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6.4 La temperatura

A. Ballereau, "Bere in speleologia" (trad. A. Davoli), Ipoantropo (1987), p. 7-9
E.Lemaire, "L'influence et l'importance du froid pour les speleologues", ... p. 113-120.

In grotta ci troviamo nella situazione di disperdere calore in eccesso durante la progressione, e al contrario di conservare il calore durante le soste prolungate.

Il rendimento meccanico muscolare è compreso fra 0 e 25%, percui una parte fra 75 e 100% dell'energia prodotta viene trasformata in calore. Una piccola parte di questo calore serve per il metabolismo basale (circa 0.7 Kcal/min). Una parte del resto viene speso per mantenere la temperatura corporea, per compensare la perdita di calore verso l'ambiente esterno. Il calore in eccesso deve essere dissipato, e questo avviene tramite sudorazione.

Bisogna aggiungere che all'inizio dell'esercizio fisico il corpo utilizza una parte del calore prodotto per innalzare leggermente la temperatura corporea (riscaldamento). Il riscaldamento è molto importante:


Il tempo di durata del riscaldamento deve variare inversamente proporzionale alla durata dell'esercizio. Il tipo di esercizio deve essere simile a quello dell'attività. Durante il riscaldamento bisogna "ammorbidire" muscoli e articolazioni. Perciò dopo una sosta prolungata, quando ci siamo "raffreddati", prima di riprendere facciamo un paio di minuti di riscaldamento: riprendiamo la marcia ad un ritmo ridotto, senza mettersi subito a correre, oppure muoviamoci un po' prima di cominciare a salire un pozzo, se siamo rimasti sotto ad aspettare a lungo.

L'acqua costituisce circa il 60-70% del corpo umano. Essa rietra principalmente nelle seguenti funzioni

In una giornata, in cui non si compiono particolari sforzi, si eliminano 700-900 gr d'acqua nelle urine, 200-300 tramite sudorazione, e 200-400 con la respirazione. Un aumento dell'attivita` fisica comporta un aumento della eliminazione di acqua a causa della accelerata respirazione, accentuata traspirazione (dovuta alla termoregolazione del corpo) e all'aumento delle scorie da eliminare. Quindi ogni attivita` fisica induce un debito idrico che deve essere compensato con bevande ed alimenti. In genere si espelle un litro d'acqua ogni kilocaloria consumata.

Dato il ruolo dell'acqua nel trasporto e trasformazione dei nutritivi, le riserve idriche risultano importanti per il rendimento muscolare. In particolare si ha una diminuzione di resa di circa il 20% per ogni litro d'acqua in meno (diagramma di Hermansen).

Una progessione lenta, una facile galleria, o la discesa di pozzo comporta una perdita di 200 gr/h. In questo caso si ha sensazione di sete quando le riserve d'acqua sono al 95%. Nel caso di progressione piu` intensa, in opposizione, o su massi di crollo, o marcia rapida in galleria, o arrampicatine, la perdita e` di 500 gr/h e si ha sensazione di sete quando le riserve sono al 75%. Per risalite di pozzi, disostruzioni, passaggi di strettoie impegnative, si perdono 750 gr/h e la sete si sente quando le riserve sono al 55%.

In ogni caso se si aspetta di bere quando si ha sete, si e` in una situazione di debito idrico: disidratazione piu` o meno marcata a seconda del grado di attivita` che si sta eseguendo. Quando si sente sete e` ormai troppo tardi e il recupero e` lento e richiede tempo, riposo, e alimentazione regolare e bevande. Quindi si e` costretti a continuare cercando di bere per non peggiorare la situazioni e tenendo presente che la capacita` muscolare e` ormai ridotta.

Quindi "BERE PRIMA DI AVERE SETE". 150-200 ml ogni mezzora in genere, ma piu` spesso in caso di sforzi intensi. Bere acqua e` sufficiente. Meglio se aggiunti all'acqua sono integratori salini e zuccheri. L'importante e` pero` bere.

6.4.1 Il Bilancio Idro-termico

Facciamo un esempio di bilancio termico per uno speleologo (di 75 Kg compresa atrezzatura e sacco) durante una progressione non eccessiva ma sostenuta (50% della potenza massimale). Questo esempio è solo indicativo di come usiamo e dissipiamo le nostre energie. Ci dovrebbe far riflettere su come migliorare il loro utilizzo per migliorare la nostra capacita' di andare in grotta.

Abbiamo visto che durante uno sforzo uno speleologo mediamente allenato consuma (alla potenza massimale) circa 5 litri di ossigeno al minuto. Al 50% della potenza massimale consuma perciò 2.5 litri/min di ossigeno producendo poco più di 12 Kcal/min (il rendimento calorico del processo aerobico è di poco meno di 5 Kcal per litro di ossigeno). Da notare che con una riserva energetica di 5000 Kcal il nostro speleologo avrebbe una autonomia di 7 ore! Se vuol fare delle esplorazioni che durano di piu' deve pensare a reintegrare questa riserva con una opportuna alimentazione.
Salendo di 10 m al minuto egli compie un lavoro meccanico (contro l'energia potenziale gravitazionale) di

Lavoro = 75 Kg   9.8 m/sec2   10 m / (60 sec) = 123 Joule = 0.03 Kcal

quindi solo una frazione pressoché trascurabile dell'energia viene usata per il movimento.

Tolta una piccola parte di energia utilizzata per il metabolismo basale (0.7 Kcal/min) il resto viene dissipata nell'ambiente come calore (a parte i primi minuti di riscaldamento in cui aumenta leggermente la temperatura corporea). Ci sono varie modalità di dissipazione del calore (il secondo e l'ultimo comportano anche un aumento della dispersione di acqua):


Irraggiamento. Ogni corpo emette radiazione che porta via calore, allo stesso modo che ogni corpo assorbe radiazione (e calore) dall'ambiente. La quantità di calore emesso dipende dalla temperatura del corpo, cosí come quella di calore assorbito dipende dalla temperatura dell'ambiente. La relazione (detta legge di Stefan-Boltzmann) è:

Calore   = Area   S   A   (Tc4 - Ta4)

dove Tc è la temperatura del nostro corpo (in gradi assoluti, perciò 310 K) e Ta è quella dell'ambiente (circa 280 K). A è il coefficiente di assorbimento del corpo, che possiamo assumere pressochè pari a 0.8. S è un fattore costante, detto costante di Stefan-Boltzmann, e vale 8.2 10-10 Kcal/min m2K4. A conti fatti (assumendo che il nostro speleologo abbia un'area di 1.7 m2) risulta che disperde circa 3.5 Kcal/min per irraggiamento.

Il calore dissipato con la respirazione è molto poco. Noi inspiriamo aria alla temperatura e umidità ambiente ed espiriamo aria più calda quasi a temperatura corporea (30 gradi) quindi possiamo "caricarla" di umidità. L'umidità dell'aria e` definita come la pressione parziale di vapor acqueo presente nell'aria rispetto alla pressione parziale massima possibile senza che ci sia condensazione (pressione di saturazione), quindi si tratta propriamente di umidità relativa:

Umidità = Pv / Pvsat.

La pressione di saturazione dipende dalla temperatura. La seguente tabella riporta alcuni valori della pressione parziale di saturazione in funzione della temperatura (a pressione totale P=1 atm = 1.033 Kg/cm2):

Temperatura (oC) 5 15 20 36 40 46
Pressione parziale
di saturazione (Kg/cm2)
0.004 0.0108 0.0238 0.038 0.075 0.103
Titolo di saturazione
(gr/[1 Kg aria])
2.5 6.6 14.7 23.7 48.7 68.9

La massa di vapore presente nell'aria è detta titolo:

Titolo = Vapore [gr] / Aria [Kgr]

ed è legato alla pressione parziale del vapore dalla relazione

Titolo = 0.622  Pv / (P - Pv)

Il fattore 0.622 è il rapporto fra il peso molecolare del vapor acqueo, 18, e quello (effettivo) dell'aria, 28.9. Dalla tabella sopra riportata vediamo che l'ammontare di vapor acqueo che può essere contenuto nell'aria cresce con la temperatura. In particolare se l'aria satura di umidità a 7 gradi contine circa 3 grammi d'acqua per kilo d'aria, la stessa aria a 30 gradi ha una umidita` del 15% circa, percio` puo` ricevere altro vapor acqueo (circa 17 grammi per kilo d'aria, circa 17 ml per m3 d'aria).

Incidentalmente notiamo che i dati di questa tabella ci spiegano anche l'origine fisisca della condensazione sulle pareti delle grotte. Quando aria (relativamente) calda e umida viene a contatto con un corpo freddo, con l'abbassamento di temperatura l'aria diviene sovrassatura e si ha condensazione. Lo stesso risultato ha luogo quando due corpi d'aria a differente temperatura entrambi saturi d'umidita` vengono a contatto a causa delle circolazioni dell'aria nella cavita`. Questo fenomeno che e` alla origine di pioggie e temporali si presenta dunque, seppur con diversi effetti, anche nella climatologia dell'ambiente ipogeo. Lo studio del clima ipogeo e` pero' un capitolo a parte, e non viene trattato in questo libro.

Un consumo di 2.5 litri/min di ossigeno corrisponde ad un flusso F di 50 litri/min d'aria, quindi ad una dissipazione di calore

Calore =   C   (Tc - Ta) F

dove C rappresenta il coefficiente di capacità termica e la variazione del grado di umidità dell'aria. Per l'aria il calore specifico C=0.0003 Kcal/l oC; per il vapor acqueo C vale circa il doppio. La frazione di calore dissipata per la capacità termica è quindi trascurabile. Invece la variazione del grado di umidità da' un piccolo contributo alla dissipazione di calore e un considerevole contributo alla dispersione di acqua perche`, come abbiamo visto, possiamo caricare l'aria che espiriamo di vapor acqueo.

I 50 litri d'aria che il nostro speleologo respira in un minuto corrispondono a circa 2.23 moli (cioe` 64 gr). Quindi egli puo` immettere nell'aria (espirando) vapor acqueo per circa 1.0 gr/min, al massimo (in effetti circa 50 gr/h di acqua). Il calore è dissipato essenzialmente per evaporaione (0.59 Kcal/grammo). Supponendo che lo speleologo immette solo il 50% del vapore, questo corrisponde ad una dissipazione di 0.4 Kcal/min.

La dispersione di calore in eccesso mediante respirazione cresce con l'intensità dello sforzo (aumentando proporzionalmente al flusso d'aria e quindi al consumo d'ossigeno). Tuttavia alla potenza massimale ed al massimo d'evaporazione il nostro speleologo arriverebbe a disperdere circa 1.5 Kcal/min.

Un importante meccanismo di dissipazione di calore è la conduzione termica, aumentata dalla convezione in presenza di correnti d'aria e/o acqua: per esempio alla base din un pozzo con intenso stillicidio, oppure in una condotta con notevole corrente d'aria. Il calore viene portato alla superficie cutanea (pelle) dalla circolazione sanguinea, e qui viene ceduto all'ambiente:

Calore = Area   C'   (Tc - Ta) / D'

dove C' rappresenta il coefficiente di conduzione termica e D' la "distanza" tra il corpo e l'ambiente esterno. Il coefficiente di conduzione termica dell'aria vale 0.34 Kcal mm/min m2 oC (quello del vapore acqueo è circa 0.5). Per l'acqua esso vale 24 volte tanto.

La convezione (nell'aria) determina la distanza da utilizzare in questa formula, cioe` quella per cui le correnti convettive diventano influenti per rimuovere l'aria riscaldata (effetto "vento"). Bisogna aggiungere che la pelle ha anche una funzione di isolamento termico verso l'esterno, più o meno accentuato a secondo dello strato adiposo sottostante. Questo comporta una riduzione del flusso di calore pari ad un fattore

1 / ( 1 + C'D"/C"D' )

dove C" e` il coefficiente di conduzione del sistema pelle-strato adiposo, e D" il suo spessore. Assumendo una distanza D' di un millimetro e utilizzando un valore generico C"/D" uguale a 1.7 Kcal/min m2 oC (questo valore e` stimato a partire dai tempi di perdita di coscenza di una persona immersa in acqua: 40 min a 10oC, e 3 ore a 15oC) si ha un flusso di calore di circa 10 Kcal/min.

Stando fermi, senza una adeguata protezione termica il nostro speleologo perderebbe 13.5 Kcal/min (considerando pure l'irraggiamento). Dato che i tessuti corporei hanno una capacita` termica media 0.83 Kcal/Kg K, perderebbe un grado di temperatura ogni quattro minuti circa. Questa situazione peggiorerebbe molto se fosse bagnato, o addirittura in acqua, la conducibilità termica della quale è 24 volte superiore. In poco tempo arriverebbe all'ipotermia: a 25 oC il corpo risulta severamente danneggiato.

Perciò è importante avere una adeguata protezione termica. Il sottotuta rimuove il contatto diretto col l'aria ambiente e limita lo scambio termico dovuto alla conduzione di un fattore 3-4 se asciutto, un po' meno se umido. Infatti la capacità isolante del sottotuta e` dovuta principalmente all'aria che resta intrappolata fra le fibre, quindi il suo effetto isolante può essere considerato come un incremento del fattore D' (che compare nella formula predente) pari al suo spessore. Quando il sottotuta diventa umido, l'aria e` rimpiazzata dall'acqua e conseguentemente la capacita` isolante e` ridotta (come descritto piu' propriamente parlando dell'effetto isolante della pelle). Per questo quando sudiamo o siamo bagnati risentiamo piu` facilmente il freddo.

Tornando al nostro speleologo in esplorazione, la dissipazione termica con il sottotuta (asciutto) e la tuta, è circa 3 Kcal/min. A conti fatti gli restano ancora 6 Kcal/min che dissipa per sudorazione. Il meccanismo principale di dispersione non è tanto il flusso di sudore quanto l'evaporazione che richiede 0.59 Kcal/grammo. Il flusso di sudore è sempre superiore al flusso evaporativo, soprattutto per lo speleologo per cui la capacità evaporativa è limitata dall'umidità dell'ambiente e dal vestiario. Una parte del sudore viene dunque assorbita dal sottotuta e dalla tuta.

Per dissipare 6 Kcal/min lo speleologo espelle 10 grammi d'acqua al minuto! Questi ammonterebbero a 0.6 litri in un'ora se non intervenisse un "fortunato" meccanismo di regolazione: sudando il sottotuta si inumidisce e quindi aumenta la sua conducibilita` termica dato che l'acqua e` 24 volte meglio conduttrice dell'aria umida. Spesso questo meccanismo di regolazione e` pure favorito dall'ambiente ipogeo che "inumidisce" il vestiario mediante, acqua e fango!. Anche senza arrivare ad un sottututa fradicio, possiamo assumere che lo speleologo dissipi 6 Kcal/min per conduzione e quindi solo 3 Kcal/min per sudorazione. Percio` egli perde 0.3 litri d'acqua all'ora (a cui si aggiungo i 50 gr per la respirazione). In dieci ore perderebbe tre litri che è veramente tanto!

6.4.2 Il freddo

Il freddo, soprattutto causato dall'acqua, e` una costante delle grotte prealpine (temperature intorno a 7oC) e alpine (temperature intorno ai 2-4oC).

La reazione dell'organismo ad una esposizione breve al freddo e` una accresciuta circolazione (che provoca una sensazione di benessere). Pero` se l'esposizione e` prolungata si ha restrizione dei vasi periferici ed, eventualmente, riduzione della circolazione agli organi interni. Il freddo inibisce l'attivita` motoria: i muscoli diventano rigidi e non funzionano sotto i 34oC.

Il freddo intenso e prolungato puo` bloccare i vasi sanguinei, a causa della vasocostrizione e dell'aumento di viscosita` del sangue. I muscoli e i nervi possono risultare danneggiati.

La seguente tabella riporta i valori medi dei tempi di perdita di coscienza e morte in caso di immersione in acqua.

Temperatura
( oC )
Perdita di coscienza
( ore )
Decesso
( ore )
0 0.25 0.25 - 1.25
10 0.5 - 4 [ ? ] 1 - 2
15.5 2 - 4 6 - 8

Da tener presente che le differenze di reazione al freddo fra i vari soggetti sono enormi, e dipendono dalla corporatura, e dalla presenza di grasso sottocutaneo. Anche la capacita` respiratoria e` importante, perche` determina la capacita` metabolica.

Dal punto di vista psicologico il freddo demotiva all'esplorazione, porta a considerare solo le cose strettamente necessarie per l'immediato ("uscire"), e riduce l'attenzione. L'abitudine serve ad aumentare la resistenza psicologica al freddo. L'allenamento al freddo ne accresce la resistenza fisica.

Il freddo viene controbilanciato con un vestiario adeguato (in genere tuta e sottotuta, idrocostume se occorre attraversare lunghi corsi d'acqua, etc.). Una alimentazione leggera e regolare serve a fornire all'organismo i materiali per il metabolismo. I cibi non devono essere necessariamente caldi, se lo sono sono apprezzati perche` piu` appetibili e digeribili. E` importante che siano sufficienti a soddisfare il fabbisogno calorico (circa 5000 Kcal/giorno in attivita`).

Il movimento come reazione al freddo provoca un poco di innalzamento della temperatura ma anche una vasodilatazione, flusoo di sangue, e quindi maggior dissipazione di calore. Pertanto il movimento va bene finche` non si ha troppo freddo.

Sintomi di ipotermia sono

In caso di ipotermia, occorre far riguadagnare la temperatura corporea al soggetto. Metterlo a riposo, isolarlo dall'ambiente, somministrargli cibo (glucosio) se in grado di assimilarlo. Il pericolo e` che il sangue esterno freddo circoli all'interno del corpo e raggiunga gli organi vitali: bisogna lasciare che il corpo si scaldi dall'interno.

Ulteriori informazioni nella Sez. 10.1 e App. 10.A.

6.4.3 La disidratazione

Abbiamo visto che l'energia consumata durante l'attivita` speleologica viene usata in minima parte per il movimento. La maggior parte serve a mantenere la temperatura corporea, e quella in eccesso viene dissipata attraverso la sudorazione.

La perdita di calore avviene per irraggiamneto (3.5 Kcal/min) e per conduzione (2.5 Kcal/min se asciutti, molto di piu` se bagnati).

Durante le soste il calore dissipato e` superiore a quello prodotto e ci si raffredda. Il calore emesso per radiazione, puo` essere diminuito riducendo l'emissione di radiazione verso l'ambiente. Questo il principio di funzionamento del telo termico, che riflette le radiazioni emesse dal corpo impedendo loro in parte di raggiungere l'ambiente. Il telo termico utile quindi per conservare il calore corporeo durante le soste lunghe.

Inoltre si puo` aprire la parte superiore della tuta per favorire l'evaporazione dell'acqua dal sottotuta, aumentandone cosi` il potere isolante. Leggeri movimenti aiutano l'evaporazione oltre ad aumentare il livello metabolico.

Durante l'attivita` sostenuta resta del calore in eccesso che viene smaltito espellendo (ed evaporando) sudore. Questo comporta una perdita d'acqua (circa 0.3 l/ora, ma in caso di sforzi intensi puo` arrivare a 1 l/ora) e di sali. Il corpo umano e` composto d'acqua per circa il 70 % in peso (la percentuale varia con l'eta` da 85% nel neonato al 60% in una persona anziana). Di questa acqua i tre quarti sono all'interno delle cellule (essenziali per le reazioni metaboliche), e un quarto all'esterno (plasma, linfa, e altri liquidi). L'acqua ha funzioni di solvente e veicolo di trasporto di sostanze, rende possibili la maggior parte delle reazioni chimiche dell'organismo, e serve per la regolazione della temperatura corporea. L'organismo espelle acqua nel corso del suo funzionamento (sudore, urine, feci, respirazione). [FIXME: mettere qui la tabella del bilancio idrico, oppure una figura.] L'ammontare di queste perdite dipende da molti fattori, ma i principali sono l'esercizio fisico, e la termoregolazione. La quantita` necessaria di acqua dipende dalla temperatura ambiente, dalla umidita` ambiente, dalla dieta (tante proteine richiedono piu` acqua), e dal lavoro muscolare svolto. Se si perde troppa acqua si ha uno stato di disidratazione (v. tabella). La perdita normale e` di 2.4 l/dia (cioe` 0.1 l/h); nella pratica sportiva pero` puo` arrivare a 4 litri in due/tre ore (maratoneti) o piu` (ciclisti).

Perdita d'acqua
(in peso)
Sintomi
1 % sete,
insufficienza termoregolatoria,
2 % sete intensa,
diminuzione del rendimento fisico del 20%
3 % bocca secca,
riduzione delle urine,
aumento dell'emoconcentrazione
4 % diminuzione del rendimento fisico del 30%
5 % mal di testa,
apatia,
difficolta` di concentrazione
6 % grave degrado della termoregolazione,
nausea,
incapacita` motoria,
alterazioni psichiche
rendimento fisico al 50%
> 7 % rischio di coma

Con la disidratazione aumenta la la temperatura corporea e la frequenza cardiaca:

DT [oC] = 0.33 D(H2O)
Df [pulsazioni/minuto] = 5.5 D(H2O)

Il primo e` dovuto alla una difficolta` di regolazione termica mediante sudorazione. La disidratazione e la perdita di sali portano ad una diminuzione della pressione arteriosa e del volume del sangue circolante. Il cuore deve compensare questa caduta di pressione con un maggior sforzo per trasportare sali e sostanze nutritive alle cellule. La disidratazione aumenta anche il lavoro di depurazione dei reni, quindi una difficolta` di eliminazione delle tossine con l'urina.

Essa accentua i problemi di freddo, stanchezza, sonno. Un indice dello stato di disidratazione dell'organismo e` data dalla concentrazione delle urine: se sono scure e ridotte sono un sintomo di disidratazione. In generale la disidratazione induce una diminuzione della attitudine allo sforzo (v. diagramma di L'Hermansen).

Infine ricordiamo che con il sudore oltre all'acqua se ne vanno anche i sali minerali (NaCl e Potassio). Anch'essi debbono essere reintegrati con una adeguata alimentazione in grotta (e fuori).

Il debito idrico deve essere dunque reintegrato (seppur parzialmente) man mano durante l'attività sforzandosi di bere spesso piccole dosi d'acqua anche se non si avverte alcun stimolo di sete. Almeno 200 cc ogni ora. (La massima quantita` di acqua assimilabile e` di 500-600 ml/ora.) Infatti nel caso di sforzi intensi e prolungati, come in speleologia, lo stimolo della sete risulta in difetto rispetto al reale fabbisogno di liquidi. Bevendo solo in risposta alla sete si sviluppa uno stato di disidratazione, che solitamente si traduce in un inusuale bisogno di bere dopo usciti dalla grotta, che si protrae per parecchie ore. Questo e` tanto piu` importante nelle cavita` attive in cui la presenza d'acqua attenua lo stimolo della sete. Per verificare se si sta` bevendo abbastanza basta osservare le urine: se sono scarse e di colore scuro vuol dire che non stiamo bevendo a sufficienza.

Bisogna bere acqua potabile (non contaminata) e non povera di sali minerali. Questi ultimi sono facilmente aggiungibili con preparati in bustine in commercio. La potabilizzazione e` piu` difficile: occorre far bollire l'acqua, filtrarla e purificarla aggiungendo cloranti e/o iodanti (amuchina).

Ulteriori informazioni App. 10.d



http://geocities.com/marco_corvi/caving/m_index.htm
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