Un po' di fisica...per capire come reagisce il nostro corpo sott'acqua

Fisica in generale

Nelle varie attività subacquee, l'ambiente che ci circonda fa reagire il nostro corpo in diversi modi; alcuni problemi  sono comuni alle varie tecniche d'immersione, la pratica e il perfezionamento dell'attività subacquea ci permetteranno di effettuare immersioni in tutta sicurezza e con il massimo del divertimento.

Per approfondire la conoscenza del comportamento del corpo umano in immersione è necessario apprendere alcune leggi fisiche. Ecco qui alcune parole chiavi importanti per capire meglio la fisica:

FORZA - Si definisce forza qualsiasi causa capace di provocare su un corpo non vincolato una variazione del suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme.

PESO - Il peso è la misura della forza di gravità, cioè la forza attrattiva terrestre che ci tiene "incollati alla terra"

PESO SPECIFICO - Il peso specifico è il peso del volume unitario di una sostanza. L'unità di riferimento è il peso dell'acqua distillata alla quale tutte le sostanze vi si rapportano.

VOLUME - E' la porzione di spazio occupata da un corpo o da una sostanza.

Caratteristiche della materia in quanto tale

La materia, in natura, si presenta in tre stati fondamentali:

SOLIDO - ha forma e volume propri

LIQUIDO - ha volume proprio ma assume la forma del recipiente che lo contiene

GAS - assume la forma e il volume del recipiente che lo contiene

La pressione

In qualunque situazione il subacqueo o l'apneista deve fare i conti con la pressione e le sue continue variazioni. Quando gonfiamo un palloncino diciamo che su ogni punto della sua superficie interna è soggetta a pressione.

 LA PRESSIONE È UNA FORZA DISTRIBUITA SU UNA SUPERFICIE

Il suo valore si misura calcolando la forza esercitata su una superficie. Gli effetti della forza variano a seconda che agisca su un solido o su un fluido. Come dice il principio di Pascal:

LA PRESSIONE ESERCITATA SU UN FLUIDO SI TRASMETTE IN TUTTE LE DIREZIONI CON UGUALE INTENSITÀ

Durante un'immersione la pressione dell'acqua che ci avvolge è uniforme su ogni punto della superficie del corpo, controbilanciata dall'incomprimibilità dei liquidi corporei e del fatto che i gas contenuti nei polmoni sono sempre in equilibrio con la pressione esterna. Se siamo in apnea infatti i gas si riducono di volume equilibrando la pressione esterna, se invece siamo con l'autorespiratore abbiamo a disposizione aria ad una pressione equivalente a quella ambiente nel quale ci troviamo.

La pressione atmosferica

L'aria avvolge la Terra con la sua atmosfera per centinaia di chilometri, il peso di quest'ultima dà origine alla cosiddetta pressione atmosferica. La densità dell'aria decresce progressivamente man mano che ci si allontana dalla superficie; quindi il valore della pressione atmosferica non è costante, ma dipende dalla distanza a cui ci troviamo rispetto alla superficie e dell'aria soprastante.

Per dimostrare l'esistenza di questa forza e per misurarla, occorre citare il principio di Torricelli; il quale prese una provetta di vetro lunga un metro e la riempì totalmente di Mercurio (Hg) e dopo averla capovolta, otturandone l'imboccatura con un dito, in una bacinella, anch'essa piena di Mercurio notò che il liquido, della provetta scendeva fino ad una altezza di 760mm dal livello di Mercurio della vaschetta. La conclusione fu che la pressione atmosferica, con una forza dall'alto verso il basso, premeva sul livello del liquido non facendolo fuoriuscire.

Tenendo presente che il Mercurio (Hg) pesa 13,6 volte l'acqua (H₂O) per esercitare la pressione di 1 atmosfera (ATM) la colonna di liquido dovrà essere 13,6 volte più grande, quindi:

760mm * 13,6 = 10m

In acqua quindi la pressione aumenta di 1 ATM ogni 10 metri di profondità.

La pressione assoluta qui considerata è data dalla somma tra la pressione atmosferica e la pressione idrostatica:

-10 metri = 2 ATA = 1 ATM + 1 atmosfera idrostatica

Legge di Boyle e Mariotte

"A TEMPERATURA COSTANTE, IL VOLUME DI UN GAS VARIA IN MANIERA INVERSAMENTE PROPORZIONALE RISPETTO ALLA PRESSIONE CUI É SOTTOPOSTO"

Faccio un esempio per farvi capire meglio tale legge:

Pompiamo 5 litri d'aria in un palloncino posto a livello del mare, cioè a 760mm di Hg, pari ad 1 ATM; se lo portiamo alla profondità di -10 metri cioè a 2 ATA, il suo volume diminuirà in rapporto diretto con l'aumento della pressione, riducendosi a 1/2 del volume iniziale; a -20 metri (3 ATA) il suo volume si ridurrà a 1/3 del volume iniziale; a -30 metri di profondità (4 ATA) il suo volume si ridurrà di 1/4 del volume iniziale, e così via.

All'aumentare della profondità, e quindi della pressione, il volume del palloncino diminuirà in maniera proporzionale.

Immaginiamo un'apneista in immersione: durante la fase di discesa, l'aria contenuta nelle varie cavità del corpo tenderà a diminuire di volume man mano che, scendendo in profondità, aumenterà la pressione ambientale.

Immaginiamo un sommozzatore munito di autorespiratore. Durante l'immersione egli respira aria a pressione uguale a quella ambiente e quindi tanto maggiore della pressione a livello del mare quanto più profonda è la quota di immersione. Durante la fase di risalita l'aria contenuta nei polmoni tenderà ad aumentare il suo volume a causa della diminuzione della pressione ambietale. Sarà quindi indispensabile espirare il volume d'aria in eccesso.

Principio di Archimede

"UN CORPO IMMERSO IN UN LIQUIDO RICEVE UNA SPINTA DAL BASSO VERSO L'ALTO PARI AL PESO DEL LIQUIDO SPOSTATO"

Per comprendere questo complesso principio bisogna fare riferimento al peso specifico:

Un corpo galleggia, è in ASSETTO POSITIVO, quando il suo peso specifico è inferiore a quello dell'acqua. Rimane fermo dove lo si posiziona , è in ASSETTO NEUTRO, quando il suo peso specifico è uguale a quello dell'acqua. Il peso specifico dell'acqua dolce è uguale a 1, l'acqua di mare è un po' più pesante ed ha un peso specifico di 1,026. Questo è il motivo per il quale in mare si gode di una miglior galleggiabilità.

Il corpo umano è composto da tessuti di peso specifico maggiore dell'acqua, Poiché contiene però strutture piene di gas (polmoni, anse intestinali, ecc...), se ne consideriamo il volume complessivo, ha un peso specifico medio leggermente inferiore a quello dell'acqua, e quindi in inspirazione, a polmoni pieni di aria, galleggia; in espirazione, a polmoni vuoti affonda.

Scopriamo così che la legge di Boyle e Mariotte è strettamente legata al principio di Archimede, ad esempio un apneista che si immerge non riceverà solo una compressione data dalla pressione ma amche una spinta dal basso verso l'alto. Ciò può comportare vari problemi: un bravo apneista si deve ricordare di saper "dosare" la zavorra a seconda della profondità alla quale vuole andare: maggiore peso in acqua bassa, minor peso a profondità superiori.

Legge di Charles

"A VOLUME COSTANTE LA PRESSIONE DI UN GAS É PROPORZIONALE ALLA SUA TEMPERATURA"

Se aumentiamo la temperatura di un gas, aumenta anche la pressione. Se aumentiamo la pressione di un gas, aumenta anche la temperatura. Le bombole che utilizziamo vengono caricate a 200 ATM di pressione: contengono quindi un quantitativo d'aria 200 volte superiore al loro volume. Una bombola da 15 litri caricata a 200 atmosfere conterrà: 15 x 200 = 3000 litri di aria a una atmosfera di pressione.

Quando carichiamo le bombole, l'aria vi viene compressa all'interno e all'aumentare della pressione si ha un concomitante aumento della temperatura. Quando successivamente le bombole si raffreddano, la pressione all'interno diminuisce: ci ritroveremo quindi una pressione inferiore a quella misurata al momento della ricarica. Per evitare questo inconveniente si devono caricare le bombole immerse nell'acqua, affinché la miglior dispersione termica di questa rispetto all'aria ne favorisca il raffreddamento.

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Il seguente testo è stato tratto dal libro di teoria della CMAS " MANUALE FEDERALE D'IMMERSIONE DIMENSIONE SUB" Editrice La Mandragora