La fisica delle immersioni subacquee

Rhett Allain

Mi immergevo molto più di quanto avrei dovuto. Ho fatto praticamente di tutto: immersioni in acque libere, immersioni tecniche, pesca subacquea e immersioni in grotta. È uno sport divertente che ti permette di vedere cose incredibili, ma c'è anche un sacco di scienza che entra nel processo di messa in sicurezza di un essere umano sott'acqua. Scopriamo allora cosa può insegnarci la subacquea sulla fisica.

Forse la prima cosa a cui pensa un subacqueo quando ha a che fare con la pressione è la pressione della bombola. Le bombole contengono molta aria in un volume relativamente piccolo e l'unico modo per farlo è comprimere l'aria, producendo alta pressione. Un subacqueo può determinare la quantità di aria rimasta in una bombola utilizzando un manometro. Di solito, un serbatoio pieno ha una pressione di 3.000 libbre per pollice quadrato (psi). Se scendi sotto i 200 psi, dovresti essere fuori dall'acqua.

L’aria normale, la sostanza che ricopre la Terra, è composta principalmente da molecole di azoto, che ne costituiscono circa il 79%. Il resto è ossigeno, circa il 21%. Possiamo immaginare che queste molecole siano come palline minuscole che si muovono a velocità diverse e in direzioni diverse. Se questo gas fosse in un contenitore, alcune molecole entrerebbero in collisione con la parete, rimbalzerebbero su di essa e cambierebbero direzione. Questo cambiamento di movimento significa che ciascuna molecola esercita una piccola forza sulla parete. (Un muro o un contenitore più grande subirà più collisioni e una forza complessiva maggiore.)

Un modo per descrivere il movimento delle molecole di gas è pensare alla forza per unità di area. Questa è la pressione del gas:

Se misuri la forza in libbre e l'area in pollici quadrati, otterrai la pressione in libbre per pollice quadrato o psi. Questa è l'unità più comune per la pressione del serbatoio negli Stati Uniti.

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Un'altra unità è il bar, dove 1 bar equivale a 14,5 psi. Il valore di 1 bar è molto vicino alla pressione dell'aria sulla Terra. La pressione atmosferica dell'aria che ti circonda in questo momento è probabilmente 14,5 psi. (Sì, ho detto "probabilmente" perché non voglio giudicarti. Forse stai leggendo questo dalla cima del Monte Everest, dove la pressione è di soli 4,9 psi, perché c'è meno aria sopra di te che spinge verso il basso. Se è così , mandami una foto.) In termini di forza e area, è pari a 100.000 newton per metro quadrato.

L'acqua è composta anche da minuscole molecole in movimento che agiscono come palline e tali molecole si scontrano con oggetti sottomarini (come le persone), producendo pressione. L'acqua ha molte più molecole dello stesso volume d'aria, il che significa che ci sono più collisioni per produrre una pressione maggiore. Ma proprio come andare in cima al Monte Everest diminuisce la pressione dell’aria, andare più in profondità nell’acqua aumenta la pressione, perché la gravità spinge verso il basso le molecole d’acqua. Per ogni 10 metri di profondità la pressione aumenta di 1 bar, ovvero 14,5 psi. Ciò significa che durante un'immersione a 20 metri (circa 60 piedi) sotto il livello del mare, ci sarebbe una pressione dell'acqua di 43,5 psi, tre volte maggiore della pressione dell'aria sulla superficie terrestre.

(Il fatto che la pressione aumenti con la profondità impedisce a tutta l'acqua dell'oceano di collassare in uno strato infinitamente sottile. Poiché la pressione è tanto maggiore quanto più si scende in profondità, l'acqua sottostante si spinge verso l'alto più di quanto l'acqua sopra di essa si spinga verso il basso. Questa differenza compensa la forza gravitazionale verso il basso, quindi il livello dell'acqua rimane costante.)

Potrebbe sembrare che 43,5 psi siano troppi da gestire per una persona, ma in realtà non è poi così male. I corpi umani sono molto adattabili ai cambiamenti di pressione. Se sei stato sul fondo di una piscina, conosci già la risposta a questo problema di pressione: le tue orecchie. Se la pressione dell'acqua all'esterno del timpano è maggiore della pressione dell'aria all'interno dell'orecchio interno, la membrana si allungherà e potrebbe causare molto dolore. Ma c’è un bel trucco per risolvere questo problema: se spingi l’aria nella cavità dell’orecchio medio chiudendo il naso mentre tenti di far uscire l’aria, l’aria verrà forzata in questa cavità. Con più aria nell'orecchio interno, la pressione su entrambi i lati della membrana sarà uguale e ti sentirai normale. Questa si chiama "equalizzazione", per ragioni, si spera, ovvie.