Seconda Lezione (cenni di fisica)
Come in ogni situazione, anche nell'attività subacquea siamo soggetti a fenomeni fisici: la loro comprensione ci aiuta a capire il perchè di certi comportamenti e la loro conoscenza ci permette di immergerci in tutta sicurezza in acqua nella piena consapevolezza di cosa succederà e perchè
La pressione
La pressione è una grandezza fisica, definita come il rapporto tra la forza agente normalmente su una superficie e la superficie stessa.
Anche l'aria che ci sovrasta ha un suo "peso" e crea una pressione che agisce su di noi e su ogni oggetto che ci circonda.
L'atmosfera standard o atmosfera (abbreviata in atm) è un'unità di misura, definita con precisione a sei cifre nel Sistema Internazionale, per approssimare una quantità che varia costantemente a seconda del luogo e del momento. La pressione atmosferica a livello del mare è, con buona approssimazione, pari ad 1Kg/cm quadrato.
La persona che misurò tale pressione fù Evangelista Torricelli: riempì di mercurio una provetta lunga 1 metro e di 1 cm quadrato di sezione; tenendo l'estremità inferiore otturata con un dito, la rovesciò in un recipiente contenente anch'esso mercurio. Il mercurio della provetta scese fino ad arrestarsi ad un'altezza di 760mm; per ottenere il valore della pressione atmosferica in pascal sarà quindi sufficiente calcolare il valore della pressione della colonna di mercurio, di cui è nota l'altezza e la densità ed è uguale a 1Kg/cm quadrato.
Il principio di Archimede
<<Un corpo immerso (totalmente o parzialmente) in un fluido riceve una spinta (detta forza di galleggiamento) verticale pari al peso di una massa di fluido di forma e volume uguale a quella della parte immersa del corpo>>
Quindi un corpo immerso in acqua tende a cadere fino a raggiungere il fondo se la forza di Archimede è minore del peso (assetto negativo), si trova in una situazione di equilibrio se la forza di Archimede è uguale al peso (assetto neutro o equilibrio idrostatico) oppure tenderà a risalire fino alla superficie dove galleggia se la forza di Archimede è maggiore del peso (assetto positivo).
Supponendo che una persona pesi 100kg ed abbia un volume di 100lt, quando questa entra in piscina il volume spostato è pari a 100 lt di acqua e, poichè questa pesa esattamenta 100kg, eguaglierà il peso della persona: si muoverà quindi in acqua senza affondare nè galleggiare (assetto neutro).
Basta però che questa aumenti il proprio volume (ad es. inspirando aria nei polmoni) per aumntare la spinta di archimede e facendola galleggiare.
Qualora la stessa persona entrasse in mare (densità 1,03), riceverebbe una spinta verso l'alto pari a 103kg e quindi galleggerebbe.
Il principio di Pascal
Il principio di Pascal (1653) afferma che "in ogni punto di un fluido perfetto o in quiete gli sforzi di pressione si trasmettono inalterati in tutte le direzioni" . Nell'esempio in basso, il pistone spinge l'acqua contenuta in una sfera: essa uscirà da ciascuno dei buchi praticati con uguale pressione.
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Legge di Boyle e Mariotte
La legge di Boyle e Mariotte afferma che in condizioni di temperatura costante la pressione di un gas è inversamente proporzionale al suo volume, ovvero che il prodotto della pressione del gas per il volume da esso occupato è costante.
Se ad esempio prendiamo una palla contenente 6 litri di aria e la portiamo sott'acqua, all'aumentare della pressione il suo volume diminuirà progressivamente.
Profondità (metri) |
Pressione (in atm) |
Volume (in litri) |
PxV=costante |
| 0 |
0 |
0 |
0 |
L'importanza di tale Legge è nella spiegazione che fornisce sull'importanza della compensazione dell'orecchio, della maschera e dell'espirazione in risalita.
Senza scendere in particolari di anatomia, basti sapere che scendendo sott'acqua, l'aumento della pressione esterna e la diminuzione del volume dell'aria contenuta nell'orecchio medio fanno sì che la membrana timpanica si introfletta: ciò porterà dapprima dolore e, scendendo ancora, la rottura della stessa. Per fortuna la nostra anatomia ci viene incontro: nell'orecchio medio parte un piccolo canale detto Tromba di Eustachio che termina nel retrobocca; basta quindi immettere aria in questo canale per aumentare la pressione anche all'interno dell'orecchio medio riportando il timpano nella sua posizione originaria.
Anche la maschera contiene una piccola quantità d'aria; mentre scendiamo sott'acqua la pressione estrena aumenterà mentre quella nella maschera rimarrà ad 1 atm.. riducendo così il suo volume. Compensare tale diminuzione è semplice: basta soffiare una piccola quantità d'aria nella maschera!
Infine un'ultima conseguenza di questa Legge, importantissima perchè non osservandola si può incorrere in grossi problemi! In immersione respiriamo aria a pressione ambiente; se siamo a 10 mt di profondità (2 ATA) e abbiamo nei polmoni 5 litri di aria, se andiamo in superficie senza espirare aria, essa si espanderà fino a raggiungere il volume di 10 litri! Poichè i nostri polmoni non hanno tale elasticità, dapprima avremo la lacerazione degli alveoli con immissione di bolle d'aria nel circolo sanguigno. Ricordiamoci quindi di respirare normalmente in risalita, senza trattenere il respiro!!
Legge di Charles
La prima legge di Gay-Lussac, nota anche come legge di Charles, afferma che in condizioni di pressione costante il volume di un gas aumenta linearmente con la temperatura, ovvero V/T=K .
Se quindi aumentiamo la temperatura di un gas, aumenta anche la sua pressione; se aumentiamo la pressione, aumenterà anche la temperatura. Le bombole che utilizziamo nelle immersioni sono caricate a circa 200 atmosfere di pressione, contengono quindi un volume d'aria 200 volte superiore al loro volume: una bombola da 15 litri conterrà quindi 15x200= 3000 litri d'aria.
Quando carichiamo la bombola, l'aria è compressa al suo interno, aumentando la sua temperatura; quando dopo poco tempo si raffredda, diminuirà la pressione: è quindi da prevedere un lieve calo della pressione della bombola anche all'ingresso in acqua, specialmente nei mesi estivi.
L'aria
che respiriamo normalmente e che viene pressurizzata nelle
bombole, contiene ossigeno al 20% circa..
il resto è quasi interamente Azoto, un agas che consideriamo inerte in quanto non interviene nei processi respiratori; nonostante sia inerte, l'azoto comporta degli effetti sull'immersione
Legge di Dalton
La pressione totale esercitata da una miscela
ideale di gas ideali è uguale alla somma delle pressioni
parziali che sarebbero esercitate dai gas se fossero presenti
da soli in un eguale volume.
Più precisamente, la pressione P di una miscela di
n gas può essere definita come la somma:
P = p1 + p2 + ... + pn dove p1, p2, pn rappresentano la pressione
parziale di ogni componente.
Questo significa che ogni gas in una miscela ideale agisce
come se l'altro gas non fosse presente e pertanto le pressioni
di ciascun gas possono essere semplicemente sommate.
Questa Legge ha diverse conseguenze sull'immersione.. una di queste è collegata all'osservata diminuzione di lucidità del sommozzatore esposto ad elevate pressioni parziali di azoto, fenomeno detto "narcosi da azoto". E' difficile che questo fenomeno però si verifichi prima dei 25-30 metri di profondità e si attenua con l'allenamento.
Un'altra applicazione deriva dalla tossicità dell'ossigeno respirato ad elevate pressioni parziali: è universalmente accertato che la pressione parziale massima sopportabile di ossigeno è 1,6 atmosfere per 45 minuti; utilizzando la Legge di Dalton è calcolato che tale pressione parziale dell'ossigen si raggiunge a 66 metri di profondità, ben oltre la logica delle immersioni sportive che è 42 metri.
Legge di Henry
Scoperta da William Henry nel 1803, l'omonima
legge regola la solubilità dei gas in un liquido. In
particolare essa sostiene che:
Un gas che esercita una pressione sulla superficie
di un liquido, vi entra in soluzione finché avrà
raggiunto in quel liquido la stessa pressione che esercita
sopra di esso.
Raggiunto l'equilibrio, il liquido si definisce saturo di
quel gas a quella pressione. Tale stato di equilibrio permane
fino a quando la pressione esterna del gas resterà
inalterata, altrimenti, se essa aumenta, altro gas entrerà
in soluzione; se diminuisce, il liquido si troverà
in una situazione di sovrasaturazione ed il gas si libererà
tornando all'esterno fino a quando le pressioni saranno nuovamente
equilibrate.
Tale Legge ci aiuta a capire il comportamento dei gas durante la respirazione subacquea. Poichè il nostro corpo è composto in buona parte da liquidi, tralasciandol'ossigeno che reagisce chimicamente ed è quindi ininfluente, l'azoto si scioglierà nei nostri tessuti, ma viceversa, risalendo in superficie, tenderà, al diminuire della pressione, a tornare in forma gassosa (bollicine).
La soluzione stà nel controllare la velocità di risalita per mantenere piccole queste bollicine di azoto e far si che si eliminino naturalmente ed evitare così la MDD (malattia da decompressione): per fare ciò seguiremo alcune semplici regole..
- risalire ad una velocità di 10 metri al minuto;
- fermarsi 1 minuto a metà della profondità massima raggiunta;
- fermarsi 3 minuti a -5 metri;
- continuare la risalita alla superficie a 3 metri al minuto.
Testo tratto da www.wikipedia.it e dal manuale f.i.p.s.a.s. Bollicine
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