LA LEGGE DI HENRY

"UN GAS A CONTATTO DI UN LIQUIDO SI SCIOGLIE IN TALE LIQUIDO FINO A CHE LA PRESSIONE PARZIALE DI TALE GAS NEL LIQUIDO E' UGUALE ALLA PRESSIONE PARZIALE DEL GAS SUL LIQUIDO STESSO"

Quanto sopra vale solo nel caso in cui il gas non reagisca con il liquido.
Allo stesso modo avverrà che un gas disciolto in un liquido tornerà nella miscela sovrastante fino a che la pressione parziale di tale gas nella miscela è uguale alla pressione parziale del gas nel liquido.
In altre parole i gas nella miscela gassosa e nel liquido tendono a raggiungere una situazione di equilibrio.
Se però abbiamo molto gas rispetto al liquido pesante, ad elevata pressione parziale, a un certo punto il gas non passerà più nel liquido, in queste condizioni il liquido è definito saturo.

 

 

 La legge può essere espressa con una formula matematica del tipo:
G = k x (pg - pl)
dove G rappresenta la quantità di gas destinata a sciogliersi nel liquido, k una costante che dipende dal gas e dal liquido considerato, pg e pl la pressione parziale del gas rispettivamente nel gas e nel liquido.
Dalla formula si evince che se pg e pl sono uguali non ci sarà passaggio di gas, e quindi saremo in condizioni di equilibrio.

 Ora, se questa produzione di bollicine in risalita non viene controllata, in modo da mantenerle piccole e quindi facilmente eliminarle, si può incorrere in una forma più o meno grave di Malattia Da Decompressione o Embolia Gassosa Arteriosa rispettivamente più comunemente conosciute come MDD e EGA.

Per controllare la produzione di queste bolle, nelle immersioni entro la curva di sicurezza bisogna:

• Risalire ad una velocità non superiore a 9 metri al minuto

• fermarsi per un minuto alla metà della quota massima raggiunta

• fermarsi per 3 minuti ad una profondità di 5 metri

• risalire a 3 metri al minuto dai 5 metri alla superficie

LA LEGGE DI DALTON

 "LA PRESSIONE ESERCITATA DA UNO SPECIFICO GAS CONTENUTO IN UNA MISCELA E' PARI ALLA PRESSIONE TOTALE MOLTIPLICATA PER LA SUA CONCENTRAZIONE" (la concentrazione è la percentuale divisa 100)

 L'aria è una miscela di gas, anche se costituita per il 99% da due soli gas, ossigeno e azoto
In altre parole, la pressione totale di una miscela di gas è la somma delle pressioni parziali dei singoli gas, dove per pressione parziale di un gas si intende la pressione che tale gas avrebbe se da solo occupasse tutto il volume dalla miscela.
La legge di Dalton si può scrivere:
P= p1 + p2 + p3 + .....

oppure anche:
P = f1 x P + f2 x P + f3 x P + ....
dove P è la pressione parziale del gas 1, 2, 3, ecc. e f è la concentrazione del gas 1, 2, 3, ecc. (è ovvio che la somma di tutti gli f è uguale a 1).

 Se applichiamo la legge di Dalton all'aria che respiriamo sulla superficie del mare, dove la pressione totale (P) è di 1 ata, la pressione parizlae dell'ossigeno (pO2) sarà di 0,21 atm e quella dell'azoto (pN2) di 0,79 atm
pO2 + pN2 = 0,21 + 0,79 = 1
Scendendo in profondità abbiamo visto che aumenta la pressione e di conseguenza aumenta anche la pressione parziali e precisamente:

a 10 metri	a 20 metri
pO2 = 0,42 atm	pO2 = 0,63 atm
pN2 = 1,58 atm	pN2 = 2,37 atm

e così via .................

La legge di Dalton ha diverse conseguenza sull'immersione.
Una di queste è legata all'osservazione che elevate pressioni parziali di azoto diminuiscono la lucidità el sommozzatore, fenomeno chiamato "narcosi da azoto" o "ebbrezza da profondità"
In immersione è ormai assodato che la pressione parziale massima sopportabile di ossigeno è di 1,6 atm per 45 minuti, mentre alcune didattiche ammettono tale pressione parziale solo per la fase di decompressione in pochi metri, consigliando il limite di 1,4 atm per l'immersione in profondità.
Può essere utile quindi calcolare, con la legge di Dalton, a che pressione totale e quindi a che profondità massima si può utilizzare l'aria senza superare i limiti di pressione parziale di ossigeno.

Riportiamo di seguito i limiti di esposizione all'ossigeno nelle immersioni con aria:

Profondità in metri	pO2 in atm	Limite di esposizione singola in minuti	Limite di esposizione nelle 24 ore in minuti
66	1,6	45	150
61	1,5	120	180
57	1,4	150	180
52	1,3	180	210
47	1,2	210	240

LA LEGGE DI BOYLE E MARIOTTE

"A TEMPERATURA COSTANTE IL VOLUME DI UNA DATA QUANTITA' DI GAS E' INVERSAMENTE PROPORZIONALE ALLA PRESSIONE A CUI E' SOTTOPOSTO"

Quanto espresso sopra si riassume con una semplicissima espressione matematica: P x V = k
Dove, a temperatura costante, V sta per Volume, P per Pressione e K per un numero costante. La legge si può anche esprimere P1 x V1 = P2 x V2 dove 1 e 2 sono rispettivamente la prima e la seconda condizione in cui si esegue l'osservazione. Cioè il prodotto di pressione e volume danno sempre lo stesso valore perciò se la pressione aumenta il volume diminuisce sempre a temperatura costante.

Se prendiamo una palla contenente 6 litri di aria e la portiamo sott'acqua, all'aumentare della pressione il suo volume diminuisce.
Si tenga presente che il volume della palla si dimezza già a soli 10 metri di profondità. Questo ci deve fare comprendere che, se a 5 metri di profondità noi immettessimo dell'ulteriore aria nella palla per riportarla ad un volume di 6 litri, quando la lasciamo andare, arrivata in superficie il suo volume d'aria sarebbe pari a 9 litri, almeno che non sia scoppiata prima.

 In una formula matematica possiamo rappresentare quanto detto sopra:
P x V = 1.5 (5 metri di profondità) x 6 = 9 litri = k
P x V = 1 ( in superficie) x 9 = 9 litri = k

Alcune conseguenze della legge di Boyle e Mariotte:

- mantenendo sempre lo stesso ritmo respiratorio, la rapidità di diminuzione dell'aria della bombola da cui respiriamo aumenta con la profondità, infatti in superficie si consumano circa 20 litri al minuto di aria ad 1 ata. Alla profondità di 10 metri si consumano ancora 20 l/min ma a 2 ata, corrispondenti ad un consumo reale di 40 litri al minuto, a 20 metri se ne consumano 60 (3 ata x 20 l) e così via. Un facile ed immediato sistema per calcolare il consumo di aria ad una data profondità è di moltiplicare per due la quota di immersione e poi aggiungere il consumo a livello del mare (30Mt. x 2 = 60 + 20 = 80 a 30 metri di profondità si consumano circa 80 litri al minuto).

- Scendendo con la profondità aumenta, oltre al consumo come visto sopra, anche il freddo in quanto la muta, che è composta da neoprene con delle piccole bolle di gas intrappolate, si assottiglia come descritto dalla legge di Boyle e Mariotte. La sensazione di freddo è anche dovuta all'effetto dell'acqua che a mano mano che scendiamo diventa più fredda. 

- Il volume del gas contenuto nei polmoni di un apneista diminuisce all'aumentare della profondità di immersione. Nei polmoni di un sub con autorespiratore invece il volume rimane costante in quanto respiriamo alla pressione ambiente che corrisponde alla profondità in cui ci troviamo. 

 
Oltre che per gli esempi che abbiamo descritto sopra, la legge di Boyle e Mariotte è fondamentale per la sicurezza in quanto spiega l'importanza di manovre fondamentali che devono essere eseguite durante l'immersione:
a. compensazione dell'orecchio medio
b. compensazione della maschera
c. espirazione in risalita (solo se ci si immerge con autorespiratore)

Per quanto riguarda invece il punto c. espirazione in risalita, vorrei darvi alcuni punti guida che vi saranno utilissimi sia per la Vostra sicurezza che per quella del Vostro compagno.
La non osservanza di questa "regola" e la non effettuazione della manovra apre la porta all'incidente più grave che può capitare ad un subacqueo, l'embolia traumatica o sovra distensione polmonare.
La meccanica è la stessa di quella descritta nell'esempio del pallone che viene gonfiato sott'acqua e poi rilasciato, infatti risalendo il suo volume aumenta, diminuendo la pressione, fino a farlo scoppiare.
Nell'immersione con autorespiratore respiriamo aria a pressione ambiente, se siamo a 10 metri respireremo aria a 2 ata ed abbiamo in totale 5 litri d'aria nei polmoni, se risalissimo in superficie trattenendo il respiro il volume di gas nei nostri polmoni aumenta del doppio diventando così di ben 10 litri. A causa della scarsa elasticità dei nostri polmoni questa "disattenzione" comporterebbe la lacerazione degli alveoli, con conseguente immissione di bolle di gas nel piccolo circolo e rapido arrivo di bolle al cervello attraverso il circolo arterioso. La possibilità di intervento provvidenziale sarebbe comprimere l'infortunato in camera iperbarica entro pochissimi minuti dall'incidente, cosa praticamente impossibile. Per fortuna l'incidente è facilmente evitabile in quanto dovendo la risalita essere non superiore a 9 metri al minuti, basterà compiere atti respiratori regolari e continui senza pause inspiratorie.
Se per qualche motivo si dovesse effettuare una veloce risalita di emergenza, bisogna ASSOLUTAMENTE espirare abbondantemente e, se si sentono i polmoni completamente vuoti, fare degli atti inspiratori molto leggeri e brevi sempre seguiti da espirazioni importanti.

Cerchiamo ora di esaminare le variazioni di assetto collegate alla legge di Boyle e Mariotte. Precedentemente abbiamo visto che ogni variazione di pressione altera il volume dei gas in modo inversamente proporzionale e, grazie ad Archimede, ogni variazione di volume altera l'assetto.
Elenchiamo tali variazioni che avvengono in immersione:

• LA RESPIRAZIONE: Ogni volta che espiriamo od inspiriamo diventiamo rispettivamente più positivi o negativi di un paio di chili, questo significa che se vogliamo stare fermi, in immersione, a guardarci per bene una parete dovremo prima trovare il nostro assetto negativo, perciò per prima rimanere immobili e poi restare in apnea. Significa inoltre che se in superficie abbiamo un assetto solo leggermente positivo, mentre espiriamo dovremmo dare dei colpetti di pinne per sostenerci

• IL JACKET o GAV: Supponiamo di svuotarlo in superficie quel tanto che basta per scendere lentamente. Scopriremo che la velocità aumenta scendendo, in quanto la pressione fa diminuire il volume dell'aria contenuta. Al contrario invece se SCORRETTAMENTE gonfiamo il jacket per iniziare una lenta risalita, rapidamente la velocità aumenterà, perchè aumenta il volume.
IL JACKET NON VA MAI USATO, O MEGLIO NON VA MAI GONFIATO DURANTE LA RISALITA.

• LA MUTA: Si comporta come il jacket, quindi è un altro fattore di variazione dell'assetto. Ovviamente più la muta è spessa e più sarà sensibile la variazione di assetto in discesa e successivamente in risalita.

• I POLMONI: Influenzano l'assetto solo dell'apneista in quanto il subacqueo che si immerge con l'autorespiratore, respirando aria alla pressione ambiente il volume polmonare non subisce variazioni con la profondità e di conseguenza non può influenzare l'assetto. Un apneista invece che parte dalla superficie con i polmoni pieni, a 10 metri di profondità si troverà con il volume polmonare dimezzato e di conseguenza più pesante di circa 5 Kg. Perciò, se fate immersioni in apnea fate molta attenzione alla zavorra. Considerate che un apneista dovrebbe essere positivo fino alla metà della quota che ha stabilito di raggiungere. 

PRINCIPIO DI PASCAL

"LA PRESSIONE ESERCITATA IN UNA REGIONE QUALSIASI DI UN FLUIDO SI DISTRIBUISCE UNIFORMEMENTE PER TUTTO IL FLUIDO IN TUTTE LE DIREZIONI E CON UGUALE INTENSITÀ'"

Sostanzialmente il principio di Pascal ci interessa in quanto conferma che la pressione a cui siamo soggetti sia in aria che in acqua non ci sovrasta schiacciandoci ma ci avvolge uniformemente, questo ci fa comprendere il motivo per cui non sentiamo la pressione atmosferica che ci schiaccerebbe al suolo ma ci permette di camminare, correre, muoverci, insomma ci consente di vivere.
Considerando che la superficie di un uomo può essere di circa 15.000 cm2 significa che al livello del mare siamo avvolti da una pressione totale di 15.000 kg. che diventano 30.000 a 10 metri di profondità, appunto perchè la pressione ci avvolge che riusciamo a sopportarla.
La dimostrazione del principio di Pascal consiste nel premere con un pistone un liquido contenuto in un cilindro avente dei fori dello stesso diametro ed altezza, gli zampilli che usciranno dai fori avranno tutti la stessa intensità.

Nozioni di Fisica

Principio di Archimede

NOZIONI DI BASE DI FISICA

Per immergersi in sicurezza è necessario conoscere alcune nozioni di fisica elementare .

La materia può presentarsi in tre stati di aggregazione :

1. SOLIDO : quando ha volume e forma ben definita , cioè incomprimibile .
2. LIQUIDO:quando ha volume proprio e forma che dipende dal contenitore è incomprimibile .
3. GAS:quando ha volume e forma che dipendono dal contenitore è pertanto comprimibile .

 

 Cambiando alcuni parametri fisici un corpo può cambiare il suo stato e passare dallo stato gassoso a quello liquido o viceversa. 

I parametri hanno delle unità di misura che servono al fisico per quantificare e descrivere numericamente i vari comportamenti .

Grandezze di base sono : Massa (kg) Lunghezza (mt.) e tempo (sec.)

La descrizione del comportamento della materia si basa su misure che riguardano :

• Volume : è lo spazio occupato da una quantità di materia ed è espresso in litri (Lt).

•  Peso : è la forza con cui la materia è attirata al centro della terra.L'Accelerazione è circa costante a livello del mare è possiamo praticamente esprimere la misura in Kilogrammi (kg).

• Temperatura :è misurata in gradi centigradi (°C).                                          Per applicare le leggi fisiche è necessario che esprimiamo la temperatura in gradi Kelvin (k) . Zero°C = +273 K .
• Pressione :È il rapporto tra una forza è una superficie sulla quale tale forza si esercita e si esprime in atmosfere (atm) o bar .

1 Atm. = 1.033 KG/Cm2 = 1013 millibar = 1.013 bar = 760 millimetri di Mercurio (mmHg).

PRINCIPIO DI TORRICELLI

La terra è circondata da uno strato gassoso chiamato Atmosfera .

Tutti i gas hanno un peso , lo strato d'aria sulla superficie esercita una pressione detta Pressione Barometrica o atmosferica  .

La pressione sul livelli del mare è di 1 atmosfera , cioè il peso della colonna d'aria che ci sovrasta pesa 1 kg per ogni cm2 di superficie su cui agisce.

Tale evidenza deriva dall'esperimento di Torricelli, che riempì una provetta di vetro con del mercurio .La provetta era un metro di lunghezza con una sezione di un 1 cm2 .  Tenendo l'estremità inferiore otturata con un dito la introdusse in un recipiente con mercurio, il mercurio nella provetta scese ad arrestarsi fino a 760 mm .sopra il livello del mercurio contenuto nel recipiente.
Poichè una  colona di mercurio è alta 760 mm e della sezione d 1 cm2 pesa 1 kg è stato cosi dimostrato che il peso della colonna d'aria che ci sovrasta sulla superficie del mare è di 1 kg/cm2.
Poichè l'acqua è un elemento incomprimibile ,l'aumento della pressione sarà costante di 1 bar ogni 10 metri ,cioè di 1 kg per cm2 ogni 10 metri .
Salendo di quota la pressione atmosferica diventa una parte di quella singola atmosfera iniziale ; sarà minore e andrà a diminuire man mano si sale di   quota.
Pertanto un corpo immerso in acqua sarà sottoposto ad una pressione , detta Assoluta (ATA) , pari a quella della acqua(1 atmosfera ogni 10 metri ) più la pressione dell'aria (costantemente pari a 1 atmosfera se a livello del mare ).
A10 metri un sub è sottoposto ad una pressione pari a 2 atmosfere assolute ;a 20 metri 3 ATA , a 30 metri 4 ATA e cosi via.

            

DENSITÀ

È il rapporto tra il peso è il volume della materia e la esprimeremo in Kg/l.

• 1 litro di acqua pesa un Kg. pertanto la densità dell'acqua è di 1 Kg/l.
• 1 litro d'acqua di mare pesa circa 1,03 Kg. Il peso è maggiore rispetto all'acqua dolce in quanto l'acqua di mare contiene circa un 3% di sali disciolti
• 1 litro d'olio pesa circa 0,80 Kg. quindi la sua densità è si 0,8 Kg/l.
• 1 litro d'aria pesa circa 0,0013 kg., quindo la densità dell'aria è di 0,001 Kg/l. oppure 1,3 Kg/m3.

COMPOSIZIONE DELL'ARIA

L'aria che respiriamo normalmente e che viene pressurizzata nelle bombole contiene ossigeno O2 per il 21% ed il resto è quasi tutto azoto (N2) che possiamo considerare al 79%. A scopo informativo riportiamo la composizione esatta dell'aria secca, cioè quella presente nelle bombole:

                                                                   

Componenti	% in volume	% in peso
Azoto (N2)	78,084	75,52
Ossigeno (O2)	20,946	23,14
Anidride Carbonica (CO2)	0,033	0,048
Argon (Ar)	0,0934	1,288
Neon (Ne)	0,001818	0,00127
Elio (He)	0,000524	0,000073
Krypton (Kr)	0,000114	0,000030
Xenon (Xe)	0,0000087	0,000039
Idrogeno (H2)	0,00005
Metano (CH4)	0,0002

L'ossigeno serve per mantenerci in vita, e viene consumato nei processi fisiologici. L'azoto invece non partecipa ai processi fisiologici e per questo viene definito "inerte".

 Altre nozioni di FISICA

La nostra vita si svolge in aria, che ha un densità di circa 800 volte inferiore a quella dell'acqua. Tale diversità è alla base di molte differenze che noteremo in immersione rispetto al nostro normale vivere in aria.
In particolare è utile illustrare le differenze relative a LUCE, SUONO e CALORE.

• LUCE: E una forma di energia e nell'acqua viene assorbita con più intensità che nell'aria, per cui scendendo la luminosità diminuisce rapidamente. Essendo la luce bianca composta da vari colori con energia diversa, scendendo vedremo attenuarsi e sparire prima i colori con minore energia. Pertanto durante un'immersione accadrà che il colore rosso è il primo sparire, il blu l'ultimo. In profondità quindi appare tutto azzurrino e per apprezzare i colori di quello che vediamo conviene portarsi una torcia a luce bianca, che restituirà al mondo subacqueo i suoi veri colori. Attenzione inoltre che la maschera, a causa dell'effetto lente, fa apparire le cose che osserviamo 1/3 più grandi di quello che sono in raltà.

• CALORE: E' l'energia termica contenuta in un corpo e si misura in calorie (cal), kilocalorie (Kcal, cioè 1000 calorie) oppure in BTU (britich termal unit, 1 BTU = 252 calorie). Il subacqueo perde calore per conduzione e, solo con le bombole, per evaporazione. Si perde calore per conduzione a cause del contatto diretto del nostro corpo con l'acqua. Se stiamo immersi in acqua ad una temperatura di 22 °C dopo un pò avvertiremo dei brividi di freddo, cosa invece che non accade se fossimo alla stessa temperatura in aria, in quanto l'acqua sottrae calorie al corpo con una velocità 25 volte maggiore rispetto all'aria. La perdita di calore per evaporazione è associata al cambiamento di stato da acqua liquida a vapore acqueo, processo che richiede una notevole quantità di energia. Per dimostrare e capire il processo di raffreddamento per evaporazione basta bagnare il dorso della nostra mano con dell'alcool, dopo pochi istanti quest'ultimo sarà completamente evaporato e noi avvertiremo una sensazione di freddo sulla zona interessata dall'alcool. Questo accade proprio perchè l'alcool per evaporare a sottratto energia alla pelle.

• SUONO: E' una vibrazione che si propaga a velocità maggiore in mezzi ad elevata densità. Nel vuoto il suono non si trasmette, nell'acqua invece si trasmette 4 volte più che nell'aria. La velocità del suono aumento all'aumentare della salinità, della temperatura e della pressione: questo comporta che la propagazione del suono avvenga con una traiettoria irregolare, con deviazioni verso le zone più fredde e a minor contenuto salino. Questa velocità di trasmissione in acqua è il motivo per cui non riusciamo a capire da dove arriva il suono durante un'immersione. Infatti mentre in aria il nostro cervello misura la differenza di tempo di arrivo della vibrazione fra un orecchio e l'altro, sott'acqua tale differenza diminuisce di 4 volte. E' brutto, soprattutto in apnea, sentire sott'acqua il rumore di un motore e non sapere da che parte arriva. Per fortuna, quando si sale, si vede che la barca è molto più lontano di quanto pensassimo.