocido por inventar el Barómetro. Mientras Torricelli determinaba la presión de la atmósfera, Boyle pretendía descubrir qué sucedía con los volúmenes de aire cuando cambiaba la presión. En 1662 formuló la Ley de Boyle.



La Ley de Boyle


O.S.C. (2013, June 19). Illustration from Anatomy & Physiology, Connexions Web site. http://cnx.org/content/col11496/1.6/, Jun 19, 2013. [Illustration]. http://cnx.org/content/col11496/1.6/


Boyle air pump.jpg

Pero esa no es su única contribución al buceo. En 1670 fue la primera persona en documentar la enfermedad por descompresión. Colocó una víbora (uno de sus muchos experimentos con animales) en un recipiente al vacío y disminuyó la presión eliminando el aire, obviamente con bastante rapidez. "Una vez observé una víbora torturada furiosamente en nuestro receptor agotado... que tenía manifiestamente una burbuja conspicua que se movía de un lado a otro en el humor acuoso de uno de sus ojos". (3) Al aumentar la presión, la burbuja desapareció y la serpiente parecía feliz como podría ser en un pequeño frasco. No presentó ninguna teoría ya que no tenía idea de lo que había sucedido, y pasarían unos buenos dos siglos hasta que hubiera más descubrimientos sobre la enfermedad por descompresión, pero fue a partir de este experimento que la idea comenzó a surgir.


La ley de Boyle es quizás la ley de los gases más útil e importante en el buceo. Tanto es así que es la primera pregunta en la primera revisión de conocimientos en su curso de aguas abiertas (aunque probablemente no lo sabía en ese momento).




Aplicaciones


Esta ley te afecta en cada inmersión. Afecta su BCD, máscara, senos paranasales, oídos y pulmones (piense en estos como pequeños contenedores llenos de gas). Afecta a tu traje de neopreno, con sus millones de pequeñas burbujas en su neopreno, y a tu traje seco con su gran burbuja. Puede ayudarlo a calcular qué tan rápido consumirá aire en diferentes profundidades (y, por lo tanto, cuánto tiempo tiene) o cuánto volumen de gas utilizable tiene en un cilindro a una presión determinada. Explica por qué no debe contener la respiración mientras bucea, por qué necesita agregar aire a su BCD al descender y liberarlo al ascender y por qué necesita equilibrar sus oídos.



Comprender esta ley también lo ayudará a comprender y evitar lesiones por buceo, como apretones en los oídos, lesiones por expansión pulmonar y enfermedad por descompresión.

Si un buzo llena los pulmones de aire bajo el agua, ese aire se expandirá en los pulmones al ascender. A partir de 10msw a la superficie la presión se reduce a la mitad. Si un buceador contiene la respiración, el aire en sus pulmones se duplicará en volumen y provocará la ruptura de un pulmón. Esta es la Ley de Boyle en acción y la razón por la cual la regla de oro del buceo es: ¡Nunca, nunca contengas la respiración!

Entendiendo la Ley de Boyle


La ley establece que LA PRESIÓN Y EL VOLUMEN DE UN GAS SON INVERSAMENTE PROPORCIONALES ENTRE SÍ y LA PRESIÓN Y LA DENSIDAD SON DIRECTAMENTE PROPORCIONALES. Suponemos que no hay cambio en la temperatura ya que la temperatura cambia la relación presión/volumen que analizamos en la ley de Charles.



Animación que muestra la relación entre presión y volumen cuando la masa y la temperatura se mantienen constantes.

En pocas palabras, cuanto mayor es la presión, menor es el volumen y mayor es la densidad. A medida que aumenta la presión, el volumen disminuirá en proporción a la cantidad de presión y la misma cantidad de moléculas debe ocupar menos espacio, lo que significa que se vuelve más denso. Por lo tanto, la densidad es directamente proporcional a la presión.


Esto explica por qué respiramos más aire en profundidad. El volumen y la densidad del aire dentro de un tanque de buceo no cambiará cuando descendemos ya que el tanque es inflexible, pero en el momento en que sale de ese tanque, el aire se comprime y se vuelve más denso, ingresando a nuestros pulmones flexibles. Fisiológicamente, necesitamos poder respirar a la misma presión que lo que nos rodea.


A 2 bar, respiraremos el doble de moléculas y nuestro suministro de aire solo durará la mitad. A 3 bar, el triple de moléculas, es decir, un tercio del tiempo, y así sucesivamente.

Si bombeamos aire hacia abajo desde la superficie, se aplicarán las mismas reglas para llenar un tanque en profundidad en el sentido de que las moléculas de aire se comprimen en relación directa con la presión.



Los manómetros capilares son tubos con un diámetro muy pequeño, menor que la tensión superficial de una gota de agua, lo que significa que no se puede verter agua dentro o fuera del tubo sin fuerza. Son muy económicos, ya que son un simple tubo transparente que está sellado en un extremo y abierto en el otro. Este tubo actúa de la misma manera que lo haría un recipiente invertido lleno de aire. La presión ambiental empuja el agua hacia el interior del tubo y a 10 mt (2 bar) es la mitad de la longitud del tubo (10 mt son el doble de la presión de la superficie y la mitad del volumen), 20 mt un tercio y así sucesivamente, de acuerdo con la Ley de Boyle. Son difíciles de leer a más de 10 mt. Algunos buceadores prefieren manómetros capilares para el buceo en altura porque tiene en cuenta las variaciones de la presión atmosférica.


Recuerda esto para tus exámenes

A -Altitud

B -Ley de Boyle

C -Capilar

Presión=densidad




La ley de Boyle es de gran importancia para los buzos técnicos y de cuevas que realizan inmersiones largas y/o profundas. Deben usar botellas gemelas, de alta capacidad y/o colocar botellas adicionales a lo largo de su inmersión. Imaginar; un tanque que dura 2 horas en la superficie solo durará unos 10 minutos a 100 metros, por lo que el suministro de gas es de vital importancia. Incluso entonces, calcular el suministro de aire es solo una estimación, ya que puede verse muy influenciado por factores como el frío, el estrés, el esfuerzo y los cambios de profundidad. El circuito cerrado de buceo recircula el gas exhalado y por eso existe un interés creciente por este tipo de buceo.



NO CONFUNDAS LA LEY DE BOYLE CON EL PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES , que se trata de flotabilidad, no de presión.


Entonces, comenzamos con la presión. Asegúrese de comprender cómo calcular la presión y la diferencia entre el agua salada (10 m/atm) y el agua dulce (10,3 m/atm) antes de continuar. Para calcular los cambios de volumen y densidad, siempre usamos la presión absoluta, así que no olvide agregar esa 1 atm en la superficie. "Si deseamos aislar una presión específica dentro de un proceso, independientemente de lo que suceda en la atmósfera, entonces deberíamos usar un sistema de presión absoluta". (5)


Si no está seguro, actualice sus conocimientos con nuestro blog sobre cómo comprender la presión y también pruebe sus conocimientos con el examen incorporado.


Los científicos utilizan en gran medida el sistema métrico (Sistema Internacional de Unidades o SI) ya que utiliza solo una unidad para cada tipo de medida (metros, por ejemplo, que cubren kilómetros, centímetros, etc.). El sistema métrico es utilizado por el 96% de la población mundial y por todos los países para uso científico. Como es el sistema más simple de usar, lo usaré principalmente aquí.





PARTE 1


Hacia la superficie y hacia atrás: cambios de profundidad únicos


Cómo examinar las preguntas de la Ley de Boyle





PASO 1

Encuentra la unidad de medida

Mira las respuestas. Allí se indicará la unidad de medida (siempre opción múltiple en los exámenes finales de IE)


¿Qué pide la pregunta?

  • Minutos

  • PSI o barra

  • Litros

Encuentra el número dentro de la pregunta que está en esa unidad y anótalo



PASO 2


Piensa en la pregunta

Más = ×

Menos = ÷


  • Tiempo (minutos)

Cuanto menos profundo eres, más lento consumes aire (tienes más tiempo) ×

Cuanto más profundo vayas, más rápido consumirás aire. (tienes menos tiempo). ÷


Más minutos ×, menos minutos ÷




  • Volumen (Litros)

Si sacas un globo de la profundidad, su tamaño aumenta (más volumen) ×

Si llevas un globo a la profundidad, su tamaño disminuye (menos volumen) ÷


Mayor volumen ×, menor volumen ÷



  • Aire (PSI o Bar)

Cuanto más superficial sea, menos moléculas de aire (menos denso) respire con cada respiración, la cantidad de aire consumido en PSI/Bar disminuirá ÷

Cuanto más profundo vayas, más moléculas de aire (más densas) respirarás con cada respiración, la cantidad de aire consumido en PSI/Bar aumentará ×


Más PSI/Bar ×, Menos PSI/Bar ÷



Este es EL paso más importante y donde ocurren la mayoría de los errores. Piénsalo bien primero.

PARA, RESPIRA, PIENSA, ACTÚA




PASO 3

Encuentre la presión circundante

  • LEE LA PREGUNTA y encuentra la profundidad en metros (o pies)

  • Determine la presión a esa profundidad.

Piense en agua salada (10 mt/33 pies) frente a agua dulce (10,3 mt/34 pies).

Siempre +1 (estás determinando la presión absoluta)

  • Anota esa presión



PASO 4

Encuentra la respuesta



Usa la unidad de medida (paso 1) y multiplica o divide (paso 2) la presión ambiental (paso 3) = La respuesta



EJEMPLOS

Consumo de aire en minutos


Ej1 Se necesitan 60 minutos para respirar a través de un tanque de aire en la superficie. Si todos los factores permanecen sin cambios, ¿cuánto tiempo llevará respirar a través del mismo tanque a 20 mt?


A180 minutos

B 60 minutos

C 30 minutos

D 20 minutos


PASO 1 La respuesta es pedir minutos. Entonces, buscamos minutos en la pregunta y lo escribimos 60 minutos

PASO 2 ¡Piensa! ¿Utiliza el aire más rápido a 20 metros que en la superficie? Sabemos que usamos el aire mucho más rápido en profundidad, por lo que la respuesta será MENOS TIEMPO que 60 minutos (÷)

PASO 3 La profundidad es de 20 metros. 20÷10+1=3ATA

PASO 4 60 minutos ÷ 3 ata = 20 minutos (por lo tanto, la respuesta es D)





Volumen (contenedor flexible)


Ej2. Si tenemos un globo con un volumen de 8 litros en la superficie, ¿cuál sería su volumen a 30 mt?


A 32 litros

B 24 litros

C 2 litros

D 2,6 litros


PASO 1 La respuesta es pedir litros. Entonces, buscamos litros en la pregunta. 8 litros

PASO 2 ¡Piensa! ¿El volumen aumenta o disminuye a medida que descendemos? El aire se vuelve más denso por lo que el volumen se vuelve más pequeño, por lo tanto, la respuesta será MENOS VOLUMEN que 8 litros (÷)

PASO 3 La profundidad es de 30 metros. 30÷10+1=4ATA

PASO 4 8 litros ÷ 4 ata = 2 litros (por lo tanto, la respuesta es C)


Consumo de aire en PSI/Bar


Ej3 Un buzo respira a través de 60 bares de aire en 60 minutos en la superficie. Si todos los factores permanecen sin cambios, ¿cuántos BAR respirará el buzo en 40 minutos a 30 metros?


A 160 Bar

B 120 Bar

C 10 Bar

D 45 Bar




PASO 1 La respuesta está buscando BAR. Entonces, buscamos BAR en la pregunta y lo escribimos

60 bar en 60 minutos (aquí está el truco. Necesitamos saber cuántos bar por minuto)

60÷60=1BAR por minuto

PASO 2 ¡Piensa! ¿Consumimos más aire en profundidad o menos? El aire es más denso, por lo que usamos más aire con cada respiración. Por tanto, la respuesta será MÁS BARES que 1 bar por min (X)

PASO 3 La profundidad es de 30 metros. 30÷10+1= 4ATA

PASO 4 ¡La respuesta es multiplicar la barra por minuto por ATA y luego otra vez durante 40 minutos!

1 bar por min X 4 ata = 4 bar por min

4 bar por min X 40 min= 160 Bar (por lo tanto, la respuesta es A)




Pon a prueba tus conocimientos CLIC AQUÍ






PARTE 2

Múltiples cambios de profundidad



La forma más fácil de lidiar con problemas de niveles cambiantes, independientemente de si se trata de volumen (o tiempo) o densidad, es ir desde el primer nivel hasta la superficie, encontrar su valor de superficie y luego bajar al segundo nivel.

O

Usar una fórmula transpuesta

V1P1=V2P2 OR D1/P1=D2/P2

V2=P1V1/P2 D2=D1/P1×P2




VOLUMEN


El volumen se vuelve más pequeño a medida que desciende y aumenta a medida que asciende. Piensa en cómo necesitas equilibrar tus oídos a medida que desciendes. Esta es la razón por. A medida que aumenta la presión, el volumen disminuirá en proporción (relación inversa).

LA RESPUESTA ES LITROS

RELLENA TODOS LOS VALORES CONOCIDOS EN NEGRITAS

Primero lleva el volumen a la superficie

- multiplicar el volumen por la presión circundante (multiplicar para subir)


Luego, baje el volumen a una nueva profundidad.

- divide el volumen de la superficie por las atmósferas de la profundidad a la que vas a bajar (divide para bajar, el volumen se reduce en la profundidad)




Ejemplo 1: Un contenedor flexible con un volumen de 35 litros se encuentra a 28m de agua dulce, se lleva a 24m de agua de mar, ¿cuál sería el nuevo volumen?


  • Primero trabaja el ata en cada profundidad (asegúrate de anotar si es agua salada o agua dulce y no olvides agregar la 1 atmósfera superficial).

  • Para llevarlo a la superficie, tomamos el volumen y lo multiplicamos por la presión ambiental (mayor volumen en la superficie) 35 litros × 3,7 ata = 129,5 litros en la superficie

  • Luego lo dividimos por el ata de la profundidad a la que bajamos (menos volumen en profundidad) 129.5 litros ÷ 3.4 ata = 38 litros

La respuesta es 38 lt


O


V=Volumen (o tiempo) y P= presión

V1P1=V2P2

∴V2=P1V1÷P2

V1=35 litros

P1=3.7ata (28÷10.3+1=3.7ata)

V2 =? litros

P2 = 3.4 ata (24÷10+1=3.4ata)

V2 = 35×3.7÷3.4 = 38 litros




DENSIDAD (= atmósferas)


El aire se vuelve más denso (más presión) a medida que desciende bajo el agua. Un buzo usará más aire debido al aumento (más) de presión (Él va más profundo... más presión) Un buzo usará menos aire debido a la disminución (menos) de presión a medida que asciende. (Está subiendo… menos presión) (la densidad es directamente proporcional a la presión, a más presión, más denso)



LA RESPUESTA ES BAR

RELLENA TODOS LOS VALORES CONOCIDOS EN NEGRITAS


Primero tome el consumo de aire (bar/psi) a la superficie

- divida bar/psi por las atmósferas circundantes para obtener el consumo de aire superficial (SAC) (divida para subir)


Luego baje a una nueva profundidad para encontrar el consumo de aire a esa profundidad

- Multiplica SAC por las atmósferas de la profundidad a la que vas a bajar (Multiplica para bajar, recuerda que usas más aire en profundidad)



Ejemplo: Un buzo consume 4 bar por minuto a 10 mt en agua de mar con un cilindro dado. Usando el mismo cilindro, ¿cuál es la tasa de consumo del buzo a 33 mt?


  • Primero trabaja el ata en cada profundidad (asegúrate de anotar si es agua salada o agua dulce y no olvides sumar la 1 atmósfera superficial).

  • Para llevarlo a superficie tomamos el consumo de aire (bar/psi) y lo dividimos por la presión ambiental (consumir menos bar/psi en superficie) 4 bar ÷ 2 ata = 2 bar en superficie (SAC)

  • Luego lo multiplicamos por la profundidad a la que bajamos (consumimos más bar/psi en profundidad) 2 bar × 4,3 ata = 8,6 bar


La respuesta es 8.6 Bar



O

Aunque no puedo encontrar una ecuación oficial para la densidad, lógicamente la ecuación sería así

D=Densidad (Aire -Bar/PSI) y P=Presión

D1÷P1=D2÷P2

∴D2=D1÷P1×P2

D1 = 4 bar

P1 = 2 ata (10÷10+1=2ata)

D2 =? bar

P2 = 4.3 ata (33÷10+1=4.3ata)

D2 = 4÷2×4.3 = 8.6 bar

* nota: Si la pregunta dice Consumo de Bar en "X" minutos. Divida hasta que determine el consumo de aire por minuto y luego comience la ecuación, es decir, 120 bar por hora es 120/60 = 2 bar por min.



Pon a prueba tus conocimientos HAGA CLIC AQUÍ para la parte 2





La prueba 1 es cambios de profundidad de un solo nivel (hacia la superficie y hacia atrás)

34 preguntas

Parte 1 Ley de Boyles





La prueba 2 es varios cambios de nivel

16 preguntas

Parte 2 Ley de Boyles




Aquí hay enlaces a todos los exámenes.




Examen de Agua, Calor, Luz, Sonido y Gases

Haga clic aquí






Examen de Arquímedes parte 1

Haga clic aquí






Examen de Arquímedes Parte 2

Haga clic aquí






Examen de Presión

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Examen de la Ley de Boyles Parte 1

Cambios de profundidad de un solo nivel

Haga clic aquí





Examen de la Ley de Boyles Parte 2

Cambios de profundidad de varios niveles

Haga clic aquí





Examen de la ley de Charles

Haga clic aquí






Examen de la ley de Henry

Haga clic aquí






Examen de la ley de Dalton

Haga clic aquí




(1) Wikipedia contributors. (2021, February 28). Robert Boyle. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Boyle


(2) West, J. B. (2005, January 1). Robert Boyle’s landmark book of 1660 with the first experiments on rarified air. Journal of Applied Physiology. https://journals.physiology.org/doi/full/10.1152/japplphysiol.00759.2004


(3) Robert Boyle, Hyperbaric Chambers - A history of hyperbaric chambers and dive medicine, Midlands Recompression & Hyperbaric facilities - The Midlands Diving Chamber.

(2019). Midlands Diving Chamber. http://midlandsdivingchamber.co.uk/index.php?id=history&page=3#:%7E:text=Boyle%20also%20first%20described%20the,fro%20in%20the%20waterish%20humour


(4) Hempleman, H. V. (1984). Decompression Theory. SpringerLink. https://link.springer.com/chapter/10.


(5) Absolute vs gauge: choosing the right pressure control. (2021, January 27). Alicat Scientific. https://www.alicat.com/knowledge-base/absolute-vs-gauge-choosing-the-right-pressure-control/


(6) The Encyclopedia of Recreational Diving (3rd ed.). (2008). PADI.


(7) Divemaster Course Instructor Guide (1999 edition). (2005). PADI.


(8) Why teach the metric system (SI)? (2000, March 1). US Metric System. https://usma.org/why-teach-the-metric-system-si


(9) Benefits. (2017, July 8). Think Metric! https://thinkmetric.uk/benefits/



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