Uno degli argomenti che insegniamo nei corsi subacquei, è la fisica dell’immersione, insegniamo che il subacqueo, durante il piacevole momento dell’immersione, è sottoposto a sensibili variazioni di pressione.
Tali variazioni di pressione sono le cause di base di varie problematiche connesse ai gas respirati ed è importante avere una buona conoscenza delle leggi che regolano il comportamento di tali gas, si inizia l’insegnamento di questa parte del corso fin dall’ OWD (primo livello open), per poi approfondirla durante i corsi AOWD (avanzato) , Nitrox ( miscele arricchite di ossigeno fino ad una percentuale del 36%) ed infine nel Rescue.
Scopo di questo scritto, è quello di riassumere in maniera semplice (spero) i concetti di base legati alla fisica dell’immersione, che se approfonditi nella loro completezza, risulterebbero di non facile comprensione per la maggior parte dei subacquei/allievi e l’intento è anche quello di consentire un breve ripasso da effettuare leggendo sul sito della scuola, on line quindi, di ciò che abbiamo appreso durante i corsi sub di vario livello.
Si tratta di una relazione matematica che lega pressione, volume e temperatura di un gas, valida con precisione nel caso dei gas perfetti ( ideali ), dove:
a temperatura costante pressione e volume sono inversamente proporzionali – ( Boyle )
pressione e temperatura sono direttamente proporzionali – ( seconda legge di Gay-Lussac )
volume e temperatura sono direttamente proporzionali – (A. Volta o prima legge di Gay-Lussac)
E’ molto importante e utile inoltre, avere qualche conoscenza sulla teoria cinetica dei gas.
I gas, lo sappiamo, sono composti da molecole.
Queste molecole sono costantemente in movimento, è questo il motivo per cui i gas si mescolano uniformemente e riempiono tutte le parti del recipiente che li contiene. In circostanze normali, la distanza tra le molecole del gas è di gran lunga maggiore della grandezza delle singole, questo è il motivo per cui i gas possono essere compressi.
Le molecole di un gas ad una data temperatura, si muovono disordinatamente.
Ad una data temperatura, l’energia cinetica media delle molecole è la stessa per tutti i gas. Da un punto di vista matematico, ciò può essere descritto come:
Se noi aumentiamo la temperatura, aumentiamo l’energia cinetica dei gas e, le molecole avendo maggiore velocità, urteranno con più forza contro le pareti del contenitore (nel nostro caso la bombola subacquea). Questo è il motivo per cui all’aumentare della temperatura, nella nostra bombola, la pressione aumenta.
In particolar modo Charles notò che in prossimità di zero gradi Celsius il volume di un gas diminuiva di 1/273 per ogni diminuzione di un grado Celsius. Se qualcuno teoricamente avesse continuato a diminuire la temperatura, allora un gas avrebbe avuto volume zero a –273 gradi Celsius, questo valore è lo zero assoluto, indicato nella scala Kelvin, se il gas ha volume zero non ci sarà moto molecolare ( la velocità = 0 nell’equazione dell’energia cinetica ). Le temperature misurate avendo come riferimento lo zero assoluto si chiamano temperature assolute.
La pressione P è una grandezza fisica derivante da un rapporto tra due parametri F (forza) e S (superficie); la pressione è data dal rapporto tra il valore di una forza e la superficie sulla quale agisce, esprimibile con la formula: P = F/S.
Le unità di misura sono il Newton (N) per la forza ed il metro quadrato per la superficie, il cui rapporto definisce il Pascal (PA): Pa = N/mq. Comunque la nostra unità di misura per definire la pressione sarà il BAR che corrisponde a 100.000 Pascal e l’ATM che corrisponde al peso dell’atmosfera sulla superficie della terra su di una superficie di 1 cmq. ( 1,033 kg/cmq. ) ed è equivalente al peso di una colonna d’acqua alta 10 m. ( 1,03 kg/cmq ), il rapporto è definito da Kg/cmq.
Per pressione parziale di un gas si intende la percentuale del gas in miscela moltiplicato per la pressione ambiente ed il risultato diviso 100, a livello del mare (normobarico) nel caso dell’aria con l’ N2 al 79% ed O2 al 21% ed una pressione ambiente pari a 1 bar:
| la pressione dell’azoto N2 sarà: | 79% | x | 1/100 | = | 0,79 |
| la pressione dell’ossigeno O2 sarà: | 21% | x | 1/100 | = | 0,21 |
| valore della pressione ambiente | 1,00 |
| la pressione dell’azoto N2 sarà: | 79% | x | 2/100 | = | 1,58 |
| la pressione dell’ossigeno O2 sarà: | 21% | x | 2/100 | = | 0,42 |
| valore della pressione ambiente | 2,00 |
e cosi via per tutti i gas che compongono la miscela.
Se ci interessa sapere la pressione parziale di un gas sul fondo, sarà sufficiente moltiplicare la frazione del gas in miscela per la pressione ambiente alla quale ci immergiamo:
Pg = Fg x P O,79 x 3 = 2,37 barnel caso di un miscuglio contenente aria l’ N2 (azoto) a 3 bar (pressione ambiente a -20 mt)
Se ci interessa invece avere la frazione di un gas sul fondo, sarà sufficiente dividere la pressione parziale del gas ad una determinata quota (es: -20 mt) per la pressione ambiente alla quale ci immergiamo:
Fg = Pg : P 2,37 : 3 = 0,79 barnel caso delll’ N2 (azoto) con una pressione sul fondo di 2,37 bar e una pressione ambiente a -20 mt
La max profondità operativa per una data miscela per un Pp di partenza per es.: di 1,5 è data da 1,5/Fg del gas in miscela poi si applica la formula (P -1) x 10 per trasformare la pressione in mt.
Mod Ean 36 avendo stabilito una Ppmax di 1,5 sul fondo:
(1,5/0,36) = 4,16 Mt.= (4,16 –1) x 10= 31,60 mt.
Mod Ean 36 avendo stabilito una Ppmax di 1,6 sul fondo:
(1,6/0,36) = 4,44 Mt.= (4,44 –1) x 10= 34,40 mt.