Respuesta parcial sobre las cargas de profundidad, el sonido submarino y las ondas de choque
La gente ha comentado en varios lugares que estar bajo el agua puede empeorar los efectos de las ondas de choque porque es un fenómeno conocido que el agua transmite las ondas de choque de alguna manera "más" que el aire, y el cuerpo humano contiene estructuras huecas llenas de aire (pulmones, senos paranasales) donde se depositará la energía.
No confío en mis conocimientos, así que dudo en decir nada, pero creo que se trata de un error que no necesita de un experto para corregirse, y que quedará claro en cuanto alguien reflexione sobre ello. Esto también puede ser un poco largo ya que estoy hablando a mí mismo a medida que avanzo.
qué pasa con las cargas de profundidad
El agua no hace que los sonidos sean más enérgicos por arte de magia. La energía es energía y la ley del cuadrado inverso es la ley del cuadrado inverso. Entonces, ¿por qué los submarinos o las ballenas pueden detectar sonidos a muchos kilómetros de distancia con gran claridad? ¿Por qué son tan dañinas las explosiones submarinas? ¿Por qué los chasquidos de comunicación de las ballenas pueden ser perjudiciales para animales más pequeños como los humanos?
Primero definamos daño en un lenguaje con el que podamos hacer física. El daño es algo que tiene que ver con la energía depositada en un objetivo mucho más rápidamente de lo que el objetivo puede disipar o irradiar energía. Las estructuras físicas en el objetivo pueden aproximarse como equilibrios energéticos localmente estables. Romperlas significa empujarlas fuera de ese equilibrio, hacia arriba y sobre el borde de un pozo de energía.
La forma de aplicar la energía afecta a la rapidez con la que puede disiparse o irradiarse. Por ejemplo, disparar un pulso láser de alta potencia a alguien puede vaporizar parte de su piel, pero el vapor se llevará la energía con la misma rapidez con la que se introduce, por lo que la lesión será superficial. Disparar una bala de energía equivalente a la persona destrozará los huesos y romperá los órganos, porque no hay ningún mecanismo para que la energía escape tan rápido como la bala la está introduciendo, excepto a través de la herida de salida con lo que queda de la bala. Por el contrario, un lanzador de béisbol de instituto que lanza una pelota de béisbol a una persona tiene el mismo mecanismo (impacto físico de un objeto mayoritariamente rígido) y la misma energía que una bala de pistola (unos 500 julios). Pero aplica la energía mucho más lentamente debido a su velocidad mucho menor. Incluso si golpea una estructura rígida de poca superficie, como la frente, sólo dejará un moratón.
Las ondas de presión depositan energía en un objetivo. Por tanto, podemos deducir que, en igualdad de condiciones, más energía en menos tiempo significa más daño.
Como dije al principio, la energía es energía y la ley del cuadrado inverso es la ley del cuadrado inverso. Sumergir una bomba en agua no la hace más energética. Las bombas son objetos sólidos con un radio mínimo bien definido, así que no hay forma de engañar a la ley del cuadrado inverso. Utilicemos una bomba esférica antigua: la energía total en la superficie de la bomba es (aproximadamente) la misma que la energía total en cualquier envoltura esférica mayor, y la relación de densidades de energía es la misma que la relación de radios al cuadrado.
Así que bajo el agua estamos haciendo más "daño" -es decir, más energía en menos tiempo- con la misma energía. Es la velocidad (literalmente) con la que estamos aplicando esa energía que hace que la onda de presión sea más dañina.
La velocidad del sonido es unas 5 veces mayor bajo el agua que en el aire. No tengo ni idea de cómo o si las ondas de choque supersónicas funcionan bajo el agua, pero supongamos que en cualquier caso todas las ondas de presión creadas por una explosión dada se propagan mucho más rápidamente bajo el agua que en el aire, y por lo tanto depositan energía en el objetivo mucho más rápido que una onda de presión de densidad energética equivalente en el aire. El mismo flujo de energía en menos tiempo equivale a más daño.
¿qué pasa con las explosiones submarinas en el aire?
Ahora digamos que detonamos la misma bomba por encima de la superficie del agua. Supongamos que no la energía se refleja en la interfaz agua-aire. (Esto no es realista: en realidad más energía se refleja en la interfaz).
El agua no puede transmitir energía a un objetivo sumergido más rápido de lo que la superficie del agua recibe energía. Eso violaría la conservación de la energía o, al menos, requeriría que el agua tuviera algún mecanismo para almacenar la energía para su liberación retardada. En términos de flujo de energía, entonces, el flujo de energía a través de la sección transversal de un objetivo a cierta distancia $l$ de una superficie que a su vez está a una distancia $r$ de la fuente de una onda de presión en el aire se encuentra entre el flujo de potencia a una distancia $r$ de la fuente en el aire y el flujo de potencia a una distancia $r+l$ de la fuente en el aire.
Si estamos a 1,5 metros bajo el agua, ignorando otros factores, nuestro flujo de energía es algún valor inferior al que sería en la superficie, y superior al que sería a otro 1,5 m del arma en la atmósfera.
Eso sería un gran alcance si estamos hablando de una bomba a 3 metros de distancia, y habría que hacer experimentos o cálculos para determinar si estaría mejor en el aire o bajo el agua. Pero estamos hablando de una bomba al menos a 3 kilómetros si no, ya estamos muertos hagamos lo que hagamos. Nuestro máximo aumento de flujo de energía de buceo 1,5 m en lugar de caminar 1,5 m es $1-(3000m)^2/(3001.5m)^2 \approx 0.001 $ veces más flujo de potencia. $^1$
Por tanto, en términos de flujo de energía, el agua sólo necesita reflejar menos del 0,1% de la energía entrante para que recibas menos "daño" que alguien que se encuentre en el mismo radio en el aire.
¿qué pasa con las interfaces del cuerpo humano?
De acuerdo, pero quizá haya algo en recibir un golpe en el agua que haga que un flujo de potencia de onda de presión dado sea peor en el agua que en el aire. Las ondas de presión depositan la mayor parte de su energía cuando se reflejan en los cambios de interfaz, por lo que en el agua, los brazos, las piernas y las tripas transmitirán la energía en su mayor parte sin alteraciones, mientras que los pulmones y los senos paranasales reflejarán en su mayor parte la onda de presión y, por lo tanto, la onda de presión depositará mucha energía en esos lugares. Uno se imagina que los pulmones y los senos nasales podrían ser más frágiles que los brazos y las piernas, incluso teniendo en cuenta cómo la articulación del cuerpo transmitirá la mayor parte de esa energía a las articulaciones vulnerables.
De nuevo, se trata de un error que se ve fácilmente y no necesito saber nada sobre las resistencias estructurales relativas de los pulmones y las articulaciones para saberlo. Todo lo que necesito saber es que en ambos casos, hay el mismo número de cambios de interfaz hechos de más o menos la misma cosa.
Es decir: supongamos que un ser humano es una bolsa de agua (carne, hueso, etc) alrededor de una bolsa de aire (pulmones, senos paranasales)
Si te golpea una onda de presión en la atmósfera, se produce un cambio de interfaz en tu piel y un segundo cambio de interfaz en tus pulmones. En la primera interfase (aire-cuerpo) se refleja cierta cantidad de energía, se deposita cierta cantidad en la interfase y se transmite cierta cantidad. La cantidad transmitida llega a la segunda interfaz (del cuerpo a los pulmones). Una cierta cantidad se refleja, una cierta cantidad se deposita, y así sucesivamente.
Si te golpea una onda de presión en el agua que se originó en la atmósfera, se produce un cambio de interfaz en la superficie del agua y un segundo cambio de interfaz en tus pulmones. En la primera interfaz (del aire al agua) se refleja cierta cantidad de energía, se deposita cierta cantidad en la interfaz y se transmite cierta cantidad. La cantidad transmitida llega a la segunda interfaz (del cuerpo a los pulmones). Una cierta cantidad se refleja, una cierta cantidad se deposita, y así sucesivamente.
¿Cuál preferirías que absorbiera el porcentaje de energía depositado por la onda en la transición de fase aire-agua? ¿La superficie del agua o tu cuerpo?
Ahora bien, es posible que la energía depositada en la superficie del agua sea, en la práctica, tan perjudicial para usted a 1,5 m de profundidad como si se la depositaran directamente. El agua se deforma y un acontecimiento cataclísmicamente violento como una gran bomba podría hacer explotar toda el agua con una fracción de la energía depositada en la superficie, haciendo que no hubiera ningún beneficio práctico. No lo sé. Pero seguramente, no es significativamente peor que la energía se deposite, al menos al principio, a una distancia de 1,5 m de usted que dentro de su propio cuerpo.
1: Es más complicado que esto debido al efecto suelo (el suelo refleja la mayor parte de la energía, por lo que las ondas de choque se propagan a lo largo del suelo con entre $1/r$ y $1/r^2$ dependencia). Y debido a las barreras (como señalé en mi otra respuesta, ponerse a cubierto detrás de algo pesado y sólido provocará una drástica reducción de la cantidad de energía a la que estás expuesto, y la superficie del planeta es algo muy pesado y sólido tras lo que esconderse). Pero para una idea general de por qué 1,5 m de distancia no importa mucho, creo que es lo suficientemente cierto.
