ASPETTI FISICI DELL'IMMERSIONE

L'immersione si svolge in un mezzo, che ha delle proprie

caratteristiche: e pesante in tutti i suoi punti, la sua

densità e pressappoco uniformemente costante, le diverse

stratificazioni si propagano seguendo delle particolari leggi;

essa consiste in un certo senso nel mettere insieme dei corpi di

differente stato fisico: solido, liquido e gassoso.

Questo e schematicamente il quadro fisico in cui

si svolge l'immersione.

LA PRESSIONE

La pressione è la forza applicata su di una superficie ossia il

rapporto tra la forza e l'unità di superficie

La sua unità di misura sara quindi:

F/S = Newton/m2 = P (Pascal)

Normalmente vengono utilizzate anche altre unita di misura

della pressione: 1 ATM = 1013 mbar = 760

mmHg = 1 torr = 1 Kg/cm2 = 1.01 × 105 Newton/m2 = 1.01 × 105 Pascal

LA PRESSIONE ATMOSFERICA

La superficie terrestre è circondata da uno strato gassoso

chiamato aria che esercita una pressione di 1 Atm

(a livello del mare, latitudine 45°, temperatura 15° centigradi -

Nel 1643 Evangelista Torricelli) . L'aria a livello

tracheale, quindi satura di vapore acqueo, pesa 1.113 g/l. Un

litro d'aria ha un peso medio a livello del mare

di 1.293 grammi.

Esprimendo la pressione atmosferica in metri di colonna d'acqua:

1 ATM = 10.33 m di acqua distillata (P.S. = 1)

1 ATM = 10.07 m di acqua di mare (P.S. = 1.026)

VARIAZIONE DELLA PRESSIONE ATMOSFERICA

La variazione dovuta alle diverse quote sul livello del mare è

importante: diminuendo infatti la colonna d'aria sovrastante la

superficie e diminuendo inoltre la densità dell'aria che diventa

piu rarefatta, la pressione atmosferica diminuisce notevolmente

in funzione dell'altitudine:

a 5000 metri s.l.m. si riduce della meta (0.5 ATM)

a 10000 metri s.l.m. il valore e di un terzo (0.33 ATM)

PRESSIONE IDROSTATICA

E' la pressione che agisce in seno ad un liquido in equilibrio.

E' direttamente legata alla massa e quindi alla quantità

di liquido posta al di sopra del punto considerato.

In un liquido: la pressione si esercita in tutte le direzioni

allo stesso modo e identica in ogni punto del

medesimo piano orizzontale cresce con la profondità.

La pressione esercitata e di 1 Kg/cm2 per 10 m di

colonna di acqua, per quella di mare la pressione

idrostatica sarà di poco superiore ad 1 Kg

per ogni 10 m di colonna d'acqua a causa dei sali disciolti

Con una buona approssimazione la pressione idrostatica

sarà di 1 ATU (Atmosfera idrostatica)

per ogni 10 m di colonna d'acqua.

PRESSIONE ASSOLUTA

La pressione assoluta è data dalla somma della

pressione atmosferica piu la pressione idrostatica (o relativa).

Esempio: se un sommozzatore si trova a 36 metri di profondita sara sottoposto ad una pressione (assoluta)

di: P. Ass. = P. Atm. + P. Idrost. = 1 ATM + 3.6 ATU = 4.6 ATA

PROFONDITA' P. IDROSTATICA (ATU)

P. ASSOLUTA (ATA)

Livello del mare 0 1

10 metri 1 2

20 metri 2 3

30 metri 3 4

40 metri 4 5

50 metri 5 6

PROPRIETA DEI GAS

Generalità

I gas non possiedono un volume proprio; una certa quantità di

gas può invece avere:

- un volume imposto nel caso di un contenitore indeformabile

- un volume naturale nel caso di un contenitore deformabile

Contrariamente a quanto avviene per i solidi e liquidi, le

variazioni di pressione e temperatura hanno ripercussioni

notevoli sui gas.

Per esempio, un volume d'acqua di 1 litro diminuisce il proprio

volume dell'1% se sottoposto ad un aumento

di pressione di 1 ATA, mentre 1 litro di aria diminuisce il

proprio volume della metà se sottoposto allo stesso

aumento di pressione.

Le proprieta fisiche dei gas sono:

- densità

- viscosità

- solubilità

- diffusibilità

- conducibilita termica

- capacita termica

Densità

è il rapporto tra massa e volume. Varia con la temperatura

(si riduce all'aumentare di questa) e con la

pressione ( aumenta all'aumentare di questa).

Puo essere espressa in grammi/litri.

Viscosità

in un fluido in moto è l'attrito fra gli strati del fluido ed e

parallela agli strati stessi. Si indica con h, si misura in

Poise cioe g/cm sec.

La viscosità di un gas aumenta secondo una funzione lineare

con la sua temperatura.

Solubilità

è regolata dalla legge di Henry. E'dipendente dalla temperatura

in maniera inversamente proporzionale.

Si riduce logaritmicamente con l'aumentare della pressione

ambiente.

La presenza di elettroliti nei tessuti acquosi del corpo umano

riduce la solubilita dei gas inerti di circa il 10%

rispetto ad un uguale volume di acqua pura. A pressioni

relativamente basse la solubilita di una miscela puo

essere considerata la somma delle solubilita dei gas componenti.

Diffusione

in fase liquida le molecole gassose diffonderanno da un'area di

alta concentrazione ad un'area di bassa

concentrazione. La facilità con cui questo avviene è espressa

dal “coefficiente di diffusione” che è funzione

del peso molecolare dei gas. Si esprime in cm2/sec. La capacità

di un gas di diffondere in un altro gas è

espressa dal “coefficiente di diffusione binaria” e si esprime

in cm2/sec. La velocità di diffusione di un gas in

una fase gassosa è 5 volte piu grande della corrispondente

velocità di diffusione in una fase liquida.

Il coefficiente di diffusione aumenta con la temperatura ed è

inversamente correlato alla pressione: a 31.3

ATA il coefficiente di diffusione e ridotto fino a 31 volte.

Conducibilità termica

aumenta solo lievemente con l'aumentare della pressione e della

temperatura. A differenza della capacità

termica non puo essere calcolata con la semplice addizione della

conducibilità termiche dei gas componenti

una miscela. Si esprime in cal/sec × cm × °C × 10-5.

Capacità termica

E' espressa in cal/g/°C. Viene poco alterata da variazioni di

temperatura e pressione.

LEGGE DI BOYLE - MARIOTTE

Il volume di un gas si riduce quando la pressione circostante aumenta.

Enunciato: A temperatura costante, il volume che occupa una data massa gassosa e inversamente

proporzionale alla pressione cui la stessa massa e sottoposta : P × V = Costante

Esempio: se una certa quantita di gas occupa un volume di 1

litro ad una pressione di 1 ATA (in superficie)

vediamo come varia questo durante l'aumento di pressione (ossia la discesa)

1 litro in superficie 1 ATA

1/2 litro a 10 metri 2 ATA

1/3 litro a 20 metri 3 ATA

1/4 litro a 30 metri 4 ATA

1/10 litro a 90 metri 10 ATA

LEGGI DI GAY LUSSAC E DI CHARLES

Se una certa massa gassosa, a volume o a pressione costante, viene sottoposta ad una variazione di

temperatura, variera la sua pressione Gay Lussac) o il suo volume (Charles) di 1/273 del valore

iniziale di pressione o volume per ogni grado centigrado di variazione di temperatura.

Volume costante (esempio bombole o sommergibili)

Pf = Pi + dP

dP = 1/273 × Pi × dT (C°)

Pf e la pressione finale

Pi e la pressione iniziale

dP e la variazione di pressione in piu o in meno

dT e la variazione di temperatura in C° in piu o in meno

Un calcolo approssimativo ci permette di ricavare subito la variazione di pressione in funzione della

temperatura : “per ogni 3°C di variazione di temperatura si registra una variazione di pressione dell'1% del

valore iniziale di quest'ultima”.

Esempio: ad una variazione della temperatura di 15°C rispetto

a quella di partenza, corrispondera una

variazione di pressione come segue: 15/3 = 5 760 × 5% = 38 mmHg

LEGGE DEL GAS IDEALE

Le tre leggi sopra riportate derivano dalla Legge del Gas Ideale:

PV = NRT

dove:

P = pressione assoluta (ATA)

V = volume (litri)

N = n° di molecole di gas

R = costante universale dei gas

T = temperatura assoluta (°K)

Questa legge puo essere scritta anche nel seguente modo: PV/RT = N

Se il numero delle molecole viene considerato costante, si trova una relazione tra le variazioni di PV e T:

PV/T = K

o meglio,

P1V1/T1 = P2V2/T2

da cui,

P1 /T1 = P2/T2 V = K Legge di Gay Lussac Legge Isocora

V1/T1 = V2/T2 P = K Legge di Charles Legge Isobara

P1V1 = P2V2 T = K Legge di Boyle Legge Isoterma

LEGGE DI DALTON

In una miscela di gas che non reagiscono chimicamente tra loro la pressione esercitata dal miscuglio

e uguale alla somma delle pressioni che esercita ogni gas componente il miscuglio :

in pratica in un

ambiente chiuso la pressione totale esercitata da un miscuglio e

data dalla somma delle pressioni che

ciascun gas componente eserciterebbe se questo,

ipoteticamente, venisse lasciato solo in quell'ambiente.

La pressione totale esercitata da una miscela e data dalla somma

delle “pressioni parziali” di ciascun gas

componente il miscuglio. La pressione parziale, riferita ad un

ipotetico gas A, e data dal prodotto della

pressione totale esercitata dalla miscela per la percentuale

con il quale il gas considerato e presente in tale

miscela: PpA = Pt × Volume % A/ 100%

Variazione di un volume di un gas in funzione della

Pt = Pp1 + Pp2 + Pp3 + ......... + Ppn

Supponendo per esempio l'aria a pressione atmosferica (1 ATA) avremo:

Ossigeno 20%

Azoto 80%

PpO2 = Pt × Volume % O2 / 100% = 1 × 0.2 = 0.2 ATA

PpN2 = Pt × Volume % N2 / 100%= 1 × 0.8 = 0.8 ATA

e quindi:

Pt = PpO2 + Pp N2 = 0.2 + 0.8 = 1 ATA

Per l'organismo umano e determinante la pressione parziale

dell'ossigeno: supponiamo che un sub respiri

una miscela di ossigeno al 10%; in superficie la pressione

parziale sara 0.1 ATA e quindi inferiore al limite

minimo per la sopravvivenza. sara sufficiente scendere alla

profondita di 10 m. per avere una pressione

parziale di ossigeno nella norma (Pp = Pt × Volume % O2 / 100% = 0.2 ATA)

E' di fondamentale importanza capire che i limiti per i gas

respirati non sono in funzione della percentuale

nella quale sono presenti, bensi alla pressione parziale che essi

esercitano.

In linea di massima i limiti di pressione parziale imposti per

l'ossigeno sono:

Limite minimo di sicurezza 0.16 ATA ( ipossia)

Valore atmosferico 0.20 ATA

Limite massimo in immersione 2.20 ATA (iperossia)

DISSOLUZIONE DEI GAS NEI LIQUIDI

La dissoluzione e la dispersione delle molecole di un corpo disciolto in un solvente . Questa

dispersione e una miscela perfetta se le molecole del solvente

non hanno una struttura particolare e se il

corpo non ha interazioni chimiche con il solvente.

Ad eccezione dell'anidride carbonica che nell'acqua si

trova sotto forma di acido carbonico, gli altri gas impiegati

per l'immersione sono dei gas che si possono

considerare come perfetti e nella dissoluzione solo i fenomeni

fisici entreranno in gioco.

Caratteristiche dei solventi

L'organismo umano e eterogeneo. Si puo dividerlo

grossolanamente in tre parti: lo scheletro Parte solida

tessuto adiposo Parte dove i solventi non polari hanno

una parte preponderante ,il sangue ed i muscoli

Parte dove l'acqua solvente polare e preponderante

Si prenderanno in considerazione qui i solventi non polari e

polari contenuti nel sangue, tessuto muscolare e

tessuto adiposo, senza tenere conto dello scheletro.

Solvente non polare

Si chiama solvente non polare un solvente in cui le molecole

non contengono dei dipoli . Gli oli alifatici e

aromatici ne sono un esempio. In questi liquidi la dissoluzione

si effettua attraverso la dispersione delle

molecole di gas tra le molecole del solvente, non c'e

interazione tra elementi differenti e le formule della

dissoluzione si applicano alla perfezione.

Solvente polare

Si chiamano solventi polari tutti i solventi in cui i le molecole

contengono dei dipoli elettrici o anche magnetici

cosi che tutti i solventi degli ioni OH sono dei solventi polari:

gli acidi organici e gli alcool ne sono degli

esempi, ma il solvente polare per eccellenza e l'acqua “ H - OH”

che e il costituente essenziale del corpo

umano.

LA LEGGE DI HENRY

Enunciato:

“a temperatura costante la quantita di gas che si discioglie in un solvente

liquido e proporzionale alla

pressione parziale del gas al di sopra del solvente”.

Questa quantita dipende dal tipo di gas e dal tipo di solvente.

La temperatura

interviene in modoinversamente proporzionale: a parità

di condizioni, a temperature

piu basse si discioglie una quantita di gas superiore, e viceversa.

SATURAZIONE

La saturazione di un liquido da parte di un gas e la quantita massima

che questo liquido può disciogliere a temperatura e pressione costanti .

La saturazione non e raggiunta immediatamente.

La curva che la rappresenta ha una forma esponenziale.

Il tempo necessario

affinché venga raggiunta la metà della saturazione

e definito “periodo”.

ANALOGIA TRA QUANTITA' DI GAS DISCIOLTO E TENSIONE.

Sia dato un liquido privo di gas e sottoposto alla pressione P di un gas puro;

il gas si disciogliera nel liquido . Quando si arriverà alla saturazione,

avremo che la quantita di gas che si discioglie nel liquido sarà

uguale alla quantita che ne esce (stato di equilibrio).

Si puo quindi affermare che il gas disciolto eserciti sul gas libero

una pressione eguale alla pressione del gas al di sopradel liquido.

Questa pressione esercitata dal gas disciolto

si chiama “tensione”

del gas disciolto. Nello stato di saturazione la tensione

del gas disciolto e misurata dal valore P

che e la pressione del gas al di sopra del liquido.

Questa analogia e estremamente importante; essa permette

di evitare l'impiego di grandezze quali massadisciolta

o volume disciolto, variabili con la pressione,

il tipo di gas , il tipo di liquido. Cosi, se si prende in

esame un liquido saturo di elio o di azoto alla pressione P,

si avranno dei valori differenti misurando la quantità

disciolta in massa o in volume; di contro la tensione

dell'elio o dell'azoto nel liquido avra esattamente

il medesimo valore: tensione = P

DIFFUSIONE

Se si suppone di avere una certa quantita di liquido contenuto in un

recipiente di forma qualsiasi e sottoposto ad una pressione P, si avra una

diffusione che sarà immediata alla superficie di separazione .

Le molecole gassose cosi disciolte vanno ad invadere il liquido

per diffusione.

Questo fenomeno sara tanto piu rapido quanto piu grande sarà

la superficie

di contatto. Se questa superficie di contatto e infinita la velocità

di diffusione sara infinita.

Di contro se la superficie di contatto e infinitamente

piccola la diffusione sara infinitamente lenta.

SATURAZIONE

Allorquando un liquido e sottoposto ad un gas in pressione,

il gas si scioglierà nel liquido ; se il liquido e privo

di gas all'inizio dell'esperienza la tensione del gas disciolto

alla fine del tempo “t” sara data dalla formula: p= P(1 - e-kt)

dove p e la tensione del gas disciolto, P e la pressione del gas

al di sopra del liquido e k e un coefficiente esponenziale.

La curva rappresentativa di p in funzione di t e una funzione

esponenziale. Se invece partiamo da un liquido saturo

ad un valore di tensione di gas disciolto p0, la formula dovra essere:

p = p0 + (P - p0)(1 - e-kt)

DESATURAZIONE

Inversamente se un liquido saturo a una pressione P e

riportato ad una pressione

P0 la saturazione del liquido passa da un valore p = P

al valore p = P0.

La curva di desaturazione e una curva esponenziale inversa

e simmetrica alla precedente, a parita di condizioni.

Finché la tensione di gas nel liquido e superiore

alla pressione ambientale,

il liquido e detto in stato di sovrasaturazione.

SOVRASATURAZIONE

Allorquando la pressione esterna diminuisce, la tensione dei gas disciolti

diviene superiore alla pressione dei gas a contatto con il liquido, che si trova

quindi in stato di sovrasaturazione . La sovrasaturazione

e uno stato instabile ed esiste un valore limite

del rapporto tensione del gas disciolto nel

liquido e pressione ambiente al di la del quale l'equilibrio

instabile e rotto e il gas non riesce piu a rimanere in soluzione

nel liquido, liberandosi sotto forma di bolle.

Questo limite e definito sovrasaturazione critica.

In fisica, si riscontrano spesso dei valori di questo coefficiente

compresi tra 10 e 100 o anche 1000 per dei liquidi

perfettamente omogenei.

Di contro nell'organismo i coefficienti di sovrasaturazione

critica hanno un valore molto piu basso.

C urva teorica dell'assorbimento

Vi sono varie ipotesi per spiegare i motivi di questo basso

valore: l'ipotesi dei micronuclei gassosi preesistenti, l'ipotesi

della cavitazione, l'ipotesi della tribonucleazione

(vedi capitolo sulle Patologie da Decompressione).

Una volta che la bolla si e formata, la pressione all'interno

di questa e nell'ordine di : Pb = P + 2g/r dove Pb e la pressione

interna della bolla; P e la pressione ambiente g la tensione

superficiale; r il raggio della bolla.

Si ha dunque una pressione all'interno della bolla

superiore alla tensione dei tessuti circostanti; il gas interno

quindi ha tendenza a disciogliersi nei tessuti e la bolla scompare.

Ma se, nel momento in cui si manifesta la bolla, la pressione

ambiente diminuisce bruscamente, il volume della bolla aumenta

ed il rapporto 2 g/r diminuisce, e quindi la tendenza a

disciogliersi nei tessuti si ridurra impedendo

la scomparsa della bolla.

INCIDENTI SUBACQUEI E LORO TRATTAMENTO ne parleremo a breve adesso è in costruzione.