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Nel precedente articolo abbiamo visto quali sono i principali gas respiratori.
La profondità non è un semplice valore sul computer da polso: è un ambiente in cui la fisica cambia immediatamente le regole del gioco. Pressione, volume e comportamento dei gas si trasformano a ogni metro, modificando come ossigeno, anidride carbonica e azoto interagiscono con il nostro corpo.
La difficoltà — e la bellezza — dell’apnea è proprio qui: non si può improvvisare. Ogni variazione fisica ha un riflesso fisiologico, ogni sensazione è un segnale, ogni limite un confine da conoscere. Le contrazioni, la lucidità che sembra intatta sul fondo, la calma o la perdita di controllo durante la risalita: sono tutte risposte del corpo alla fisica dei gas.
In questo articolo esploriamo l’apnea dal punto di vista della fisica: le leggi che governano i gas e la loro risposta alla pressione. Qui descriviamo solo la parte fisica; nei prossimi articoli vedremo come questi cambiamenti si intrecciano con gli adattamenti fisiologici e le sensazioni durante l’immersione.
Sarà un viaggio che ci guiderà attraverso le pressioni parziali, le leggi che regolano il comportamento dei gas e alcuni dei meccanismi fisiologici che rendono possibile affrontare la profondità in sicurezza.
Elenco dei contenuti:
Il principio di Archimede: la chiave dell’assetto
Prima ancora di parlare di gas, è necessario comprendere ciò che determina il nostro movimento verticale: la galleggiabilità. Il Principio di Archimede afferma che un corpo immerso in un fluido riceve una spinta verso l’alto pari al peso del fluido spostato.
In apnea, questo significa che la tua galleggiabilità dipende direttamente dal volume d’acqua che il tuo corpo (e la muta) sposta.
- In superficie: Se sposti molto volume (polmoni pieni), la spinta è forte e sei positivo (galleggi).
- In profondità: A causa della Legge di Boyle, che vedremo tra poco, il volume dei tuoi polmoni e della muta si comprime drasticamente. Poiché sposti meno volume d’acqua, la spinta di Archimede diminuisce e diventi negativo.
È l’interazione tra Boyle (che riduce il volume) e Archimede (che riduce la spinta) che permette all’apneista di raggiungere l’assetto neutro e poi la caduta libera (freefall).
Per questo la scelta del peso (tramite i piombi), della muta e della respirazione pre-immersione determina la quota di assetto neutro.
Fisica nell’apnea: pressione e solubilità dei gas
Sott’acqua nulla si comporta come in superficie. Il corpo, l’aria nei polmoni, la densità dei gas: tutto viene ridisegnato dalla pressione. Per questo, le leggi fisiche che descrivono i gas non sono semplice teoria: sono strumenti indispensabili per capire cosa accade durante un’immersione in apnea. Partiamo dal concetto di pressione.
La pressione è una forza che preme su una superficie.
In parole molto semplici, immagina di spingere con il dito su un palloncino: la forza del dito sul palloncino crea una pressione. Più forte spingi, maggiore sarà la pressione applicata sul palloncino. La pressione si misura in unità chiamate Pascal (Pa), ma anche in bar o atmosfere (atm).
Nel contesto dell’apnea la pressione è importante perché sott’acqua cresce man mano che si scende in profondità: ogni 10 metri la pressione aumenta di 1 atmosfera. Questo significa che il corpo e i polmoni dell’apneista subiscono questa forza che comprime l’aria che è dentro di loro, riducendone il volume secondo una legge fisica chiamata legge di Boyle. Per questo motivo, è fondamentale capire come la pressione agisce sul corpo per immergersi in sicurezza e con consapevolezza.
Di seguito analizziamo le tre leggi fondamentali che influenzano ogni fase dell’immersione (discesa, fondo e risalita) sono:
- Legge di Boyle: come cambia il volume dei gas.
- Legge di Dalton: come cambiano le pressioni parziali.
- Legge di Henry: come i gas si dissolvono nei liquidi del corpo.
Legge di Boyle: la pressione sale, il volume d’aria cala
La Legge di Boyle (o Legge di Boyle-Mariotte) descrive la relazione tra la pressione e il volume di un gas a temperatura costante. Essa afferma che:
P · V = k
Dove:
P = Pressione del gas
V = Volume del gas
k = Costante (se temperatura e quantità di gas sono fisse)
In parole semplici:
Se la temperatura non cambia, la pressione e il volume di un gas sono inversamente proporzionali. Questo significa che:
- se la pressione diminuisce → il volume aumenta.
- se la pressione aumenta → il volume diminuisce.
Immagina una siringa: se tappi l’apertura e spingi lo stantuffo, il volume dell’aria all’interno diminuisce e la pressione al suo interno aumenta. Sott’acqua, è la colonna d’acqua sopra di te a fare questo lavoro.
Come apneista, senti la Legge di Boyle sulla tua pelle (e nei tuoi polmoni) ad ogni immersione. Questa legge è la ragione per cui senti le orecchie “chiudersi” e perché i tuoi polmoni si comprimono man mano che scendi. Comprendere questa relazione fondamentale tra pressione e volume è cruciale per la tua sicurezza e per ottimizzare le tue performance.
Le conseguenze della Legge di Boyle sono le più evidenti e immediate per chi pratica l’apnea.
Scopri nel prossimo articolo cosa accade al corpo quando la pressione riduce i nostri volumi d’aria.
La Legge di Dalton: Il gioco delle pressioni parziali
La pressione totale di una miscela di gas è la somma delle pressioni parziali dei singoli componenti. Nella nostra miscela respiratoria naturale — l’aria — i gas interessati sono essenzialmente tre: ossigeno (O₂), azoto (N₂) e anidride carbonica (CO₂):
Ptot = pO2 + pN2 + pCO2
Dove:
Ptot = Pressione totale (Ambiente)
px = Pressione Parziale del singolo gas (es. O2 o N2 etc.)
Questa legge, apparentemente astratta, è in realtà quella che più di tutte influenza le sensazioni dell’apneista durante la discesa, il fondo e soprattutto la risalita.
Ricordi la composizione dell’aria: il cocktail di gas? In superficie, questo cocktail è composto dal 21% di Ossigeno (la parte “buona”) e dal 78% di Azoto (la parte inerte). Il nostro corpo non legge la “percentuale” (21%), ma conta quante molecole di ossigeno sbattono contro i nostri “sensori”, dei particolari tipi di recettori presenti nelle nostre carotidi. Questa è la Pressione Parziale (p).
La metafora del caffè:
- In superficie (1 atm): Il tuo respiro è un caffè normale. Ha una certa quantità di caffeina (ossigeno). Adesso mi immergo con questo “caffè” in corpo.
- A 10 metri (2 atm): La pressione raddoppia. Anche se hai sempre “una sola riserva d’aria”, le molecole sono schiacciate e quindi “concentrate”. È come se quel caffè fosse diventato un doppio espresso. La tazzina è la stessa, ma la “botta” di caffeina (ossigeno) rilevata dai nostri “sensori” è doppia.
- A 30 metri (4 atm): Quel singolo respiro è diventato un quadruplo espresso.
Questa sovra-pressione di ossigeno rilevata dal nostro corpo è temporanea, finta e crea l’illusione di abbondanza.
| Profondità | Pressione totale | Pressione parziale ossigeno (pO₂) |
|---|---|---|
| 0 m | 1 atm | 0,21 atm |
| 10 m | 2 atm | 0,42 atm |
| 20 m | 3 atm | 0,63 atm |
Cosa significa per l’apneista:
Ecco perché sul fondo, anche dopo minuti di apnea, ti senti bene: la pressione sta “spingendo” l’ossigeno sui tuoi “sensori” con una forza 3 o 4 volte superiore al normale. È un’illusione di benessere data dalla fisica.
- Discesa: la pressione parziale dell’Ossigeno rilevata nel tuo sangue è alta (a causa dell’aumento della profondità), ma in realtà la stai consumando.
- Risalita (la trappola): Mentre risali, la pressione ambiente scende e conseguentemente anche la pressione parziale dell’ossigeno.
Attendi le prossime uscite per capire a quali conseguenze può portare questo comportamento delle pressioni parziali.
La Legge di Henry: la fisica della solubilità
Spesso confusa con altri meccanismi, la Legge di Henry spiega il comportamento dei gas quando sono sottoposti a pressione a contatto con i liquidi (il nostro sangue ad esempio).
In termini scientifici, la legge afferma che a temperatura costante, la quantità di gas disciolto in un liquido è direttamente proporzionale alla pressione parziale che il gas esercita sul liquido stesso.
C = k · P
Dove:
C = Concentrazione del gas nel liquido (sangue/tessuti)
k = Costante di solubilità
P = Pressione parziale del gas
Cosa significa in pratica?
Immagina il tuo corpo come una spugna intrisa di gas e di liquidi. In superficie (1 atm), c’è un equilibrio. Quando scendi, la pressione aumenta di 1 atm ogni 10 metri. Questa pressione “forza” fisicamente le molecole di gas (Azoto e Ossigeno) a passare dallo stato gassoso allo stato liquido (disciolti nel sangue) e successivamente accumulandosi soprattutto nei tessuti. In apnea l’azoto ha un ruolo limitato comunque, NON si accumula come nella subacquea con autorespiratore.
La legge di Henry ci permette di comprendere, durante l’apnea, quale ruolo silenzioso e dannoso può comunque svolgere l’ospite più inatteso di tutti: l’Azoto.
Ma in definitiva, quali sono i principali rischi per noi?
Le leggi che regolano il comportamento dei gas spiegano molte delle sensazioni tipiche dell’apnea: benessere in profondità, contrazioni, rischio in risalita, dolore alle orecchie.
Scopri nei prossimi articoli perché conoscere questi processi fa la differenza.
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