Le
tecniche di desifonamento vengono impiegate quando la galleria e`
interrotta da brevi e poco profonde pozze completamente allagate
(sifonanti).
I sifoni solitamente devono essere superati con tecniche di speleosubacquea,
ma puo` accadere che ci siano le condizioni per svuotare la pozza.
Questo risulta piu` efficace ai fini della esplorazione seguente:
in tal modo infatti la progressione e`
decisamente piu` veloce, e si riesce a portare avanti anche una
maggior quantita` di materiali.
Il desifonamento di pozze sifonanti e` sensato quando il deflusso
ottenibile con il desifonamento supera l'afflusso medio di
acqua al sifone.
A volte si puo` svuotare una pozza scavando un breve canale per
far fuoriuscire l'acqua, almeno quel tanto che basta per passare
con l'idrocostume (o bagnandosi).
Altre volte non si puo` ricorrere ad un desifonamento vero e proprio,
perche` il sifone e` in un punto troppo basso da entrambe le parti.
In tal caso si puo` cercare di alzarne il soffitto quel tanto che basta
da consentire il passaggio rompendo la roccia.
Il desifonamento e` possibile quando la pozza si trova ad una
quota superire del tratto di galleria precedente (o seguente:
ma in tal caso la squadra desifonante deve passare la pozza
con tecniche subacque).
Esso viene ottenuto sfruttando la proprieta` dei fluidi che la pressione
aumenta con la profondita`.
Si immerge un tubo pieno d'acqua con una estremita` nel sifone,
mentre l'altra deve risultare ad una quota inferiore al livello
del sifone (figura).
In questo modo la pressione dell'acqua del tubo nel punto "2"
(estremita` aperta) e` inferiore a quella nel punto "1" (immerso
nella pozza). Quindi l'acqua fluisce dal punto "1" verso il punto "2",
cioe` viene aspirata dalla pozza e questa si svuota.
L'acqua fluisce fintanto che la quota dell'estremita` libera risulta
inferiore al livello della pozza. Pertanto per svuotare completamente
una pozza sifonante occorre che l'estremita` libera del tubo sia
portata a tale quota (o piu` bassa) anche se per innescare il
desifonamento e` sufficiente una quota inferiore al livello
del sifone.
Un limite fisico al desifonamento e` dato dall'altezza che l'acqua
deve superare. Una colonna d'acqua alta dieci metri (10.33 per
l'esattezza) produce una pressione di una atmosfera.
L'acqua sale dalla pozza nel tubo non perche` e` "tirata" dall'acqua che
scende nella parte a valle del tubo, ma perche` la pressione dell'aria
sulla superficie della pozza la spinge su per il tubo (mentre dall'altra
parte la pressione dell'aria e` contrastata dall'acqua che scende).
Quindi sara` impossibile desifonare una pozza se il
dislivello da superare supera dieci metri. In pratica questo limite
si riduce a cinque o sei metri, per due motivi: l'altezza e le perdite
di carico.
L'altezza (sul livello del mare) del sifone riduce il limite teorico
poiche` maggiore e` tale altezza minore e` la pressione dell'aria:
in pratica ogni 1000 metri di altezza si perde un decimo di
atmosfera cioe` un metro di capacita` di superamento
di dislivello.
Le perdite di carico sono dovute al lavoro che l'acqua deve compiere
per scorrere nel tubo. E` una specie di attrito che blocca il flusso
se la pressione che spinge l'acqua non e` sufficiente.
Per ridurre le perdite di carico si possono usare tubi con superficie
liscia, e con grande sezione (diametro almeno quattro centimetri).
La dimensione della sezione del tubo oltre che influenzare la capacita`
di superamento di dislivello, e` rilevante anche a determinare
il flusso d'acqua, e quindi il tempo di svuotamento del sifone.
D'altra parte tubi di grossa sezione comportano maggiori difficolta`
per l'innesco del desifonaggio.
Il tubo deve essere abbastanza mordibo, per poterlo avvolgere nel trasporto, di sezione rigida, in modo che non si afflosci al suolo, e a pareti liscie, per ridurre le perdite di carico.
Quando il dislivello da superare non e` molto e il tubo ha una
sezione ridotta (al piu` 1.5 cm di diametro) e` possibile
immergere una estremita` del tubo nella pozza (possibilmentee legata
ad una pietra in modo che resti sommersa), e riempirlo d'acqua
immergendo a poco a poco il tubo dentro il sifone, in modo che
non si formino bolle d'aria.
Quando e` pieno si tappano le estremita` e lo si posiziona.
Questo diventa difficile quando ci si trova a desifonare pozze dovendo superare dislivelli consistenti, oppure quando la sezione del tubo e` grande. In tal caso
Quando si vuole convogliare l'acqua a
valle per un lungo tratto, e` consigliabile utilizzare un tubo
con un rubinetto (questo puo` essere ottenuto giuntando due
tubi con una canera d'aria per giunzione: la camera d'aria viene chiusa
stringendola opportunamente).
Il rubinetto deve essere ad una quota inferiore al livello del
sifone.
Si riempie d'acqua solo la parte di tubo che viene immersa
nella pozza fino al rubinetto.
Si lascia aria nella restante parte. In tal modo si
evita di instaurare una grossa pressione nel tubo a valle.
Come detto, una colonna d'acqua crea una pressione
idrostatica di circa una atmosfera per ogni dieci metri di altezza.
Se si volesse riempire l'intero tubo d'acqua prima di innescare il
desifonamento, l'estremita` inferiore deve avere una chiusura tale da
sopportare una pressione (in atmosfere) pari al dislivello (in metri)
diviso per dieci.
Una pressione di una atmosfera e` gia` molto difficile da sostenere!
Una volta innescato il desifonamento, l'acqua scorre liberamente
nel tubo (poiche` l'estremita` e` aperta) e non si viene a creare
questa eccessiva pressione idrostatica.
Questa idea e` ripresa dal testo di Marbach e Tourte.
Data la difficolta` della messa in opera di un desifonamento, qualora la grotta continui oltre il sifone e si prevedano esplorazioni su un arco di tempo lungo conviene installare un desifonamento permanente.
A tal fine occorre interrompere il desifonamento quando il sifone non e` completamente vuoto, girando all'insu` l'estremita` del tubo in modo da formare un acurva ad 'U', ed alzandola fino al livello a cui si vuole fermare il desifonamento. Per valutarlo si alza questa estremita fino a che` non esce piu` acqua. Questo e` il livello dell'acqua nel sifone. Poi la si abbassa di tanto quanto si desidera abbassare il livello dell'acqua nel sifone. L'estremita` immersa nel sifone deve restare piu` bassa di questo livello.
In tal modo si realizza un sistema idraulico che svuota automaticamente l'acqua che entra nel sifone riportandone il livello all'altezza prefissata (livello di desifonamento). In caso di piena l'apporto d'acqua puo` essere superiore al deflusso del tubo, e quindi il livello del sifone sale. Pero` quando la piena si esaurisce il desifonamento continua in modo naturale fino a ripristinare il livello di desifonamento.
In caso di secca il livello dell'acqua puo` scendere. E` importante che l'estremita` del tubo immersa nel sifone scenda piu` in basso del minimo livello di secca. Anche la quota della curva ad 'U' deve essere inferiore al minimo livello di secca.
Le estremita` del tubo e il tubo stesso devono essere saldamente fissate alla roccia, in modo da resistere a piene anche violente.
La caratteristica principale di un fluido e` quella di essere fluido
e cio` si esprime dicendo che un fluido
si adatta alla forma del recipiente che lo contiene.
Questo vale fintanto che c'e` la forza di gravita`.
La forza di gravita` (cioe` il peso), agendo su un fluido, si riflette
anche sugli oggetti immersi in esso: il concetto che esprime questo
effetto e` quello di pressione.
Noi viviamo immersi in un fluido: l'aria, e ne subiamo la pressione,
che a basse quote e` circa una atmosfera. Quando andiamo in alta
montagna sentiamo un abbassamento di pressione poiche` diminuisce
l'altezza della colonna d'aria che ci sta sopra la testa. Questo e` il
principio di funzionamento degli altimetri.
Quando consideriamo il desifonamento dobbiamo tener conto che
ci sono due fluidi: l'acqua che inizialmente riempie la pozza, e l'aria
che riempie il resto della galleria.
L'acqua e` molto piu` pesante (circa 1000 volte di piu`) dell'aria,
ed e` solamente il dislivello da superare che le impedisce di fuoriuscire
dalla pozza.
Le leggi di Stevin descrivono la pressione nei fluidi:
Quando mettiamo il tubo (pieno d'acqua) creiamo un sistema in cui
l'acqua all'estremita` libera del tubo si trova alla pressione
dell'aria, detta appunto "atmosferica".
Questa e` la pressione sull'acqua al livello della pozza.
L'altra estremita` del tubo, immersa nella pozza si trova ad una
pressione maggiore, dovuta alla profondita` di acqua cui e` immersa.
La differenza di pressione tra i due rami del tubo si puo`
valutare considerando la pressione nel punto piu` alto (punto 3 in
figura) per i due rami: a sinistra questa e`
Da notare che una pressione non puo` essere negativa; tuttalpiu` essa e` nulla (cioe` c'e` il "vuoto"). Quindi d g h non puo` superare la pressione "atmosferica" P0. Questa e` la ragione del limite fisico di dieci metri al dislivello h superabile con un desifonamento senza impiego di pompe idrauliche.
La dinamica del desifonamento e` descritta dal teorema di Bernoulli. Questo lega la pressione P e la valocita` v dell'acqua in differenti punti alla quota (altezza) h di tali punti. Precisamente, per l'acqua che scorre attraverso il tubo, si ha
Le
perdite di carico sono dovute all'attrito dell'acqua sulle pareti del
tubo, e alle forze che essa esercita in corrispondenza di "gomiti"
(pieghe del tubo), giunzioni, allargamenti e restringimenti.
Mentre possiamo cercare di evitare, o ridurre,
questi ultimi, disponendo il tubo in modo piu` dritto possibile, i primi
sono inevitabili.
Dobbiamo quindi cercare di capirli al fine di ottenere un efficace
procedura di desifonamento.
In generale ogni perdita di carico si esprime in termini della
velocita` v all'uscita del tubo:
| Entrata del tubo | 1 |
| Gomiti (45 - 90 gradi) | 0.40 - 0.70 |
| Giunti | 1.5 |
| Valvole | 2.5 |
Invece per l'attrito c e` proporzionale alla lunghezza L
del tubo, e inversamente proporzionale al suo diametro D:
Quando il numero di Reynolds e` inferiore a 2500 il moto e` laminare. Sembra poco, ma ricordate che velocita` v e diametro D devono essere espressi in m/sec e m, rispettivamente. In tal caso il coefficiente f e` dato dalla relazione f = 64 / R.
Quando il moto e` turbolento, l'espressione di f dipende principalmente dalla rugosita` s del tubo (espressa come rapporto fra le irregolarita` della superficie e il diametro) e risulta piu` complessa. Semplificando possiamo dare questa tabella
| s | f | |
|---|---|---|
| 0.050 | 0.075 (R>10000) | 0.080 (R ~ 4000) |
| 0.030 | 0.060 (R>20000) | 0.065 (R ~ 4000) |
| 0.015 | 0.045 (R>40000) | 0.058 (R ~ 4000) |
| 0.004 | 0.030 (R>100000) | 0.045 (R ~ 4000) |
| 0.001 | 0.020 (R>200000) | 0.040 (R ~ 4000) |
Se applichiamo la relazione di Bernoulli prendendo come punto 1 la superficie libera del sifone (dove la pressione e` solo quella dell'aria P0, e la velocita` dell'acqua e` praticamente nulla) e come punto 2 l'uscita del tubo (dove la pressione e` pure P0) possiamo ricavare la velocita` con cui fluisce l'acqua:
La velocita` dell'acqua determina la portata del tubo Q=S v (dove S e` l'area della sezione del tubo) e quindi il tempo che occorre per svuotare il sifone. Questo si puo` esprimere approssimativamente
Ad esempio, consideriamo un desifonamento di un volume di 6 m3
profondo circa 1 m,
con un tubo di diametro 6 cm, e rugosita` 0.05, lungo 8 metri, con un
guadagno di altezza H di 2 metri.
Le perdite di carico per attrito sono 0.08x8/0.06 =10.7 (da tabella).
Supponiamo che le perdite per la disposizione geometrica siano circa 1.5
(compresa la perdita di entrata).
Allora c=0.076 circa.
La velocita` dell'acqua (teoricamente circa 6 m/sec) risulta "solo"
di mezzo metro al secondo.
Il numero di Reynolds e` 24000: il moto e` turbolento, e l'uso della tabella
per la stima delle perdite di carico dovute ad attrito e` corretta.
Il tempo di svuotamento risulta di circa 90 minuti.
Non e` molto ma nemmeno poco
Questo esempio mostra come la scelta del tubo sia cruciale per
desifonamenti considerevoli.
Ricordiamo che le variabili in gioco sono:
Desifonamenti che vanno oltre il limite di dislivello
superabile con la pressione atmosferica richiedono l'impiego di
pompe idrauliche.
Si utilizzano pompe a mano (per piccoli lavori) oppure pompe elettriche
alimentate da generatori con motori a scoppio.
Queste ultime arrivano a superare dislivelli di parecchie decine
di metri pur restando nei limiti di peso
adeguati per un uso in grotta.
Per dislivelli ancora maggiori si puo` pensare di utilizzare piu`
pompe in serie, ma comincia a diventare un problema per
il materiale e per il peso.
Le pompe hanno una potenza di circa 1000 W, arrivando ad un
dislivello di 70 m, con un peso di 12 Kg (a cui bisogna aggiunere
il peso del generatore, 20 g, del tubo, 10 Kg, e della miscela).
Un punto importante e` il controllo che la pompa venga spenta
quando finisce l'acqua.
A tale scopo, se non si vuole stare a sorvegliare l'operazione
sempre, si puo` predisporre un piccolo recipiente bucato, con
un galleggiante connesso ad un interruttore che spegne la pompa
e il generatore quando il recipiente e` vuoto.
Questo si posiziona all'uscita (in alto) del tubo, in modo che
l'acqua che arriva entra nel recipiente e lo riempie.
(Questo e` il posto piu` sensato, perche` quello che interessa e`
spegnere la pompa quando la portata dell'acqua si arresta, indipendentemente
dalla causa).
Il tempo t di svuotamento di un sifone dipende dalla potenza P
della pompa, dalla efficienza E, dal volume V di acqua
da spostare, e dal dislivello H.
Considerando il lavoro svolto dalla pompa si ha
dove d=1000 Kg/m3 e` la densita` dell'acqua, e g=10 m/sec2 e` l'accelerazione di gravita`. Questa relazione e` approssimata: non tiene conto dell'energia cinetica dell'acqua all'uscita, ne` delle perdite di carico. Questi termini possono essere considerati inclusi nell'efficienza.
Per esempio, se P=1000 J/sec, H=30 m, V=10 m3 e l'efficienza e` del 25& ne risulta che ci vogliono circa quattro ore.