La fisica delle immersioni subacquee

L'estate si avvicina, ma la scienza non va mai in vacanza: hai idea di quanta fisica si celi dietro l'affascinante arte delle immersioni subacquee? Tuffiamoci nel sapere!


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((Logo CMAS presente nell’immagine di copertina))

Ormai è estate e se sei una persona normale, dove con normale intendo che non frequenti il Politecnico, avrai sicuramente esposto la tua lattiginosa pelle al rovente sole delle spiagge. Quando la calura sovrasta la tua termoregolazione la soluzione e lì a pochi passi da te: tuffo in mare!

Tra una nuotata e l’altra può capitare che dentro di te si risvegli un qualcosa.

Attenzione!

Non mi riferisco al languore che verso l’ora di pranzo ti assale: per quello, se sei abbastanza meridionale, avrai sicuramente almeno cinque o sei panini ricolmi di una quantità tale di materia che le calorie contenute lì dentro fanno un baffo a quelle tipiche di un hamburger del fast-food.

Il desiderio a cui faccio riferimento è quella voglia di entrare in connessione con un ambiente, quello del mare e dei suoi abissi. Allora ti rechi nel diving più vicino, dove incontri un istruttore o istruttrice che ti proporrà i diversi corsi che ti potrebbero far diventare un piccolo subacqueo!

Si sa, gli istruttori sono tutti dei gran figoni, con la loro pelle sempre ambrata, i capelli resi mossi dalla salsedine e l’odore della loro pelle che sa di mare. Per questo ti convinceranno in men che non si dica!

Non puoi, però, arrivare impreparato. Siamo qui noi ad aiutarti. Ti stupirai di quante siano le nozioni di fisica nascoste in un’immersione subacquea.

Rifrazione della luce

Per prima cosa, non sei un vero subacqueo se non indossi una sfavillante maschera (se glitterata sei più chic) che ti permetta la visione sott’acqua.

Affinché tu riesca a vedere nitidamente un’immagine, la luce, deve focalizzarsi sulla retina. Per modellizzare il fenomeno ci viene in aiuto il caro vecchio Snell, che tramite la formulazione detta appunto legge di Snell, spiega come un raggio luminoso cambi direzione di propagazione passando da due mezzi con indice di rifrazione diversi:

n1 senϴ1= n2 senϴ2

L’indice di rifrazione di un materiale è una grandezza adimensionale che quantifica la diminuzione della velocità di propagazione della radiazione elettromagnetica quando attraversa un materiale.((Ne abbiamo parlato anche qui))
Cattura

L’occhio con la massa gelatinosa di umor vitreo al suo interno, che possiede un indice di rifrazione pari circa a 1,33, devia i raggi luminosi coadiuvata dal cristallino così da permettere la focalizzazione. Aprendo gli occhi sott’acqua, la quale possiede ha un indice di rifrazione maggiore rispetto all’aria, la deflessione dei raggi luminosi avverrà in maniera diversa e le immagini che vedrai risulteranno del tutto sfuocate: i raggi vengono deflessi con angoli diversi rispetto al caso in cui l’occhio è a contatto con l’aria.

Essendo l’indice di rifrazione dell’acqua molto simile a quello dell’umor vitreo il raggio entrante si propagherà nell’occhio con un angolo rispetto alla normale pressoché uguale a quello del raggio incidente. Se sostituisci nella legge di Snell i valori di n1 e n2 con un valore identico infatti il seno dei due angoli dovrà essere uguale e di conseguenza anche gli angoli saranno identici.

È per questo che indossi la maschera per andare alla ricerca della sirenetta negli abissi. Interponendo un cuscinetto di aria tra i tuoi occhi e l’acqua riuscirai a riacquistare la vista anche sott’acqua!

Così facendo il percorso della luce si complica ulteriormente dovendo passare dall’acqua alla lente della maschera, dalla maschera all’aria e dall’aria al tuo occhio. Tutte queste deflessioni, ognuna descrivibile per mezzo della legge di Snell, fanno sì che le distanze e gli oggetti visti in immersione non abbiano dimensioni veritiere. Le distanze sembrano più corte e gli oggetti risultano più grandi di circa un terzo.

La luce, oltre a subire tutte queste deflessioni, dovrà districarsi tra le molecole dell’acqua per arrivare al tuo occhio permettendoti così di vedere. Diamine, non puoi nemmeno immaginare la fatica che fa per compiere questo compito, disperdendo un’enormità di energia.

Più si scende in profondità, più energia sarà dissipata, e di conseguenza solo le componenti della luce più energetiche riusciranno ad arrivare ad una determinata quota. Come ben ricordi la luce non è altro che una sovrapposizione di onde con energie diverse. La luce rossa ha un energia minore di quella gialla, quella gialla minore del verde e così via passando dal blu fino ad arrivare al violetto.

spettro2

A mano a mano che si scende, alcuni colori della luce andranno per cui persi, non avendo sufficiente energia. Superati circa i 15 metri di profondità la totalità della luce rossa arancione e gialla sarà assorbita e vedrai tutti gli oggetti di un’incredibile numero di sfumature, ma solo del verde e del blu. Per questo la fedele compagna di un subacqueo è la torcia, che illuminando nuovamente fauna e flora conferisce loro il colore veritiero, fornendo spettacoli mozzafiato all’occhio.

Cattura2

Propagazione del suono

La seconda esperienza meravigliosa che un’immersione può darti è la possibilità di non essere assordato da futili chiacchiere da spiaggia. Sotto l’ombrellone saresti costretto a sentire tutte le voci che ti circondano e saresti ben capace di concentrarti su un suono rispetto che un altro. In mare ciò sarebbe impossibile!

La velocità di propagazione del suono dipende fortemente dalla natura del mezzo. L’equazione che esprime questa relazione è:

Cattura3

Dove k rappresenta la capacità di un materiale di cambiare volume se sottoposto a compressione e prende il nome di comprimibilità, mentre ρ è la densità. Sia la densità che il coefficiente di comprimibilità dell’acqua sono superiori rispetto a quelli dell’aria e, svolgendo i calcoli, si ottiene che la velocità di propagazione nell’acqua risulta essere circa 1000 m/s più veloce rispetto alla propagazione in aria. Una tale velocità rende impossibile l’individuazione da parte del nostro udito della direzione di origine nel suono e non permette di concentrarsi e distinguere diversi suoni. Per fortuna l’unico rumore che sentirai durante un’immersione è probabilmente il tuo respiro!

Principio di Archimede

Se però vuoi diventare un vero subacqueo la prima cosa che devi realmente imparare è quella che in gergo tecnico si definisce assetto e rappresenta la capacità di regolare la propria variazione di quota. Questa è causata dal principio di Archimede, che conoscerai sicuramente, ma ripetere non nuoce:

[aesop_content color=”#ffffff” background=”#333333″ columns=”1″ position=”none” imgrepeat=”no-repeat” floaterposition=”left” floaterdirection=”up”]Un corpo immerso in un fluido riceve una spinta dal basso verso l’alto di intensità pari al peso del fluido di volume uguale a quella della parte immersa del corpo.

[/aesop_content]

Come ben puoi immaginare l’attrezzatura di un subacqueo oltre che essere tanta, è davvero variegata. Poco prima del salto nel blu ti ritroverai ad indossare un giubbotto detto di assetto variabile, una o più bombole, una muta, un zavorra e chissà quante altre diavolerie.

Tutto quello dell’attrezzatura che fa peso tenderà a spingerti verso il basso per la forza di gravità e tutto ciò che fa volume svolgerà il contrario per la spinta di Archimede. Mi spiego meglio.

Il peso di un oggetto può essere visto come il prodotto tra il suo volume e la densità. Per cui la legge di Archimede può essere interpretata considerando che la spinta che tenderà a portarti verso l’alto sia proporzionale al volume di acqua spostato che è identico al volume del corpo immerso.

Nel momento in cui gonfierai il giubbotto di assetto variabile o inspirerai a pieni polmoni così da aumentarne il volume, noterai subito come tenderai a risalire a causa dell’aumento del volume di acqua sposato e dell’incremento della forza di Archimede. Nel caso contrario prevarrà la forza di gravità e tenderai a scendere.

Pressione e profondità

Ben puoi immaginare che a mano a mano la tua profondità aumenti, incrementerà anche la pressione a cui il tuo corpo è soggetto. La pressione totale sarà assegnata dalla somma della pressione atmosferica più la pressione idrostatica.

La cosa più interessante della pressione idrostatica è che dipende unicamente dall’altezza della colonna di liquido soprastante il punto in cui si sta calcolando la pressione e non dal suo volume ((Da questa considerazione deriva il paradosso della botte di Pascal))Cattura 5((con g costante di gravitazione e ρ densità del liquido))

Per questo motivo è facile ricavare che per ogni 10 metri di profondità la pressione incrementa di una quantità pari ad 1 atm ((atmosfera: unità di misura della pressione)).

Ti starai sicuramente chiedendo allora come sia possibile non rimanere letteralmente schiacciati dalla pressione che aumenta al crescere della profondità. Anche per questo, la risposta è data dal fisico Pascal con il principio che afferma:

[aesop_content color=”#ffffff” background=”#333333″ columns=”1″ position=”none” imgrepeat=”no-repeat” floaterposition=”left” floaterdirection=”up”]Una pressione esercitata in un punto si trasmette in ogni altro punto e in tutte le direzioni con la stessa intensità

[/aesop_content]
Cattura4

Essendo la pressione identica in ogni punto, farà in modo che le componenti aventi la stessa direzione tenderanno ad annullarsi reciprocamente, per cui un corpo immerso sarà avvolto dalla pressione ma senza sentirne gli effetti.

La pressione ha però un effetto che bisogna ben tenere ben in considerazione e questo caso deriva dalla legge di Henry.

Questa legge esprime come la solubilità di un generico gas in un liquido sia proporzionale alla pressione che il gas esercita sul liquido stesso. Il tutto è esprimibile tramite

S=K*P ((K costante di solubilità del gas))

Applicandola ad un’immersione serve per calcolare quella che è la solubilità dei gas, assunti tramite la respirazione, all’interno della circolazione sanguigna. Raggiungendo, come già detto, pressioni molto superiori rispetto a quelle atmosferiche, gas come azoto e ossigeno tenderanno ad accumularsi all’interno del corpo. Nel momento in cui però durante la risalita la pressione diminuisce rapidamente, la solubilità decresce e si potrebbe incorrere nella riformazione di bolle di gas all’interno dei tessuti. Per evitare effetti dannosi come ad esempio l’embolia, si è soliti attuare infatti le cosiddette soste di decompressione, per dare al corpo il giusto tempo al corpo di eliminare le bolle di gas prima che diventino di dimensioni troppo grandi. Il volume infatti è inversamente proporzionale alla pressione come indicato dalla legge di Boyle

P*V= costante

Al diminuire della pressione il volume delle bolle tenderà ad aumentare.


Vedi Billy, nonostante abbiamo tralasciato tutte le leggi che stanno alla base dei gas per descrivere il loro comportamento all’interno di una bombola, siamo comunque riusciti a citare ben cinque fisici cazzuti. Solo ora puoi effettivamente constatare quanta fisica ci sia dietro un’immersione subacquea.

Ora va Billy, nuota e diventa un bellissimo pesciolino del mare.

Multa Paucis

Pubblicato da Davide Loiacono

Prodotto tenace commissionato (con amore) in Calabria. Vive di passioni e la curiosità è la sua unica vera musa! Studente Polimi di cose strane per capriccio del caso o voglia del suo Dio.