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Idrostatica
Idrostatica
Una formulazione più semplice del Principio è la seguente:
«Un corpo immerso in un fluido riceve una spinta dal basso verso l'alto pari al peso del fluido spostato»
«Un corpo immerso in un fluido riceve una spinta dal basso verso l'alto pari al peso del fluido spostato»
Alla pressione di 1 atm il peso di 1 litro (o decimetro cubo) di acqua dolce è di circa 1 kg (per l'esattezza 0,9999729 kg) purché la sua temperatura sia pari a 3,98 gradi centigradi.
La salinità media degli oceani si attesta intorno ad una media del 35‰, ovvero 35 g di sale per 1 kg d’acqua. quindi l'acqua di mare pesa in media 1.036 kg
A seconda della salinità dei vari mari per esempio il Mar Mediterraneo ha una salinità decisamente superiore alla media mondiale, che raggiunge il 39‰ nella sua parte orientale quindi l'acqua peserà circa 1.040 kg.
Quindi per il principio di Archimede la galleggibilità in acqua salata sarà maggiore che in acqua dolce essendo più densa a causa degli elementi e soprattutto del sale in essa disciolto.
Pressione idrostatica
Pressione idrostatica
Come definita da Pascal, che ricreando l'esperimento di Torricelli, mettendo dell'acqua in un recipiente forato e spingendola verso il basso, vide che l'acqua usciva con stessa intensità e velocità.
Come definita da Pascal, che ricreando l'esperimento di Torricelli, mettendo dell'acqua in un recipiente forato e spingendola verso il basso, vide che l'acqua usciva con stessa intensità e velocità.
La pressione idrostatica è la forza esercitata da un fluido in quiete sull'unità di superficie con cui è a contatto normalmente a essa. Il valore di questa pressione dipende esclusivamente dalla densità del fluido e dall'affondamento del punto considerato dal pelo libero o, in linea più generale, dal piano dei carichi idrostatici (secondo la legge di Stevino). Esso dunque è indipendente dalla massa sottostante il punto considerato.
La pressione idrostatica è la forza esercitata da un fluido in quiete sull'unità di superficie con cui è a contatto normalmente a essa. Il valore di questa pressione dipende esclusivamente dalla densità del fluido e dall'affondamento del punto considerato dal pelo libero o, in linea più generale, dal piano dei carichi idrostatici (secondo la legge di Stevino). Esso dunque è indipendente dalla massa sottostante il punto considerato.
Il principio di Pascal o legge di Pascal è una legge della meccanica dei fluidi che stabilisce che, quando avviene un aumento della pressione in un punto di un fluido confinato, tale aumento viene trasmesso anche ad ogni punto del fluido all'interno del contenitore[1] con la stessa intensità ma in direzione sempre perpendicolare alla parete del contenitore sulla quale il fluido esercita la pressione. Tale legge è stata scoperta dal fisico e matematico francese Blaise Pascal nel famoso esperimento della botte del 1646 ed enunciata nel trattato del 1653 Sur l'equilibre des liqueurs.
Una formulazione più semplice del Principio è la seguente:
Qualsiasi pressione esterna applicata su di una superfice di acqua o altro liquido si trasmette ugualmente in tutte le direzioni attraverso il liquido
Qualsiasi pressione esterna applicata su di una superfice di acqua o altro liquido si trasmette ugualmente in tutte le direzioni attraverso il liquido
(Incomprimibilità dei liquidi)
Supponiamo di applicare una forza esterna al liquido, e quindi di esercitare una pressione su di esso; possiamo notare che la pressione si trasmette all’interno del liquido.
Questo fatto può essere evidenziato, ad esempio, considerando una bottiglia di plastica piena d’acqua; se la bottiglia è senza tappo ed esercitiamo una pressione su di essa, stringendola in basso, notiamo che l’acqua fuoriesce dalla bottiglia.
Consideriamo un recipiente di plastica contenente dell’acqua; questo recipiente presenta, sulla sua superficie, dei piccolissimi fori, talmente piccoli che l’acqua non è in grado di fuoriuscirne con la pressione che essa esercita dovuta solamente alla forza-peso.
Ipotizziamo di esercitare una forza esterna spingendo un pistone sull’imboccatura del recipiente; la pressione che si viene a creare fa si che l’acqua riesca a fuoriuscire dai buchi.
In particolare, notiamo che l’acqua zampilla allo stesso modo da ogni buco; ciò dimostra che la pressione che stiamo esercitando si distribuisce in maniera uniforme su tutto il liquido nel recipiente.
La pressione si distribuisce uniformemente nel liquido all’interno del recipiente.
Come abbiamo visto, per la legge di Stevino la pressione esercitata da un liquido in un recipiente aumenta con l’aumentare della profondità del liquido stesso.
Per la legge di Pascal, inoltre, la pressione di diffonde su tutte le pareti del recipiente; esse, infatti, risultano sottoposte a delle forze interne perpendicolari alla loro superficie. Tali forze, quindi, risulteranno sempre più intense mano a mano che ci avviciniamo al fondo del contenitore, dove è esercitata la massima pressione.
Questo spiega come mai nei laghi artificiali lo spessore delle dighe in prossimità del fondale è sempre maggiore dello spessore che si ha vicino alla superficie dell’acqua.
Il bar è un'unità di misura della pressione nel sistema CGS. Corrisponde a una megabaria, ovvero 106 dine/cm². Il nome deriva dalla parola greca βαρύς ("pesante"). La pressione di un bar corrisponde approssimativamente alla pressione atmosferica terrestre al livello del mare. Non è un'unità di misura del Sistema internazionale di unità di misura, tuttavia il suo uso è tollerato purché nei documenti in cui si usa si riporti anche il valore in unità SI. L'unità di misura SI della pressione è il pascal, simbolo Pa.
Si utilizza anche il Barg (dall'inglese bar gauge) o Barm (italiano bar manometrico) che rappresenta ciò che leggiamo sullo strumento di misura (manometro). Ad esempio, se la pressione atmosferica fosse pari a 1 bar, ove c'è la pressione di 3 barg la pressione assoluta sarebbe di 4 bar.
La pressione atmosferica normale sul livello del mare è pari a:
1 atm = 1,01325 bar = 1013,25 mbar(milliBar) = 1013,25 hPa(ettoPascal) = 760 torr = 760 mmHg(millimetri di mercurio)=14,70 Psi (libbre su pollice quadrato)
quindi:
1 bar = 0,9869 atm
in subacquea al livello del mare si approssima
in subacquea al livello del mare si approssima
1bar = 1Atm
1bar = 1Atm
La legge di Stevino afferma che la pressione esercitata da una colonna di fluido con densità costante P in un suo punto di profondità h (distanza dal pelo libero del fluido, ossia la superficie del liquido che è a contatto con l'aria dell'ambiente esterno, si incrementa in modo direttamente proporzionale alla profondità X e al campo medio , che nel caso della Terra è il valore medio del campo gravitazionale terrestre g≈9,8 m/s²
Nel caso dell'acqua basta scendere ad una profondità di 10 metri per aumentare la pressione (2 atm), scendendo di altri 10,33 metri si arriva a 3 atmosfere e così via, ogni 10,33 metri di profondità di acqua la pressione aumenta di un'atmosfera; la legge di Stevino afferma quindi che la pressione aumenta linearmente con la profondità, infatti fissando un sistema di riferimento al pelo libero, orientato in modo concorde all'accelerazione di gravità si ha la legge: P=PS*z; dove PS è il peso specifico [N/m^3] (g*densità) e z è la distanza dal pelo libero.
1Bar ogni 10mt di profondità
1Bar ogni 10mt di profondità
In aria il cambiamento di pressione in altitudine non è lineare quindi il cambiamento è maggiore tra i 300mt e i 600mt di quanto lo sia tra i 3000mt ei 3300mt.(essendo una miscela di gas è più compressa sul livello del mare e più rarefatta man male che si sale).
A spanne si calcola togliendo 0.035 BAR ogni 300mt di altitudine oppure 0.1BAR ogni 1000mt
A spanne si calcola togliendo 0.035 BAR ogni 300mt di altitudine oppure 0.1BAR ogni 1000mt
Leggi dei Gas perfetti
Leggi dei Gas perfetti
Il comportamento di un gas perfetto è completamente definito da tre variabili indipendenti, dette variabili di stato, che sono la pressione (simbolo p) che il gas esercita sul recipiente, il volume (simbolo V) occupato dal gas e la temperatura (simbolo T, misurata in kelvin). Le relazioni tra le variabili di stato, dette leggi dei gas, definiscono completamente il comportamento di un gas in tutte le situazioni fisiche. Mantenendo costante una delle tre grandezze, e variando le altre due, si ottengono le tre leggi empiriche dei gas perfetti, ricavate sperimentalmente prima del XVIII secolo.
Una trasformazione che avviene in un gas mantenendo costante la sua temperatura, e facendo variare pressione e volume, si dice trasformazione isoterma; una trasformazione a pressione costante si dice isobara, mentre una trasformazione a volume costante si dice isocora.
La legge di Boyle, enunciata nel 1662 dal chimico irlandese R. Boyle (1627-1691), stabilisce che:
A temperatura costante il volume di un gas è inversamente proporzionale alla sua pressione
A temperatura costante il volume di un gas è inversamente proporzionale alla sua pressione
P x V = K (costante) oppure P x V = P° x V°
Esempio:
2Bar x 8Lt =16 , 4Bar x 4Lt =16 , 8Bar x 2Lt =16
Per quanto riguarda la subacquea quella che ci interessa particolarmente è la legge di Boyle-Mariotte che può avere effetti letali sopratutto in fase di risalita.
Per quanto riguarda la subacquea quella che ci interessa particolarmente è la legge di Boyle-Mariotte che può avere effetti letali sopratutto in fase di risalita.
Con il gruppo ARA respiriamo aria alla pressione ambiente nella profondità in cui siamo, quindi è importantissimo non trattenere mai il respiro soprattutto in fase di risalita.
Per esempio a 10 mt respiriamo aria a 2bar quindi in un respiro inaleremo la stessa quantità di aria che in superfice ma con una densità doppia poichè il volume si è dimezzato.infatti abbiamo la sensazione di respirare aria più fresca in effetti arricchita delle pressi0ni parziali di Ossigeno (0.42) e di Azoto(1.56)
Trattenendo il respiro da 10 mt alla superfice ,il volume dell'aria nei nostri polmoni si espanderà del doppio , quindi in caso di pallonata o risalita veloce è necessario espirare il più possibile per evitare danni seri.
La maggiore espansione di volume dell'aria in risalita avviene proprio da 10 mt di profondità alla superficie dove il volume di aria raddoppia.
La legge di Charles, formulata nel 1787 dal fisico francese J. Charles (1746-1823), dice che
A pressione costante il volume di un gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura
A pressione costante il volume di un gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura
V=T * K (costante) oppure V : T = V° : T°
Esempio: 4=8x0.5 ,8=16x0.5 ,16=32x0.5
La legge di Gay-Lussac , formulata nel 1801 dal chimico e fisico francese J. Gay-Lussac (1778-1850), stabilisce che:
A volume costante la pressione di un gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura
A volume costante la pressione di un gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura
P=T * K (costante) oppure P : T = P° : T°
Nota: per i calcoli si usano i gradi Kelvin che si ottengono aggiungendo 273.15 ai gradi centigradi
Es.approssimato:
200 bar : 20° = x : 30°
200 X 303,15K (30°+273.15K)/ 293.15K (20°+273,15)
x= 206,8 bar
Dall'esempio viene fuori che una bombola di aria caricata a 20° a 200Bar sottoposta ad una temperatura di 30° avra' un aumento di pressione di 6,8Bar(206,8)
La legge di Gay-Lussac (chiamata erroneamente di Charles) interessa la pressione all'interno delle bombole a temperature diverse ecco perchè spesso le bombole vengono ricaricate immerse nell'acqua o perchè entrati in acqua a temperature molto calde la pressione scende subito di diversi Bar.
A spanne
A spanne
La pressione varia di circa 0.7 Bar per ogni grado centigrado
La pressione varia di circa 0.7 Bar per ogni grado centigrado
oppure
ogni 3 gradi varia dell' 1% della pressione iniziale
ogni 3 gradi varia dell' 1% della pressione iniziale
La legge di Dalton
La legge di Dalton
delle pressioni parziali
delle pressioni parziali
La legge di Dalton afferma che:
P tot = P1+P2+P3+.....+Pn
Esempio: L'aria che respiriamo a 1 Atm o Bar è composta dal 78% di Azoto , 21% di Ossigeno e 1% di altri gas quindi possiamo affermare che le pressioni parziali dei singoli gas sono 0.78 Bar di Azoto , 0.21 Bar di Ossigeno e 0.01 Bar di altri Gas.
1Bar = 0.78 N + 0.21 O + 0.01 X
2Bar = 1.56 N + 0.42 O + 0.02 X
3Bar = 2.34 N + 0.63 O + 0.03 X
4Bar = 3.12 N + 0.84 O + 0.04 X
Per la subacquea ricreativa quindi NoDeco (stando nei tempi limiti per evitare soste di decompressione) il limite dell'Azoto respirando aria normale è a circa 5 atm (ATA - assoluti) o 4 Bar manometrici (quelli che leggi sul manometro) quindi si attesta sui 40-42 mt
Il limite di Azoto è quello che determina tutte le tabelle di decompressione compresi gli algoritmi dei computer subacquei in quanto riguarda direttamente la saturazione tissutale del nostro organismo (che non utilizza azoto , al contrario dell'ossigeno che viene bruciato)
Da notare che l'Ossigeno diventa tossico con effetti gravi a pressioni parziali di 1.4 /1.6 quindi da circa 6.7 bar assoluti cioè da circa 57mt(1.4ppO) a 66mt(1.6ppO) di profondità
Da notare che l'Ossigeno diventa tossico con effetti gravi a pressioni parziali di 1.4 /1.6 quindi da circa 6.7 bar assoluti cioè da circa 57mt(1.4ppO) a 66mt(1.6ppO) di profondità
Nota sulle miscele Nitrox :
Adottando bombole EANx (Nitrox ossia miscele iper ossigenate) questi limiti vengono alterati in quanto variano le pressioni parziali di Ossigeno e Azoto.
Le varie miscele Nitrox vengono comunemente indicate con la sigla EAN (Enriched Air Nitrox, cioè "aria arricchita nitrox") seguita da un numero. Questo numero rappresenta la percentuale di ossigeno presente nella miscela.
Le miscele standard sono: EAN32 (32% di ossigeno, il resto azoto) e EAN36 (36% O2)
% Ossigeno Massima profondità con Pressione parziale di O2 di 1,4 bar
21% 56 m
27% 41m
32% 33m
36% 28m
40% 25m
50% 18m
Puo' essere usato anche Ossigeno puro (100%) in fase di decompressione entro un limite di 5mt
100% 5m
Vantaggi:
A parità di tempo di fondo si ha un incremento della sicurezza, in quanto la minore percentuale di azoto aumenta il margine di sicurezza riducendo il rischio di malattia da decompressione.
Permette di dilatare i tempi di fondo pur rimanendo in curva di sicurezza
Può essere usata per ridurre la durata delle tappe di decompressione o per aumentare la sicurezza di un'immersione in decompressione, dato che l'alta percentuale di ossigeno aiuta a rimuovere più rapidamente l'azoto accumulato nei tessuti.
Svantaggi:
Tutti quelli legati alla tossicità dell'Ossigeno
La legge di Henry
La legge di Henry
La legge di Henry, formulata da William Henry nel 1803, regola la solubilità dei gas in un liquido. In particolare essa sostiene che:
La legge di Henry dice che a temperatura costante, la solubilità di un gas è direttamente proporzionale alla pressione che il gas esercita sulla soluzione. Raggiunto l'equilibrio, il liquido si definisce saturo di quel gas a quella pressione. Tale stato di equilibrio permane fino a quando la pressione esterna del gas resterà inalterata, altrimenti, se essa aumenta, altro gas entrerà in soluzione; se diminuisce, il liquido si troverà in una situazione di sovrasaturazione ed il gas si libererà tornando all'esterno fino a quando le pressioni saranno nuovamente equilibrate.
La velocità, con cui un gas entra in soluzione o si libera, varia in funzione della differenza delle pressioni (esterna e interna) ed è condizionata dalla sua composizione molecolare e dalla natura del liquido solvente.
Il fenomeno di decompressione, se avviene velocemente (a causa di una repentina diminuzione della pressione esterna del gas), si dice tumultuosa perché provoca la formazione di numerosissime bolle, così come succede quando stappiamo una birra o uno spumante.
Un aspetto fondamentale sta nel fatto che ogni gas, così come specificato nell'argomento relativo alla legge delle pressioni parziali, entra in soluzione o si libera indipendentemente da ciò che fanno gli altri gas presenti.
Questa è la legge base su cui sono formulate tutte le tabelle di decompressione e la velocità di risalita (non più di 10mt/min per diminuire a 5mt/min negli ultimi 10mt) e riguarda principalmente lo scambio tra gas (aria) e sangue che avviene negli alveoli dei polmoni del corpo umano.
Una risalita veloce non permette questo scambio e l'azoto formerà delle bolle che potrebbero intasare la circolazione in vari punti del corpo -MDD o EGA (vedere sezione di pronto soccorso) proprio come una bibita gasata aperta velocemente.
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