Rhett Allain scrive su Wired dei principi fisici utili da conoscere se si fanno immersioni con le bombole — link alternativo.

Principio di Archimede

Il corpo umano è leggermente meno denso dell’acqua, in media, e quindi per il principio di Archimende tende a galleggiare. Per immergersi, naturalmente, questo è un problema (e semplicemente riempirsi le tasche di sassi è una soluzione poco flessibile).

Allain sostiene che sia possibile controllare la propria portanza inspirando ed espirando:

You can actually change your volume underwater just by breathing. Inhaling from a scuba regulator will make your lungs expand, which increases your volume and your buoyancy. Exhaling does the opposite.

Ma alla fine si copiano i pesci con la vescicola natatoria. All’esterno, per i subacquei:

Scuba divers also wear an exterior device to change their volume. It’s basically an inflatable bag that you wear on your back called (not surprisingly) a buoyancy control device. It connects to a scuba tank so that you can add or remove air to change your buoyancy.

Conduzione termica

L’acqua conduce il calore molto meglio dell’aria e, quindi, anche se la temperature dell’acqua sarebbe confortevole in aria, bisogna prendere precauzioni per non andare in ipotermia:

In fact, you can lose energy so fast that it’s very possible to decrease your core body temperature, which can cause problems like loss of muscle function and even respiratory and heart failure.
The most common solution to this water problem is to wear a wetsuit, which is usually made of a material like neoprene with a very low thermal conductivity.

Ci sono anche delle tute a tenuta stagna, che però comportano altri problemi al cambiare della pressione dell’acqua (vanno gonfiate e sgonfiate).

Vedere sott’acqua

L’occhio umano si è evoluto per funzionare in aria e usa sia la cornea che il cristallino per mettere a fuoco le immagini sulla retina –il cristallino è collegato a dei muscoli che ne modificano la forma e quindi la lunghezza focale, mentre la cornea è fissa.

Se la cornea è a diretto contatto con l’acqua, l’occhio non riesce a mettere a fuoco sulla retina; utilizzando una maschera, invece, gli occhi rimangono in una bolla d’aria e quindi funzionano:

When you put on a mask, you once again have air in front of your eyes, which allows your lens to bend the light the proper amount. But light is still traveling through the water at a slower speed than it does through air. When light goes from one medium (like water) into another medium (like air), the light’s path bends. We call this refraction, and it can make things underwater appear closer than they actually are.

Un altro problema della visione subacquea è la percezione del colore e l’illuminazione delle cose che si vogliono osservare: l’acqua assorbe le frequenze dello spettro visibile più basse e, da circa 300 metri di profondità in poi, la luce solare è stata tutta assorbita.

But you can fix this problem with a simple trick: Bring a flashlight. The light from your flashlight doesn’t have to travel as far as light from the surface before it reflects off that pretty fish, so you can still see the red parts.

Pressioni parziali dei gas, solubilità e fisiologia delle immersioni

Le bombole da immersione contengono una miscela di gas (solitamente aria: 21% di ossigeno e 79% di azoto, i gas in tracce non hanno effetti rilevanti) ad alta pressione, in modo tale da evitare di immergersi con uno Zeppelin attaccato alla schiena, che viene rilasciata alla pressione corretta dal regolatore. Quest’ultimo dispone di un sistema per rilevare la pressione ambientale e regolare quella del rilascio dell’aria di conseguenza, come descritto in questo articolo di Simon Mitchell per Divers Alert Network:

The regulator reduces the high-pressure air in the cylinder to ambient pressure and supplies air on demand. Thus, at a depth of 100 feet [30 metri in linguaggio umano, NdR], where the absolute pressure is 4 atmospheres, the regulator supplies air at 4 atmospheres, and the air is four times as dense as air at sea level (1 atmosphere). The ambient pressure is measured by the regulator’s second stage (attached to the mouthpiece)

Allain di Wired sostiene che, raggiunta una pressione parziale dell’ossigeno di 1.6 atmosfere, c’è il rischio di avere delle convulsioni. Mitchell entra più nel dettaglio: a pressioni (totali e parziali) di circa un’atmosfera l’ossigeno nel sangue è trasportato in massima parte dall’emoglobina e non è dissolto nel plasma, mentre in situazioni iperbariche la quantità di ossigeno nel plasma diventa rilevante, fino a divenire sufficiente da sola a rifornire l’organismo:

At 3 atmospheres and breathing air, there is still only a relatively small amount of dissolved oxygen. Breathing 100 percent oxygen at 3 atmospheres, however, results in a dissolved fraction sufficient to meet the body’s needs at rest in the absence of Hb, hence the value of receiving hyperbaric oxygen in conditions in which oxygen delivery is compromised (such as anemia and carbon-monoxide poisoning).

Secondo Allein, dunque, la miscela di gas usata nelle bombole pone un limite alla profondità a cui si può scendere senza esporsi a rischi.

Famosamente, poi, anche l’azoto dissolto nel sangue gioca un ruolo importante: più aumenta la pressione, più (come abbiamo già visto sopra) il gas inerte diventa solubile nel sangue e, quindi, si dissolve nel sangue. Se la pressione diminuisce, la solubilità diminuisce e l’azoto “degassa”. Se la pressione scende troppo velocemente, come accade durante una riemersione troppo rapida, si creano delle bollicine nei tessuti o nel flusso sanguigno che possono bloccare i capillari –se succede nel cervello, ci sono scompensi cognitivi (temporanei). In inglese, i subacquei le chiamano the bends.

Un altro problema ancora, legato al respirare normale aria (quindi preponderantemente azoto) ad alte pressioni profondità considerevoli (30-90 metri) è la narcosi da gas inerte (in realtà non è un esclusiva dei subacquei, ma è un rischio che si presenta a chiunque lavori con gas inerti come i gas nobili più pesanti).

Secondo questo articolo di Kirkland, Matthew, Modi e Cooper, la narcosi da azoto è:

Nitrogen narcosis, also known as depth intoxication or rapture of the deep, is a change in consciousness and neuromuscular function caused by breathing compressed inert gas. Classically, this condition occurs in scuba divers that breathe compressed nitrogen, however, it can also occur when other inert gases, such as neon, argon, krypton, and xenon are inhaled.

Gli autori spiegano che, sebbene il meccanismo esatto che induce la narcosi sia ancora materia di dibattito, l’effetto è fisiologico e non chimico, dato che le molecole di azoto non si decompongono nell’organismo (non siamo cianobatteri, dopotutto):

Breathing compressed air while at atmospheric pressures greater than 1 ATM increases the partial pressures of nitrogen and oxygen, in the blood. The nitrogen atoms [l’azoto normalmente si trova in forma molecolare N2, con un triplo legame covalente; è una delle molecole più stabili dell’universo. NdR] inhaled in the compressed air while at pressure remain chemically unchanged in the blood, leading to the belief that there is a physical component to the involvement of nitrogen in causing narcosis. The effect of nitrogen on the body takes place in the central nervous system (CNS), but the exact site and mechanism are still debated.

Segue una spiegazione della “ipotesi di solubilità lipidica” e della sua generalizzazione. Più interessante è probabilmente la descrizione della rapture of the deep:

The symptoms seen in nitrogen narcosis begin first with effects of the higher function such as judgment, reasoning, short-term memory, and concentration. The diver may also experience a euphoric or stimulating feeling initially similar to mild alcohol intoxication. Further increases in the partial pressure of nitrogen in the blood from descending deeper lend to impairments in manual dexterity and further mental decline including idea fixation, hallucinations, and finally stupor and coma. Death can result from unconsciousness associated with severe narcosis or from severely impaired judgment leading to an accident of some form during the dive.

Comunque, se uno sopravvive alla propria mancanza di giudizio, tutti i sintomi sono reversibili e spariscono con la riemersione.

Cambiamenti nella respirazione

Con il crescere della pressione, spiega Mitchell di DAN, cambia anche la densità dell’aria e quidndi il numero di Reynolds che descrive il flusso d’aria nelle vie respiratorie: in teoria a pressione atmosferica potrebbe essere laminare, mentre in immersione si passa a regime turbolento. L’effetto comunque dovrebbe essere trascurabile:

According to Reynolds number predictions (a method of predicting flow), flow within the lungs and airways is largely laminar; this assumption, however, is likely to be invalid because of the vortices that occur in inspired air at each division of the bronchial tree. Indeed, it is likely that turbulent flow occurs widely in the large airways, particularly during rapid breathing when flow rates are much higher.

Questo effetto, combinato con il la pressione sulla cassa toracica esercitata dall’acqua (è dovuta alla differenza di profondità tra polmoni e regolatore) e sull’addome, che ha come conseguenza l’ingrossarsi dei capillari negli alveoli, rende la respirazione più faticosa.

I cambiamenti nella respirazione, inoltre, influiscono sulle prestazioni atletiche del corpo:

Underwater, even at the relatively modest depth of 100 feet commonly attained by sport divers, air density/airway resistance factors mediate a reduction in maximum voluntary ventilation to approximately half the surface value. This reduction in ventilatory capacity, the concomitant increase in the work and oxygen cost of breathing, the increase in underventilated and/or overperfused lung units and dead-space effects determine that underwater work may be ventilation-limited rather than perfusion-limited.

Effetti sull’apparato cardiocircolatorio

Durante l’immersione, per via della pressione e della temperatura dell’acqua, ci sono anche effetti sulla distribuzione del sangue, che migra verso il centro del corpo dalle estremità:

When a diver is immersed, the hemodynamic effect of gravity is abolished, and there is a consequent redistribution of peripheral blood into the central circulation. This effect is enhanced in cold water when peripheral vasoconstriction further promotes this redistribution.

Quest’aumento di volume del sangue nelle regioni centrali dell’apparato cardiocircolatorio attiva una pletora di sensori e alza la pressione arteriosa media. Gli effetti sono un’aumento della gittata cardiaca e tanta pipì:

This results in an increased permeability to water in renal distal tubule cells and, therefore, increased urinary loss of water. The net result is an undesirable tendency toward dehydration, which may be exacerbated by lack of adequate drinking water and/or seasickness.

Inoltre, la pressione dovuta all’immersione induce bradicardia (una condizione in cui si disegnano tanti cuoricini vicino ai bradipi) per via del cosiddetto “riflesso di immersione” dei mammiferi — evolutosi per lasciare più tempo ai colleghi di clade per tornare a galla, Mitchell sostiene che negli individui predisposti possa addirittura causare arresto cardiaco e annegamento.

Adesso che sapete quali sono gli effetti ed i rischi delle leggi fisiche sui subacquei, immergetevi con prudenza e salutate i pesciolini della barriera corallina.