La fisica per i subacquei – forza e densità

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livello elementare
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ARGOMENTO: SUBACQUEA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: Forza, densità

Non hai veramente capito qualcosa finché non sei in grado di spiegarla a tua nonna – Albert Einstein

nelle immersioni affidatevi sempre ad istruttori capaci ed esperti che vi accompagneranno per mano in un mondo straordinario … non smettete mai di studiare ed approfondire le nozioni che apprenderete … la subacquea è una educazione continua che non finisce mai 🙂 Buone bolle a tutti –  @ foto credit andrea mucedola

I subacquei devono sapere un pò di tutto. Conoscere delle basi elementari di fisica è particolarmente importante per comprendere molti aspetti dell’immersione, in particolare quelli legati alla sicurezza. Luca Cicali ci racconterà i punti fondamentali, che molti di voi dovrebbero conoscere dal primo corso Open Water Diver, ma come dicevano gli antichi repetita iuvant, ripetere le cose ci aiuta a capirle. Facciamoci accompagnare in questo viaggio nella fisica della subacquea da un grande esperto, Luca Cicali.

Pochi mattoni per costruire l’universo
La materia è tutto ciò che occupa uno spazio e ha una massa. Può essere costituita da singoli elementi, come ad esempio il l’azoto, l’alluminio, il cloro; oppure da composti di elementi, come ad esempio l’acqua o l’anidride carbonica. Elementi o composti hanno caratteristiche fisiche e chimiche proprie. La più piccola porzione di un elemento, come noto, è l’atomo. L’unità base di un composto è invece la molecola, ovvero la più piccola porzione di un composto. Così come le poche lettere dell’alfabeto sono sufficienti a costruire migliaia di parole, i 92 elementi esistenti in natura sono sufficienti, combinandosi insieme tramite legami chimici, per formare i più di quattro milioni di composti conosciuti. Elementi e composti formano tutte le sostanze che troviamo in natura.

Mescolando elementi e composti che non reagiscono chimicamente otteniamo invece miscele o miscugli più o meno omogenei. Una miscela è ad esempio l’aria, un tipico miscuglio è la sabbia di una spiaggia.

La Forza, la causa di tutto
Fu il grande fisico inglese Isaac Newton a descrivere per primo, con le sue famose leggi della dinamica, i risultati della azione di una forza.  Tali leggi  stabiliscono che applicando una forza ad un corpo esso subisce una variazione di velocità tanto maggiore quanto più piccola è la sua massa. 

National Library of Wales: Isaac Newton – fisico e matematico inglese (1642–1727) File:Portrait of Sir Isaac Newton (4670220).jpg – Wikimedia Commons

In altre parole, più un corpo è pesante (o meglio massivo) e maggiore è la forza che è necessario imprimergli per farlo accelerare. E’ un fenomeno intuitivo: se colpiamo una palla da tennis riusciamo a farla viaggiare a velocità molto maggiore che se colpiamo con la stessa forza una palla di piombo. La forza si misura in newton, (non a caso), e la massa in chilogrammi. Per dare subito un riferimento pratico, la spinta di galleggiamento di un jacket (GAV) si misura in newton … e non in chilogrammi.

Il peso, un capitolo inutile? Forse no
Sul peso sappiamo veramente tutto. Mi direte, che c’è da capire? Incominciamo subito con una comune credenza. Il peso si misura in chilogrammi? Essendo una forza, ovviamente NO.

Un diagramma del corpo libero per un blocco su un piano inclinato, che illustra la forza normale perpendicolare al piano (N), la forza di gravità verso il basso (Mg) e una forza F lungo la direzione del piano. Con un pò di fantasia immaginiamo che il blocco sia un subacqueo  che scende con un certo angolo. Se l’angolo θ è 90° il suo coseno sarà uguale a zero – opera derivata da Own work. Free body1.3.svg – Wikimedia Commons

Il peso si misura in newton proprio perché si tratta di una forza (la forza peso) ovvero la forza con la quale un corpo è attratto verso il centro della Terra. Per semplificarci la visione potremmo dire la forza che preme perpendicolarmente contro il pavimento. I chilogrammi (come le libbre, stone ed altre unità di misura) servono invece per misurare la massa, ovvero la quantità di materia di un corpo.  

La forza peso è quindi il prodotto della massa, misurata in Kg, per l’accelerazione di gravità, che sulla Terra è pari a circa 10 (9,81). Quindi un uomo che “pesa” 80 Kg, in realtà pesa circa 80 x 10 = 800 newton, mentre la sua sola massa è pari ad 80 Kg.  Facile no? Questo concetto è un tipico tranello della fisica, particolarmente insidioso perché ha a che fare con concetti apparentemente semplici e ben radicati fin dalla nascita.

Densità
Arriviamo ora alla densità ovvero al rapporto tra la massa ed il volume di un corpo. In pratica conoscere la densità ci da una misura della concentrazione della materia.  Se quindi prendiamo un qualunque campione di un materiale, misuriamo la sua massa e il suo volume, e dividiamo la prima per il secondo, otteniamo un valore costante, ovvero la densità di quel corpo. Liquidi e solidi hanno una densità costante al variare della pressione, essendo praticamente incomprimibili. Essa varia debolmente con la temperatura. I gas invece, essendo comprimibili, hanno una densità che dipende fortemente dalla pressione alla quale vengono portati nel recipiente chiuso che li contiene, come ad esempio le bombole.

E che cosa centra con la subacquea?
Vedremo come la densità dell’acqua ci costringa a modifiche delle nostre attrezzature più semplici, come la zavorra, oppure ci suggerisca scelte operative diverse quando ci immergeremo in zone con forti variazioni di densità (come nelle risorgenze e negli estuari di fiumi). E’ il caso del subacqueo che a parità di condizioni di peso (in zavorra) in acqua dolce tende a scendere verso il basso mentre in mare a galleggiare. Questo fattore vedremo che non è trascurabile in quanto un’eccessiva pesata aumenta il consumo di aria da parte del subacqueo (e quindi riduce la sua autonomia sott’acqua). Ecco perché conoscere la densità dell’acqua ed i suoi effetti è così importante.

Energia, un patrimonio da spendere
Quando l’azione di una forza riesce a modificare la velocità di un corpo, si dice che quella forza compie un lavoro, e la capacità di compiere un lavoro è ciò che chiamiamo energia. L’energia è perfettamente misurabile ma pur sempre astratta, virtuale. Essa infatti si “rivela” soltanto quando può trasformarsi in lavoro.  

In sostanza  l’energia di un sistema è una specie di patrimonio spendibile in varie forme, un pò come il denaro che si trasforma in un bene soltanto nel momento dell’acquisto.   L’energia può trasformarsi in varie forme pur conservandosi sempre, essa non può essere né creata né distrutta. Ma in ogni trasformazione di energia c’è un costo da pagare; ad esempio la dispersione di parte di essa sotto forma di calore che è a sua volta una forma di energia. Tantissime sono le forme di energia: termica, luminosa, elettromagnetica, chimica, meccanica, potenziale, cinetica, nucleare, e così via. I subacquei ne hanno spesso a che fare senza pensarci.

Il ballo di San Vito di atomi e molecole
La temperatura è un concetto a noi così familiare che sembra persino una perdita di tempo cercare di darne una definizione rigorosa.  Ma siamo sicuri di saperne dare una definizione tecnicamente corretta? 

La temperatura è la misura della energia cinetica (legata cioè al movimento) media degli atomi e molecole di un corpo, ovvero la quantità di energia immagazzinata in quel corpo sotto forma di agitazione degli atomi e molecole che lo compongono.  

Da questa definizione apprendiamo che atomi e molecole di un corpo letteralmente “non stanno mai fermi”, anche se la mobilità di cui godono è ben maggiore nel caso dei gas rispetto a liquidi e solidi. L’acqua ha una resistenza al cambiamento di temperatura più di quattro volte maggiore di quella dell’aria. Ecco perché in una bella giornata di sole, in primavera, basta qualche ora per riscaldare l’aria, mentre l’acqua del mare resta gelida.  Ma anche restare immersi in acqua fredda è una esperienza molto più sgradevole che essere immersi in aria fredda.

Perché?
Perché l’acqua è capace di trasmettere il calore con una velocità 23 volte maggiore di quella dell’aria. Pertanto un subacqueo immerso in acqua, (normalmente più fredda di lui), subisce una sottrazione di calore molto più rapida che se fosse immerso in aria, alla stessa temperatura.

da Link

Ecco perché conviene sempre indossare una muta adeguata alla temperatura dell’acqua. Nel caso della muta stagna, non entrando acqua (almeno si spera) l’aria da noi inserita forma una fluido tra i nostri sottomuta e la muta stessa … essendo aria ci metterà di più a raffreddarsi e potremo godere di una endurance maggiore anche a temperature molte basse. Nella figura vediamo un suggerimento per la vestizione con mute umide, che è comunque un fattore soggettivo.

Luca Cicali

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Luca Cicali

ingegnere elettronico e manager d’azienda, è un grande appassionato di subacquea ma non è un professionista del settore. E’ autore di Oltre la curva, un testo di subacquea diventato in breve un best seller per tutti gli appassionati.