la navegación submarina y narcís monturiol
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LA NAVEGACIÓN SUBMARINA Y NARCÍS MONTURIOL Educación Primaria, ESO Àrea d’Educació i Activitats EL MUNDO SUBMARINO: MIEDOS Y FASCINACIÓN Las profundidades marinas siempre han sido un enigma para el hombre. Este mundo vasto y desconocido, a menudo terrorífico, ha sido fuente de innumerables relatos plagados de criaturas, a cual más extraña, hijas todas ellas del imaginario colectivo. Pero, al mismo tiempo que el hombre proyectaba hacia el océano sus miedos mediante un catálogo de monstruos ambiguos y aterradores, también se dejaba atrapar por la red de la fascinación y la curiosidad, e ideaba, uno tras otro, diferentes métodos que le permitieran sumergirse en aquellas aguas profundas para descubrir sus secretos. El terror: los monstruos marinos La iconografía de monstruos marinos ha sido rica y variada a lo largo de la historia, pero con una incidencia más marcada tanto en la época clásica, con los mitos griegos y latinos, como durante la edad media: Caribdis, Escila, el Leviatán, el Kraken, el monstruo de Ness… Valgan como ejemplo tres criaturas surgidas de la imaginación y los miedos de nuestros antepasados. La temible Hidra de Lerna Según la mitología griega, un sanguinario monstruo acuático habitaba el antiguo lago de Lerna. Era la Hidra, una serpiente policéfala con aliento venenoso a quien Heracles (Hércules en la mitología romana), tuvo que enfrentarse en uno de los doce trabajos impuestos a modo de castigo por haber asesinado a sus hijos y a dos de sus sobrinos en un ataque de locura. La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 1 El Leviatán: la bestia bíblica del mal Procedente del hebreo liwyatan, que significa “enrollado”, el vocablo Leviatán designa a un monstruo marino del Antiguo Testamento asociado a Satanás, que aparece descrito en el libro de Job como un dragón terrorífico: “Su espalda son filas de escudos […] Sus estornudos son cascadas luminosas, sus ojos, pupilas de la aurora; de su hocico manan llamaradas”. El Kraken, el pulpo gigantesco En la Europa Medieval, ningún monstruo aterraba tanto a los navegantes como el Kraken, una bestia mítica de las leyendas escandinavas; se trataba de un pulpo gigante que atrapaba a las naves con sus tentáculos y las arrastraba a las profundidades, ahogando o devorando a la tripulación. Probablemente, el avistamiento de calamares gigantes reales contribuyó a la creación de esta leyenda. A pesar de todo, a medida que se iba descubriendo El Kraken este ámbito desconocido, se iban aclarando misterios, pero también generando otros nuevos. Por ejemplo, a medida que avanzaban hacia el sur, donde hacía más calor, los navegantes pensaban que llegaría un momento en que el agua, como consecuencia de dicho calor, herviría. Navegar hacia poniente también era terrible, ya que aún había quien pensaba que la Tierra era plana y que, en algún momento, las aguas caerían en una gran cascada. No obstante, los descubrimientos que poco a poco se fueron realizando ayudaron a acabar con estas creencias. Pero si el fondo del mar era tan terrorífico, ¿por qué osaron sumergirse los primeros investigadores y exploradores del fondo marino? Pues por la curiosidad innata de las personas, que siempre han querido ir más allá de lo conocido. Así, navegaron por aguas inexploradas y se atrevieron incluso a volar.. Las primeras expediciones submarinas están documentadas desde el siglo IV AC, es decir, hace más de 2.500 años. Con un tonel de vidrio que conservaba el aire en su interior, se podía observar la vida submarina. Ya en el siglo XV, es decir, hace 600 años, Leonardo da Vinci diseñó un artefacto parecido para poder contemplar el fondo marino. Sin embargo, estos primeros inventos tenían ciertas carencias (la capacidad de sumergirse y salir a la superficie, la resistencia a la presión a grandes profundidades, ampliar el tiempo de inmersión con la generación de oxígeno, la propulsión), que se resolvieron con la invención de submarino. La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 2 ¿QUÉ ES UN SUBMARINO? Un submarino es un barco que puede navegar tanto por la superficie como por debajo del agua. Pero hasta llegar a los submarinos que conocemos hoy en día hubo que afrontar una serie de retos que permitieron encarar la navegación submarina con garantías suficientes. Los retos son los siguientes: ♦ La inmersión y la emersión: Había que dominar la flotabilidad del barco, y poder hacerlo ascender o descender a voluntad; esto está directamente relacionado con el peso de la nave. Para conseguirlo, los submarinos debían disponer de unos tanques provistos de válvulas que permitieran llenarlos de aire. Para bajar, se llenaban los tanques con agua, de modo que el barco pesaba más y se hundía. En cambio, para subir, se vaciaban los tanques de agua introduciendo aire comprimido por las válvulas de ventilación. Al pesar menos, el barco subía como si tuviera unos flotadores. Tanques de lastre El submarino incorpora unos tanques de lastre que se pueden llenar y vaciar de agua a voluntad para aumentar o disminuir el peso de la nave, y hacerla bajar o subir a la superficie Tanques de lastre Maniobra de inmersión Los tanques de lastre se abren mediante unas válvulas, se llenan de agua y, al pesar más que el conjunto del submarino, la nave puede sumergirse. Maniobra de emersión Inyectando aire comprimido, los tanques de lastre se vacían de agua. Al pesar menos el aire que el agua, el submarino puede volver a la superficie. La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 3 ♦ La resistencia del buque: La presión del agua, que aumenta a medida que el barco se hunde, era otro de los enemigos del submarino; para resolver el problema, había que construir un buque resistente. Una de las soluciones (que propuso Monturiol con su Ictíneo) fue la construcción de una doble estructura: una exterior, con forma de pez, que debía resistir la presión, y otra interior, donde iba la tripulación. Estructura exterior Estructura interior ♦ La falta de oxígeno: El principal problema para los que se sumergían era que cuando se quedaban sin oxígeno, después de pasar un buen rato bajo el agua, tenían que salir a respirar. Además, los primeros motores que se instalaron consumían más oxígeno y generaban gases tóxicos. ♦ La navegación: Los primeros submarinos avanzaban con propulsión manual, haciendo girar una maneta que impulsaba a la nave. Más tarde se aplicó la máquina de vapor para la propulsión, pero era necesario expulsar los gases generados. Más adelante se aplicó el motor de gasolina (diesel en la actualidad) para la superficie, y los motores eléctricos para inmersión, y desde 1954 existen submarinos dotados de propulsión nuclear, que les permite navegar sumergidos durante un tiempo indefinido (solo se ha de renovar la carga nuclear cada 30 meses). La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 4 ¿QUIÉN INVENTÓ EL SUBMARINO? Como todos los grandes inventos de la humanidad, el del submarino no tuvo un único inventor, sino que fue la consecuencia de una serie de aportaciones hechas por diferentes inventores a lo largo de la historia. Los primeros experimentos con sumergibles se hicieron en los siglos XVI y XVII (algunos con resultados trágicos), y poco a poco fueron tomando cuerpo. Uno de los primeros intentos de consEl sumergible de Drebbel trucción de un submarino lo encontramos en los experimentos realizados por el holandés Cornelius Drebbel quién, en 1620, fabricó una barca de seis remos por flanco, recubierta de pieles, con la que parece ser que navegó algunos kilómetros por el río Támesis, desde la superficie hasta a cuatro metros de profundidad. No se sabe cómo conseguía que los tripulantes sobrevivieran, aunque la explicación más convincente era que llevaban unos tubos que les permitían comunicarse con el exterior. De hecho, era un artefacto más parecido a una campana que a un auténtico submarino. Un siglo y medio más tarde, en 1776, nada más comenzar la guerra de la Independencia de las colonias americanas contra la Corona Británica, el inventor norteamericano David Bushnell ideó un aparato para poder colocar cargas explosivas en las naves de guerra británicas. Lo llamó Turtle (tortuga) y se trataba de un vehículo submarino monoplaza que avanzaba haciendo girar manualmente dos grandes tirabuzones o tornillos de Arquímedes, uno de eje horizontal y otro de eje vertical. El aparato subía o bajaba utilizando una bomba manual que sacaba o inyectaba agua en el interior. Cuando el vehículo se sumergía, su ocupante respiraba el aire que había El Turtle de Bushnell quedado dentro de la cámara estanca, hasta que se acababa. Como hemos dicho, el objetivo de Bushnell era hundir barcos británicos, pero no lo consiguió. El Turtle se perdió definitivamente en el fondo del mar mientras lo transportaban en un barco que se hundió después de ser atacado por una fragata británica. La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 5 Unos años después, en 1800, el también inventor norteamericano Robert Fulton crearía el Nautilus, el primer sumergible que realmente se parecía a un auténtico submarino. El vehículo disponía de un habitáculo de seis metros cúbicos, de una vela que se desplegaba para navegar en superficie y, para desplazarse en inmersión, llevaba una hélice que los tripulantes accionaban manualmente. La respiración de los ocupantes se aseguraba con aire comprimido, que permitía la supervivencia durante bastante tiempo. Fulton ofreció su invento a las grandes potencias de la época: Francia, Inglaterra, Rusia y Estados Unidos, pero ninguna mostró interés en el aparato. Así pues, Fulton abandonó el desarrollo del submarino y en 1807 se convirtió en el primer diseñador de un barco con una máquina de vapor y rueda de palas. Modelo del Nautilus de Fulton y esquema de su diseño interior Durante el segundo tercio del siglo XIX, y sin contar con el Ictíneo de Monturiol, destacan tres aportaciones interesantes. La primera corresponde a los Brandtaucher del ingeniero alemán Wilhelm Bauer, desarrollados entre 1850 y 1855. Eran muy parecidos a otros sumergibles que hemos comentado: un único buque de hierro y supervivencia de los tripulantes mediante aire comprimido o con tubos que iban hasta la superficie del agua. La parte motriz, sin embargo, era la más innovadora, ya que funcionaba con una hélice Esquema del interior del Brandtaucher accionada por un eje movido por un sistema de jaula de ardilla, con dos hombres que la giraban. Sin embargo, en una de las pruebas realizadas, el aparato se hundió sin control y murió toda la tripulación: nueve hombres. La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 6 El segundo desarrollo de un submarino fue el concebido por la causa sudista en 1863, durante la guerra de Secesión norteamericana. Era el H.L. Hunley, financiado por Horace Lawson Hunley y supervisado por oficiales del ejército confederado. El submarino, construido sobre la base de una caldera de hierro remachada, de poco más de 12 metros de longitud, se propulsaba con una hélice que se movía mediante una manivela accionada por ocho hombres, y su objetivo era colocar cargas explosivas en el buque de los barcos unionistas que bloqueaban los puertos confederados. Hunley tuvo un final desastroso: solo tres inmersiones, todas involuntarias, y la muerte de 23 personas, incluido él mismo. El tercer submarino destacado fue el Plongeur, ideado por el capitán de barco francés Siméon Bougeois en 1859 y construido por el ingeniero naEl Plongeur de Bougeois val Charles Brun. Botado en 1864, el Plongeur resolvió la propulsión utilizando aire comprimido. Su gran longitud (43 metros) se debía a que contaba con 21 cámaras estancas con aire comprimido a 12 atmósferas. La estabilidad horizontal, sin embargo, no estaba bien resuelta; según los documentos de la época, el sistema automático de mantenimiento de la horizontalidad era caprichoso e inestable. Para entender mejor el escaso éxito de estos primeros submarinos hay que tener en cuenta que todos alcanzaban muy poca profundidad. Probablemente, para finalidades militares ya era suficiente, pero no estaban calculados para soportar presiones altas. En muchos casos, las pruebas con submarinos mal diseñados, o que cayeron a mayor profundidad de la prevista, acabaron con trágicas implosiones, es decir, chafándose a causa de la diferencia entre la presión exterior y la interior. En cierto modo, pues, puede considerarse que ninguna de las máquinas construidas durante el primer y el segundo tercio del siglo XIX era exactamente un submarino tal y como se entiende después de la aparición de los Ictíneos de Monturiol, de los cuales hablaremos en un capítulo aparte. Poco después de los Ictíneos de Monturiol, Isaac Peral, científico y teniente de navío de la Marina española, construyó el primer submarino que incorporaba un motor eléctrico, alimentado por unas baterías que se cargaban en superficie desde otro barco de apoyo. El Peral, botado en 1888, no teEl submarino Peral nía doble buque, era de hierro y, como se trataba de un submarino militar, incorporaba también un periscopio y tres torpedos. En las pruebas llevadas a cabo, demostró que podía navegar en inmersión, a la profundidad que se determinara, con un rumbo prefijado y en mar abierto, y atacar, sin ser visto, a barcos que estuvieran en superficie. La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 7 A menudo se ha polemizado sobre quién fue el inventor del submarino: Monturiol o Peral. En realidad, uno y otro construyeron el mejor submarino que se podía concebir, según la finalidad de cada uno, en su momento y utilizando todas las posibilidades técnicas de que disponían. Pero Monturiol lo hizo 30 años antes que Peral, y este último jamás negó la influencia del inventor catalán en su obra, tal y como lo demuestra la carta de agradecimiento que escribió el 18 de febrero de 1889 para responder a la felicitación transmitida por el Real Club de Regatas de Barcelona. Ya en el siglo XX, los submarinos incorporaron el motor de gasolina, que al cabo de poco fue sustituido por el diesel, como los de la clase Holland, los más utilizados por los alemanes en la Primera Guerra Mundial. De hecho, las dos guerras mundiales provocaron un avance en el desarrollo del submarino. La armada alemana fue la abanderada de este tipo de guerra en ambos conflictos, y llegó a su máximo grado de desarrollo con los famosos y temidos U-Boote. El submarino Holland, 1898, fue el primero en funcionar con gasolina Ejemplo de U-Boot alemán Después de la Segunda Guerra Mundial, en 1854, entró en funcionamiento el primer submarino de propulsión nuclear, el Nautilus, que en 1958 atravesó sumergido el casquete polar ártico; en 1960, el submarino Tritón dio la primera vuelta al mundo bajo el agua. Submarino nuclear Tritó La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 8 LOS SUBMARINOS DE MONTURIOL A mediados del siglo XIX, los proyectos para crear una nave capaz de sumergirse eran aislados y sin repercusiones posteriores. Pero entonces apareció Narcís Monturiol con sus proyectos, que tuvieron muchas consecuencias, y fueron bien aprovechados por inventores posteriores. Retrato de Narcís Monturiol Monturiol nació en Figueras, y se lo conoce sobre todo por su faceta de inventor. Pero... ¿Por qué un submarino? El origen del Ictineo Desde la antigüedad, el coral ha sido un material muy preciado en la decoración de elementos suntuarios y, durante siglos, se ha generado a su alrededor una importante industria extractora manufacturera. Pero, especialmente en el siglo XIX, eran innumerables los objetos de ornamentación personal que incluían el coral en su fabricación. En Cataluña, en las costas del cabo de Creus, el coral era abundante y los pescadores de la época lo recogían con mucho riesgo: se zambullían en el mar mucho rato y a mucha profundidad, y a menudo emergían enfermos a causa del esfuerzo y, sobre todo, de los efectos de la apnea, de los cambios de presión y del consiguiente nitrógeno disuelto en la sangre que, en ocasiones, provocaban incluso la muerte. Durante sus estancias en Cadaqués, Narcís Monturiol fue testigo de la dureza del trabajo de los coraleros. Por este motivo, en 1857, a sus 38 años, se propuso construir un barco submarino que, en alguna de sus versiones, podría servir para recoger coral y contribuir a evitar el sufrimiento de aquellos pescadores. Monturiol bautizó a este barco con el nombre de Ictíneo, que significa pez-nave. La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 9 Así debían funcionar los Ictíneos Definición de las funciones de un submarino Al concebir el Ictíneo, Monturiol enumeró las funciones principales que debía cumplir un barco submarino y, para cada una de éstas, buscó las soluciones más adecuadas. 1. 2. 3. 4. 5. Inmersión dentro del mar: doble buque que permita bajar a grandes profundidades (buque interno) y que sea hidrodinámico (buque externo) - esta fue también la solución adoptada por Julio Verne en su Nautilus -, y vejigas natatorias para subir y bajar. Parada a voluntad: sistemas que otorguen estabilidad en los tres ejes, incorporando unos dispositivos pesados que se puedan desplazar longitudinalmente y fijar. Navegación en todos los sentidos: la nave debe poder desplazarse en vertical y en horizontal, y realizar cambios de rumbo; esto se consigue con hélices laterales y vejigas natatorias. Regreso a la superficie: hélices, vejigas y, eventualmente, soltar lastre. Sistemas que permitan la ascensión sin riesgo. Inmersión indefinida, sin comunicación con la atmósfera externa: máquina de vapor interna que no produzca gases nocivos; generación de oxígeno a partir de minerales sólidos; eliminación química del anhídrido carbónico y de otros humores o miasmas. Es decir, creación de la atmósfera ictínea. Aunque en este primer listado de requisitos no aparecen explícitamente las herramientas para recoger muestras del fondo del mar ni el método de iluminación, Monturiol las incluyó en escritos posteriores. En cuanto a esta última, la iluminación exterior en el Ictíneo se resolvía con luces de gas oxhídrico, y en el interior con velas. La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 10 Tras encontrar financiación, Monturiol inició la construcción de sus Ictíneos. El Ictíneo I fue botado en 1859, y si bien despertó poco interés entre las instituciones y el ejército, la población civil se entusiasmó, y el segundo Ictíneo, botado en 1864, se sufragó con aportaciones populares. Réplica del Ictíneo I, en el jardín del Museu Marítim de Barcelona El Ictíneo II fue el primer submarino a motor que navegó bajo el agua, y el primero que iba dotado de una atmósfera artificial que se regeneraba indefinidamente. Monturiol intentó vender su proyecto, modificado (sustituyendo los elementos destinados a la pesca por un cañón), al Ministerio de Marina sin éxito, y finalmente el Ictíneo II fue embargado y vendido como chatarra. El Ictíneo II, en una imagen antigua La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 11 Estos submarinos se caracterizaban por tener los siguientes elementos: ICTÍNEO I Medidas 7 metros de eslora (largo), 2,5 metros de manga (ancho) y 3’5 metros de altura. Oxígeno Disponía, únicamente, del que había dentro del buque, y las inmersiones finalizaban cuando se extinguía el aire. Luz Para la iluminación interior se utilizaban velas. Presión Los dos Ictíneos disponían de un doble casco de madera de olivo. Propulsión A partir de una hélice accionada manualmente por 4 hombres. Entre los dos cascos estaban los depósitos de lastre que para la inmersión se llenaban de agua y para la emersión se vaciaban mediante la inyección de aire comprimido. ICTÍNEO II Medidas 17 metros de eslora (largo), 3 metros de manga (ancho) y 3,5 metros de altura. Capacidad Tenía capacidad para veinte tripulantes. Propulsión y oxígeno Dotado con dos máquinas de vapor, una para la navegación en superficie y otra para la submarina. El combustible era una mezcla de zinc, peróxido de manganeso y clorato de potasio, con la que se creaba una reacción que desprendía oxígeno, que permitía la regeneración indefinida de la atmósfera. Doble casco de madera El exterior de 17 metros de eslora por 3 de manga, y el interior con capacidad para 20 tripulantes. La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 12 Tracción de la nave En un principio la propulsión seguía la pauta del primero, con una hélice accionada por 16 hombres, pero ante el escaso rendimiento del sistema, dos años más tarde se cambió por dos máquinas de vapor. El combustible utilizado (una mezcla de zinc, clorato de potasio y peróxido de manganeso) reaccionaba desprendiendo oxígeno, que servía para regenerar el aire. Inmersión Por tanques de agua. Brindaba su nueva función de talante bélico; se le añadió un cañón de 10 cm. de calibre que se cargaba y disparaba dentro del agua. El segundo Ictíneo realizó 13 inmersiones a una profundidad de 30 metros. Conclusión Narcís Monturiol tuvo que abandonar sus trabajos en 1868, cuando se quedó sin dinero para continuar investigando, y el Ictíneo II fue embargado y desguazado. Durante las tres décadas que quedaban para acabar el siglo XIX y la primera década del siglo XX otros inventores recogieron el testimonio del genio catalán y diseñaron nuevos ingenios submarinos, especialmente en Europa, pero la mayoría fueron máquinas de guerra pensadas para destruir al enemigo. Esto no significa que la humanidad hubiera perdido curiosidad científica o que el deseo de conocer los secretos de las profundidades marinas se hubiera desdibujado. Todo lo contrario, cada vez era más fuerte, tal y como lo demuestra el gran número de expediciones científicas que se llevaron a cabo durante el siglo XIX y las primeras décadas del XX. El naturalista inglés Charles Darwin, en su viaje a bordo del Beagle (de 1831 a 1836), y muchos otros, recogieron muestras del fondo del mar y se interesaron por la vida en las profundidades marinas. De hecho, a principios del siglo XX, muchos países disponían de barcos oceanográficos, como el Travailleur y el Talisman franceses, o el Hirondelle y el Princesse Alice del Principado de Mónaco. Pero en aquella época, pocos científicos, inventores e ingenieros—especialmente los que no eran militares—disponían del capital suficiente para afrontar diseños de barcos submarinos, y los que lo conseguían eran, casi siempre, financiados por los ministerios de Marina o de Guerra de las grandes potencias. Esto determinaba el objetivo y la utilización de sus ingenios, y también los requisitos y las innovaciones tecnológicas aplicables. Hasta el final de la Segunda Guerra Mundial la construcción de submarinos y sumergibles no daría un vuelco; su vertiente civil adquiriría una importancia nunca vista hasta entonces. La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 13 La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 14 SABÍAS QUE...? Informaciones y curiosidades sobre el mundo de los submarinos La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 15 PRINCIPIOS BÁSICOS SABÍAS QUE... Principio de Arquímedes (230 AC). Cualquier cuerpo insoluble, total o parcialmente sumergido en un fluido, experimenta una fuerza vertical que lo empuja hacia arriba, y que es igual al peso del fluido que desaloja, es decir, al peso del fluido desplazado al sumergirse el cuerpo. Si el objeto pesa más que el agua que desaloja, se hunde. Si pesa menos, flota. drio de 1 metro de largo y se llena de mercurio, a continuación se coloca invertido sobre un recipiente donde ya hay mercurio. El mercurio del tubo baja hasta formar una columna de 0,76 m. Y ya no baja más. ¿Cómo se interpreta este comportamiento? Pues de la siguiente forma: al bajar el mercurio del tubo se hace el vacío en la parte superior y por lo tanto no se ejerce presión, la columna de mercurio resultante hace una presión sobre el mercurio del recipiente que queda compensada por la presión que hace el aire en la superficie del mercurio. Esta presión se denomina presión atmosférica. Si en lugar de mercurio se utilizara agua y como el agua pesa 13,3 veces menos Ejemplos: ♦ Un barco de pasajeros pesa mucho que el mercurio, para obtener el mismo y flota porque el volumen de agua peso habría que utilizar un tubo más larque desplaza pesa más que el bar- go, ya que el agua debería tener una altura de 0,76*13,33 = 10,131 m. co. ♦ Una pelota flota porque pesa muy poco comparada con el peso del Así pues, el peso de la atmósfera de aire al nivel del mar es el mismo que el de agua que desplaza. ♦ Una moneda se hunde porque pesa 10,131 metros de agua. A esta presión más que el volumen del agua que se ha convenido denominarla precisamente una atmósfera. Técnicamente se desplaza. denomina un bar. El peso de una columna de agua de El peso de la atmósfera. Experimen- 10,131 m y de una sección de 1 cm2 es de 1,0131 Kg. o sea que una atmósfera to de Torricelli (1643) es aproximadamente equivalente a una La Tierra está rodeada por una capa de presión de 1 Kg. por centímetro cuadraaire llamada atmósfera. Este aire pesa. A do. partir de los experimentos de Torricelli, discípulo de Galileo, de 1643, sabemos que el peso del aire que soportamos es el equivalente a 760 mm de columna de mercurio, que también es equivalente a unos 10 metros de columna de agua. El experimento de Torricelli es muy sencillo de realizar: se coge un tubo de viLa navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 16 SABÍAS QUE... La medida de la presión en los fluidos. El barómetro. El manómetro. El altímetro (1643) Al hacer su experimento Torricelli demostró qué era la presión y de qué manera se podía medir. Por lo tanto, inventó también los conceptos de manómetro, de barómetro y de altímetro, variaciones del equipo de Torricelli destinados a medir presiones. De hecho el concepto manómetro integra a todos los instrumentos de medida de la presión. El barómetro y el altímetro son manómetros específicos que se utilizan para medir presiones inferiores a 1,2 atmósferas. El manómetro se usa, en general, para medir presiones más altas de una atmósfera. Los manómetros son instrumentos de precisión de medidas reducidas que llevan un pequeño depósito con una pared sensible a la presión, con una presión calibrada en el interior, que contrastan la diferencia entre la presión exterior y la interior midiendo el movimiento de la pared. El movimiento se amplifica mecánica o electrónicamente de forma que se pueda utilizar sin problemas. Ejemplos: ♦ ♦ Barómetro. El peso del aire no siempre es exactamente una atmósfera. Oscila dependiendo de las condiciones climatológicas. Presión atmosférica o barométrica alta indica tendencia al buen tiempo, presión baja indica tendencia al mal tiempo. Altímetro. La presión atmosférica disminuye con la altura. Cuanto más arriba menos aire queda enci- ♦ ma. Por lo tanto, la medición de la presión hecha al nivel del mar y hecha a una determinada altura nos dará dos valores que se pueden relacionar para calcular dicha altura. Manómetro. La presión en el fondo del mar aumenta una atmósfera cada 10 metros. Para medir presiones en el fondo del mar se usa un manómetro. Los instrumentos para medir la presión de los neumáticos son manómetros, y también lo son los aparatos médicos para medir la tensión arterial. Transmisión de la presión en los fluidos. Principio de Pascal (antes de 1662) En física, el principio de Pascal afirma que cualquier presión exterior ejercida sobre un líquido cerrado y en reposo, y que llene totalmente el recipiente que lo contiene, se transmite íntegramente a todos los puntos del líquido y actúa en todas las direcciones. Esto significa que si se ejerce una presión exterior sobre un líquido en reposo en un recipiente, el líquido ejercerá una presión de la misma intensidad sobre el propio recipiente y sobre cualquier otro cuerpo que esté en contacto. Esta presión siempre actúa perpendicularmente en la superficie del cuerpo sea cual sea su posición. Por este motivo se afirma que la presión se transmite en todas direcciones. La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 17 Ejemplos: ♦ ♦ ♦ estará sometida al doble de la presión anterior, de modo que el volumen pasará a la mitad (la pelota se arrugará). Si la misma pelota se lleva a la cima del Everest, donde la presión es de alrededor de 0,333 atmósferas, se inflará hasta que el volumen pase a ser el triple El Principio de Pascal se puede comprobar utilizando una esfera vacía, perforada en diferentes puntos ♦ y provista de un émbolo. Al llenar la esfera con agua y empujarla mediante un émbolo, se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma presión. Las prensas hidráulicas funcionan bajo el Principio de Pascal. Toda la ciencia y la tecnología hidráulica y neumática se basa en el Relación entre volumen y temperaPrincipio de Pascal. tura en los gases. Ley de Charles y Gay-Lussac (1787) Presión y volumen son inversamente proporcionales en los gases. Ley de Boyle-Mariotte (1662) La ley de Boyle (o ley de BoyleMariotte) es una de las leyes de los gases perfectos. Robert Boyle (1627-1691), naturalista irlandés, la descubrió en 1662. Edme Mariotte (1620-1684) fue un físico francés que la descubrió de manera independiente en 1676, y por lo tanto indistintamente se denomina ley de Mariotte o ley de Boyle-Mariotte. La ley establece que si la temperatura y la masa del gas permanecen constantes, la presión (P) y el volumen (V) son inversamente proporcionales. Matemáticamente se expresaría: donde k es una constante. Ejemplos: ♦ La ley de Charles y/o Gay-Lussac, explica las leyes de los gases ideales. Relaciona el volumen y la temperatura de una cantidad de gas ideal dada, mantenido a una presión constante, mediante una constante de proporcionalidad directa. En esta ley, Charles dice que una presión constante, al aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta y al disminuir la temperatura el volumen del gas disminuye. Esto se debe a que “temperatura” significa movimiento de las partículas. Así que, a mayor movimiento de las partículas (temperatura), mayor el volumen del gas. La ley fue publicada por Louis Joseph Gay-Lussac, en 1802, pero hacía referencia al trabajo no publicado de Jacques Charles, de 1787, de modo que la ley se atribuye usualmente a Charles. La ley de Charles es una de las más importantes sobre el comportamiento de los gases, y se ha usado de muchas formas diferentes, desde globos de aire caliente hasta acuarios. Si una pelota de goma inflada ligeramente por encima de la presión atmosférica se sumerge en el agua hasta una profundidad de 10 m, La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 18 Se expresa con la fórmula: diendo de las condiciones en las que se encuentre. El comportamiento de los gases perfectos (o ideales) está marcado por la Ley General de los Gases IdeaDonde: les, que se obtiene si se observan con♦ V es el volumen. juntamente la ley de Boyle-Mariotte, la ♦ T es la temperatura absoluta (es ley de Charles y Gay-Lussac, y otras que decir, medida en grados Kelvin) las complementan; y que describe la re♦ k es la constante de proporcionali- lación entre presión, volumen, temperadad. tura y cantidad de gas. Ejemplos: ♦ ♦ ♦ En un tubo de ensayo se deposita un poco de agua y se tapa el tubo con un corcho, después se empieza a calentar el tubo con un encendedor; el gas que había dentro del tubo (el vapor generado por el agua y el aire) empezará expandirse, tanto que necesita una vía de escape, así que al final el tapón salta. Se coloca un globo de caucho como tapón de una botella. Se calienta la botella. Al cabo de un rato el gas se expandirá hasta inflar el globo. Se coloca un globo inflado totalmente en una nevera. El aire, al enfriarse, se irá comprimiendo. Al cabo de un rato veremos el globo un poco desinflado. La ecuación matemática que define esta ley es: P·V = n·R·T Donde: ♦ P = presión, en atmósferas (atm) ♦ V = volumen, en litros (l) ♦ n = número de moles ♦ T = temperatura, en grados kelvin (k) ♦ R = constante de los gases. Su valor es aproximadamente 0,082 atm·l/k·mol. Ejemplos: ♦ ♦ Ley General de los Gases ideales (1797) De esta ley se puede deducir la de Boyle-Mariotte: la presión para el volumen de un gas contenido en un recipiente es una constante, siempre que no varíe la temperatura. También se deduce la de Charles y Gay-Lussac; a presión constante el volumen de un gas contenido en un recipiente es proporcional a su temperatura absoluta. Un gas ideal es un gas que tiene sus moléculas totalmente libres y no hay interacción entre ellas. Las moléculas se mueven de forma rectilínea chocando entre sí y con las paredes del recipiente que las contiene sin intercambio de energía alguno. Los gases ideales no existen, pero cualquier gas real se puede comportar aproximadamente como uno ideal depenLa navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 19 Monturiol y el cálculo del volumen Cl=3K 3/202 + ClK. Los pesos atóde oxígeno a partir de productos micos del Cl=35,5, del Oxígeno=8 y del oxigenados K=19 dan un mol, o sea, 78,5 gramos de clorato de potasa que generan 3/2 moles de O2, o sea 3/2 de 22,4 litros = 33,6 litros. De aquí que de 1 Kg. de clorato de potasa, según esta ley, Monturiol debía obtener 428 litros de oxígeno (a 0ºC y a 1 atmósfera). Como la temperatura del Ictíneo era de unos 30ºC, o sea 303ºK, ClO3K 3O + ClK que modernamente se obtendría, según la ley de Charles/ se escribe ClO3K 3/2O2 + ClK, ya Gay-Lussac más volumen de oxígeno, que el oxígeno molecular está compuesto 428*303/273 = 475 litros. por dos átomos de oxígeno y se expresa como O2. Monturiol experimentó diversos métodos para generar oxígeno a partir de minerales oxigenados. Uno de ellos consistía en disociar el clorato de potasa según la reacción A lo largo del siglo XIX se fueron conociendo los pesos atómicos de los elementos (aunque la Tabla Periódica de Mendeleiev no fue anunciada hasta 1869) y por lo tanto empezaba a quedar clara la relación entre pesos de reactivos y pesos de productos obtenidos en la reacción, o sea, la estequiometría. El primero que enunció los principios de la estequiometría fue Jeremias Benjamin Richter (1762-1807), que en 1792 escribió: Presiones parciales en los gases. Ley de Dalton o de las presiones parciales (1810) La ley de Dalton o de las presiones parciales, es una extensión de la Ley de Gases Ideales. La formuló John Dalton, químico y físico inglés, y establece que la presión total que ejerce una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales que ejercen individualmente cada uno de los gases que componen la La estequiometría es la ciencia que mide mezcla. las proporciones cuantitativas o relaciones de masa en las que los elementos En una mezcla de gases ideales, se defiquímicos están implicados. ne la presión parcial de un componente i, pi, como la que ejercería si ocupara él Monturiol realizó experimentos con los solo el volumen de la mezcla a la misma elementos que encontraba en las dro- temperatura, es decir: guerías y llegó a la siguiente conclusión: 1 Kg. de clorato de potasa produce 150 litros de oxígeno a 2 atmósferas, o sea 300 litros a una atmósfera, según la Ley de Boyle-Mariotte. Si se calcula científicamente, un mol de clorato de potasa ClO3K produce 3/2 moles de oxígeno según la reacción La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 20 Esta definición tiene su utilidad porque cuando se suman las presiones parciales de todos los gases que constituyen la mezcla, se obtiene la presión total que la mezcla ejerce: Esta relación, según la cual la presión de la mezcla es la suma de las presiones parciales, es la expresión matemática de la ley de Dalton. Presión y profundidad. La borrachera de las profundidades (1930) Cuando un submarinista se sumerge soporta en cada momento la presión del peso del agua que tiene encima. La presión aumenta 1 atmósfera cada 10 m. El submarinista a 30 m soporta 4 atmósferas, la presión atmosférica de la superficie más las 3 atmósferas del agua a aquella profundidad. Además, se sabe que el aire está compuesto aproximadamente por cuatro partes de nitrógeno y una de oxígeno. Si el submarinista está sometido a 4 atmósferas y, según la Ley de Dalton, las presiones parciales de oxígeno y nitrógeno son proporcionales a la relación de volúmenes, resulta que está sometido a una presión parcial de oxígeno de 0,8 atmósferas, y a una presión parcial de nitrógeno de 3,2 atmósferas. euforia, falta de coordinación, pérdida de motricidad, falta de inhibición en las reacciones, angustia, problemas de visión (efecto túnel), desaparición de la noción de tiempo, sensación de soledad, pérdida de la capacidad de interpretación de hechos o de percepciones, retraso en las reacciones, acabando con la negación de la evidencia. Si se sobrepasa esta profundidad se llega a la pérdida de conocimiento. Estos efectos fueron descubiertos en 1930. El submarinista que ha sufrido esta narcosis debe ser reconducido a menos profundidad y seguir el protocolo de descompresión, de forma que pase el efecto de la narcosis y que el nitrógeno se vaya disolviendo en la sangre sin pasar a gas, que como se sabe provocaría embolias. Algunos factores ambientales o de la propia persona se consideran agravantes: frío, alcohol, droga, estrés, fatiga. Para disminuir la influencia del nitrógeno se utiliza para respirar a profundidades superiores a 30 m una mezcla de gases que tiene menos o cero nitrógeno, y se añade helio u otros gases inertes. Los productos son, entre otros: Argox (argón y oxígeno), Nitrox (nitrógeno y oxígeno en diferentes proporciones), Heliox (helio y oxígeno), Trimix (nitrógeno, helio y oxígeno), Hydrox (helio, nitrógeno y oxígeno). Las profundidades que se consiguen con estas mezclas pueden ser de hasta 700 m. Se denomina borrachera o narcosis de las profundidades a los cambios que sufre el organismo humano cuando la presión parcial del nitrógeno en el aire que respira es superior a las 3,2 atmósferas. Al respirar a esta presión el nitrógeno se disuelve en la sangre y en los tejidos nerviosos y produce unos efectos en el comportamiento parecidos a la borrachera: La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 21 Las cámaras hiperbáricas Las cámaras hiperbáricas son una de las especialidades de la sociedad francesa Comex. Se utilizan normalmente para tratar los accidentes de descompresión y tienen por finalidad reproducir las condiciones barométricas a las que estaba expuesto el buceador accidentado. Se usan cuando el buceador no respeta la tabla de descompresión y/o la velocidad de ascenso. También si se quiere efectuar la descompresión de esta forma en buceo en plataformas petrolíferas o submarinos. Se introduce al buceador en la cámara hiperbárica y se lo somete a una presión equivalente a la que soportó en el descenso; a continuación se descomprime respetando las tablas de tiempos y paradas. En los submarinos tipo SAGA los submarinistas entran directamente desde el exterior en la cámara hiperbárica que ya está a la misma presión exterior. A partir de este momento se hace la descompresión ordenadamente. Bombas de hidrógeno en Palomares, Almería (1966) En 1966, debido al choque en el aire entre un avión de avituallamiento y un bombardero americano, Fortaleza Volante B-52, cayeron los dos aviones y 4 bombas de hidrógeno en Palomares, Almería. Tres cayeron en tierra, y contaminaron con plutonio unas buenas extensiones de terreno. Una de las bombas cayó en el mar, a 570 metros de profundidad. La bomba era 50 veces más potente que la de Hiroshima y 280 veces más potente que todas las bombas lanzadas sobre Alemania en un raid de 1.000 bombarderos en la Segunda Guerra Mundial. El rescate se hizo con tres sumergibles activos y uno de apoyo. El Deep Jeep (600 m) llegó a Almería en el avión en dos días y el Alvin (5.000 m) y el Aluminaut (3.000 m) llegaron al cabo de 8 o 10 días por mar. El cuarto submarino fue el Perry PC3-B (180 m) que se dedicó a recoger por los alrededores sin intervenir directamente en el rescate. Los tres submarinos principales trabajaron conjuntamente (y sigilosamente) codo con codo intentando localizar la bomba. Cuando seis semanas después la localizaron, como los métodos de posicionamiento todavía eran poco precisos, uno de ellos permanecía siempre cerca, y permanentemente en contacto visual con la bomba, mientras otro subía a cargar baterías. Unos meses después consiguieron recuperarla. El PC3-B que hacía de chatarrero, recogiendo los restos de los aviones que habían caído al mar, encontró un galeón del siglo XVI entre los sedimentos a 40 m de profundidad. El Alvin se hunde y el Aluminaut lo recupera (1968) En 1968 el Alvin se hundió en una mala maniobra en CapeCod, cerca de la isla de Nantucket, delante de Boston, aunque los tripulantes pudieron salir. Quedó depositado a 1.700 m. El DOWD de General Motors fue enviado rápidamente al lugar donde se había hundido el Alvin, pero no consiguió localizarlo y tuvo que abandonar la búsqueda porque se acercaba el invierno, que en aquellos parajes es muy crudo. La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 22 En verano de 1969 el Aluminaut fue enviado para rescatarlo, se sumergió, localizó el Alvin y lo fotografió. En sucesivas inmersiones, como la escotilla de entrada del Alvin había quedado abierta, se consiguió, usando los manipuladores, reventar una parte de fibra de vidrio del Alvin y pescarlo. El barco nodriza Mizar lo izó a la superficie. barco, a vela y vapor, el Challenger, para dar la vuelta al mundo en 4 años. El Challenger tenía varias misiones; una consistía en dibujar mapas de los mares conocidos. Otra, medir las profundidades marinas con sondas con plomos. La tercera consistía en extraer muestras del fondo del océano. Hasta ese momento, los científicos no sabían cuán profundos eran los mares y los océanos, y desconocían si había vida, animal o vegetal, más allá de unos centenares de metros. La lógica y Los científicos se preocupan por las los conocimientos del momento les indiprofundidades. Las expediciones del caban que donde no llegaba la luz no Beagle y del Challenger (1831-1836 había fotosíntesis y, por ende, no había y 1872-1876) vida vegetal. Desde siempre los científicos habían que- Los reportes de la expedición del Charido saber qué había en el mar y, sobre llenger desde el punto de vista biológico todo, bajo la superficie del mar. fueron de gran importancia por el posterior desarrollo de la biología marina. Se En 1831 el bergantín de dos palos Beagle concluyó, por ejemplo, que había vida con el joven naturalista Charles Darwin a hasta kilómetros hacia las profundidades, bordo inició un viaje de 5 años en el que y que la fauna de las profundidades no dio la vuelta al mundo. Darwin estaba era “antigua”, ya que no se parecía a la comisionado por el rey de Inglaterra y su fauna encontrada en yacimientos fósiles. misión era conocer el mundo desde el Esta expedición marcó el nacimiento de punto de vista de un naturalista. El viaje la moderna oceanografía. le permitió estudiar las características geológicas de confines diversos y obser- A principios del siglo XX todas las granvar una enorme variedad de fósiles y de des potencias tenían barcos oceanográfiespecies animales y vegetales; también cos. En Francia tenían el Travailleur y el recogió numerosas muestras que, de Talisman, pero sobre todo el príncipe Alvuelta en Inglaterra, ordenó y clasificó berto de Mónaco, en 1901, hizo una serie minuciosamente. Esto hizo que empezara de campañas en el Atlántico tropical a a plantearse interrogantes sobre los orí- bordo de los barcos Hirondelle y Princesgentes de los seres vivos que habitaban se Alice donde soltó redes hasta tocar el planeta. En 1859 Darwin publicó el li- fondo y recogió material desde más de bro El Origen de las Especies mediante la 6.000 metros de profundidad. En las reSelección Natural. El libro, que plantea des había diversas especies de estrellas por primera vez la teoría de la evolución, de mar y también peces. despertó un deseo extremo por conocer más profundamente la forma de trabajar de la naturaleza. En 1872, el Almirantazgo británico volvió a poner a disposición de la ciencia un La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 23 WEBS PARA EXPLORAR A continuación os proponemos una serie de sitios web que podéis explorar para profundizar un poco más en el tema de los submarinos: 1. CONSTRUYAMOS UN SUBMARINO DE AIRE Experimento del diablillo de Descartes explicado por Jordi Mazón, profesor de Física Aplicada. UPC Vídeo: http://www.recercaenaccio.cat/experimenta/construim-un-submari-daire/ 2. UN SUBMARINO ACTUAL POR DENTRO Recorrido tridimensional por el interior del submarino HMS Ocelot. https://www.google.co.uk/maps/@51.3956024,0.5261914,3a,75y,290.37h,58.8t/ data=!3m7!1e1!3m5!1ss4oxPeKMY-IAAAQJOMnFFQ!2e0!3e2!7i13312!8i6656 3. PROYECTO ICTINEU Institut Narcís Monturiol: Recursos para trabajar el fondo del mar en Educación Infantil y Primer Ciclo de Primaria, elaborados por los alumnos del instituto. http://www.iesmonturiol.net/ictineu/projecte.html La navegación submarina y Narcís Monturiol. Museu Marítim de Barcelona 24
