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Química e Física do Mergulho - Parte I

Este artigo é o primeiro de dois onde iremos explicar os fenómenos físicos e químicos que podem ser observados no mergulho.

De forma a fundamentar o entendimento das Leis da Física no mergulho, vamos começar por uma introdução a alguns conceitos existentes na natureza, composição e estados da matéria e energia.


Matéria

Matéria é a substância de que é composto o universo. Até à data de hoje físicos e químicos identificaram mais de 100 variedades distintas de matéria, onde 90 das quais aparecem naturalmente. Essa variedade diferente de matéria é chamada de elementos. Por definição um elemento não pode ser decomposto em substâncias mais simples através de processos químicos.

Os elementos são compostos por átomos, a palavra átomo tem origem grega cujo significado é indivisível. Contudo os átomos ainda são divisíveis em partículas mais pequenas, electrões que são partículas carregadas negativamente, em protões que são partículas carregadas positivamente e em neutrões que são partículas sem carga eléctrica. Os protões e neutrões localizam-se no centro dos átomos chamado de núcleo. Por outro lado os electrões movem-se em órbitas circulares à volta desse núcleo.

Átomos ligados a outros átomos formam moléculas.


Estados da Matéria

Elementos e componentes podem existir em 3 estados 1) sólido, 2) líquido e 3) gasoso. O estado em que uma substância se encontra depende do quanto próximo e quanto rígidas estão as moléculas a comprimir a substância.

As substâncias com moléculas orientadas em padrões fixos ou alinhadas são sólidos. Com o aumento da temperatura, as moléculas começam a dividir-se das suas posições fixas e a moverem-se criando o estado líquido. Finalmente se a temperatura aumentar o suficiente, as moléculas deixam a superfície da substância, formando um gás. O exemplo mais conhecido deste fenómeno é o gelo (sólido), água (líquido) e o vapor de água (gasoso).


Energia

Energia é a capacidade de produzir trabalho, logo os conceitos de energia e trabalho encontram-se fortemente relacionados. Trabalho é definido pela aplicação de uma força sobre uma distância. O trabalho é quantificado em Joules.

À parte da energia obtida através da reacção nuclear, a energia não pode ser criada ou destruída, mas sim transformada. Existem cinco formas de energia: 1) calor, 2) luz, 3) eléctrica, 4) química e 5) mecânica.

  1. Calor é o movimento das moléculas que origina o calor. Quanto maior o movimento maior é o calor. Todas as formas de energia podem ser transformadas em calor e todos os processos de transformação de uma forma de energia em outra causam sempre alguma dissipação de energia em forma de calor.
  2. Luz é energia em forma de radiação electromagnética. O melhor exemplo deste tipo de energia é o Sol. Como exemplo de transformação temos a fotossíntese realizada pelas plantas, que transformam a energia do Sol em energia química.
  3. Energia Eléctrica resulta da interacção de electrões carregados negativamente e protões carregados positivamente. Uma bateria é um bom exemplo, esta guarda energia eléctrica potencial até ser usada por exemplo por uma lâmpada.
  4. Energia Química é guardada na composição molecular da substância. Um exemplo comum desta forma de energia é a gasolina. Ao atingir uma determinada temperatura, a gasolina reage quimicamente com o oxigénio, libertando energia em forma de calor.
  5. Energia Mecânica resulta do movimento ou possível movimento. Se um objecto é retido numa posição que, se largado, possa realizar algum trabalho, o objecto é dito que tem energia potencial. Uma vez em movimento, diz-se que o objecto tem energia cinética.


Água

Os mergulhadores são confrontados com fenómenos físicos enquanto submersos por água. Para compreender os fenómenos na água requer um entendimento das propriedades da água por si só.

A água é um componente químico muito simples, contudo possui características únicas que a tornam muito especial. Uma molécula de água é composta por dois átomos de hidrogénio combinados com um átomo de oxigénio.

Resultante desta configuração, a água é referida como uma molécula polar, pois, cada molécula pode atrair outra molécula de água. Sem este fenómeno polar, as moléculas da água tenderiam a separar-se facilmente.


Propriedades Físicas e Químicas da Água

A primeira característica importante da água é a camada que esta faz à superfície, resultando numa tensão. Este fenómeno é observado com facilidade ao vermos pequenos objectos ou insectos a flutuarem à superfície da água. A tensão da superfície da água é superior a qualquer outro líquido conhecido (com a excepção dos metais líquidos).

A água é também especial por estar próxima de ser um solvente universal. Dissolvem-se mais substâncias em água do que em qualquer outra substância. Esta característica deve-se à polaridade da água. Quando uma substância é colocada na água, as moléculas reagem de acordo com a sua polaridade. Cargas positivas são atraídas pelo oxigénio e cargas negativas são atraídas pelo hidrogénio. É também interessante de referir que moléculas não polares não são dissolvidas na água, como óleos e gorduras.


Água e Calor

Outra importante propriedade da água relaciona-se com os efeitos do calor. A água tem uma das maiores capacidades caloríficas de todas as substâncias naturais. Esta é a razão pela qual mergulhadores sentem frio a temperaturas em que se sentiriam confortáveis no ar.

Para que um volume de água atinja uma determinada temperatura, é necessário 3200 vezes mais calor (energia) do que para aquecer o mesmo volume de ar à mesma temperatura.

Para perceber os efeitos do calor no mergulhador, devem-se considerar as diferentes formas de transmissão: 1) condução; 2) convecção e 3) radiação.

  1. Condução refere-se à transmissão de calor por contacto directo. A água é uma substância que transmite rapidamente o calor, por esta razão é chamada de boa condutora de calor. Esta é a principal razão para que os mergulhadores sintam frio quando submersos.
  2. Convecção involve transmissão de calor através de fluidos. Quando um fluído aquece, torna-se menos denso e tende a subir. Quando os fluidos quentes sobem, são substituídos por fluidos frios. Isto coloca em movimento um contínuo fluxo que remove o fluído quente do corpo que este esteja a rodear. Por exemplo o corpo desprotegido de um mergulhador.
  3. Radiação refere-se à transmissão de calor através de ondas electromagnéticas. Este é o tipo de calor sentido através do Sol. Esta forma de transmissão afecta mergulhadores próximos da superfície.


Água e Luz

O olho humano vê através da captação da luz reflectida por um objecto, convertendo isto em impulsos eléctricos e transmite-os para o cérebro, através do nervo óptico.

O comportamento da luz é alterado quando esta passa através da água. O que se vê debaixo de água é diferente do que vê acima desta. A água afecta a luz a nível de turves, difusão, absorção e refracção, cada uma afecta a visibilidade de forma diferente.

Turves é a concentração de partículas suspensas na água. Essas partículas podem ser dos mais variados tipos e ter as mais variadas origens, como por exemplo serem partículas orgânicas como o plâncton.

A Difusão reduz a quantidade de luz que atinge uma determinada profundidade e tende a dispersar a luz disponível. Isto reduz ou elimina por completo as sombras debaixo de água.

O conceito de Absorção é um pouco mais complicado e requer a compreensão da natureza da luz e como o olho humano a percepciona. A energia electromagnética (do que a luz visível é formada) viaja em forma de ondas. O tamanho das ondas é dependente da sua energia. Este tamanho de onda determina como a onda é classificada (ex.: raio-X, rádio, luz visível, etc.). O olho humano apenas vê um pequeno segmento desse espectro. Quando a luz atinge um objecto, o objecto absorve alguns tamanhos de onde e reflecte outros, o olho percepciona a cor do objecto baseado nos tamanhos de ondas reflectidos. Quando todos os tamanhos de onda da luz visível são reflectidos, o olho vê a cor branca, quando não reflecte nenhuma (ou muito poucos) o olho vê a cor preta ou ausência de cor. Uma vez que a luz viaja em onda com diferentes tamanhos, é fácil prever a tendência de absorção da luz na água. Quando a luz penetra na água, o processo de absorção começa por filtrar os tamanhos de onda com menos energia (o vermelho).
As cores fluorescentes são utilizadas no equipamento de mergulho porque estas cores não reflectem apenas cor, mas também emitem cor quando estimuladas pela luz.

A Refracção resulta quando a luz viaja a velocidades diferentes sobre várias substâncias com densidades diferentes. Por exemplo a luz viaja muito mais depressa no ar do que na água (excepto se entrar a um ângulo de 90º). Para que o mergulhador consiga ver debaixo de água, utiliza máscaras. A luz tem de viajar na água, no vidro e no ar até atingir o olho do mergulhador. Entre cada transição, a onda de luz sofre refracção porque cada meio tem uma densidade diferente. Como resulta deste processo, os objectos debaixo de água parecem estar mais próximos com uma taxa de cerca de 4/3.


Água e Som

Tal como a luz, o som consiste e viaja em ondas. Contudo enquanto as ondas de luz são electromagnéticas, as ondas de som são acústicas, que é uma forma de energia mecânica. A energia electromagnética pode existir sem a existência de matéria, ao contrário do som (e outras energias mecânicas) que apenas podem existir com na presença de matéria.

O Som resulta da acção (como uma vibração) de um objecto, colocando em movimento uma onda ou um conjunto de ondas acústicas no meio em que está presente. Esta onda pode continuar a viajar noutro meio. Ao contrário da luz, o som viaja melhor em ambientes densos, como sólidos e líquidos. Deve-se ter em conta que do ponto de vista puramente físico, não é apenas a sua densidade da água que permite a transmissão mais eficientemente, mas também a sua elasticidade. Como resultado do aumento da velocidade do som na água, o mergulhador ouve a distâncias maiores submerso do que à superfície. A velocidade do som debaixo de água torna difícil discernir a direcção de onde o som vem. O cérebro determina a direcção do som interpretando a diferença entre o momento em que o som atinge cada ouvido e a intensidade relativa, mas este mecanismo está baseado ao som no ar e não na água. Debaixo de água, com a alta velocidade do som os dois ouvidos percepcionam o som ao mesmo tempo e com a mesma intensidade, dificultando a percepção da direcção do som.


Bibliografia: Padi Encyclopedia Of Recreational Diving


 

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