ELEMENTI DI FISICA

Premessa

Nei paragrafi che seguono sono riportati i fondamenti di fisica che interessano colo-ro che hanno a che fare con l’acqua e gli individui che la frequentano a fini di balne-azione o immersione; poiché però lo scopo di questo corso non è quello di formare dei sommozzatori ma piuttosto quello di formare persone in grado di intervenire in caso di incidente subacqueo, tali principi sono stati esposti in modo volutamente e-lementare cercando di fissare maggiormente l'attenzione sugli aspetti che possono interessare un soccorritore. 1. Il principio di Archimede ed il galleggiamento.

Un corpo immerso in un liquido

riceve una spinta verticale dal basso verso l'alto

pari al peso del volume del liquido che sposta. L'applicazione di questo principio, che ci interessa direttamente è quella del galleggia-mento del corpo uma- no. Il volume del corpo umano non è costante: cambia in funzione del volume d'aria inspirato od espirato. Per il prin-cipio di Archimede allo- ra, inspirando si ha un aumento di galleggiabi- lità del corpo mentre in espirazione esso affon- da più o meno lenta-mente. La galleggiabilità oltre a dipendere dal volume del corpo dipende dal peso del liquido sposta-to e di conseguenza, dalla sua densità: ne segue che in mare la tendenza al galleggia-mento è maggiore che non in acqua dolce. Le mute isotermiche, normalmente indossate per protezione dal fred- do , per la loro partico-lare struttura aumenta- no il volume del liquido spostato e di conse- guenza, la galleggiabili-tà del corpo; per il ripri- stino del necessario as-setto neutro, i sommoz- zatori indossano apposi-te cinture di piombi: at- tenzione quindi in caso di ritrovamento di un subacqueo incosciente senza zavorra perché potremmo ipotizzare che se la perdita della cintura dei piombi è av-venuta ad una certa profondità, questa ab-bia causato una violenta risalita con il rischio di M.D.D. o E.G.A.

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2. L'esperienza di Torricelli e la pressione. Il globo terrestre è circondato da una fascia gassosa, detta atmosfera, dello spesso-re di circa 20 Km e che, pur essendo costituita nella quasi totalità da gas, ha un suo peso. Il peso di questa colonna d'aria che ci sovrasta e che grava costantemente sul no-stro corpo, fu determinato sperimentalmente da Torricelli, e viene convenzionalmen-te fissato ad un'atmosfera (1 Atm.) al livello del mare. Salendo in quota, la diminuzione in altezza della colonna d'aria che grava sul nostro corpo, produce conseguentemente una diminuzione della pressione cui siamo sotto-posti (misurata da un apposito strumento chiamato barometro). Similmente se ci immergiamo, la pressione cui siamo sottoposti aumenterà di un'at-mosfera per ogni 10 metri di profondità per effetto del peso della colonna d'acqua che ci sovrasta, ( in aggiunta, ovviamente, a quello della colonna d'aria che aveva-mo già quantificato in 1 Atm. !) Come si valuta allora la pressione totale cui siamo sottoposti ad una certa profondi-tà ? Niente di più semplice : basta dividere la profondità (espressa in metri) per 10, in modo da ottenere il peso della colonna d'acqua; dopodiché non dobbiamo fare altro che sommare il peso della colonna d'aria (1 Atm. ). Facciamo un esempio per fissare le idee : a 40 metri avremo una pressione pari a (40/10) 4 atmosfere relative (Atr) più 1 Atm ovvero saremo sottoposti ad una pressione totale di 5 atmosfere assolute (Ata.) E' intuitivo pensare ad uno strumento che, misuri la pressione dovuta a tale colonna d'acqua, e che indichi la profondità: tale strumento, detto profondimetro , registra anche la profondità massima d'immersione, indicazione molto importante per un medico che deve intervenire in caso di incidente subacqueo, è bene quindi che la strumentazione venga recuperata insieme all'infortunato.

3. La legge di Boyle e Mariotte

Se la temperatura è costante

il volume di una certa quantità di gas

è inversamente proporzionale alla pressione. La materia è costituita da tre stati: solido, liquido e gassoso. Lo stato solido e quello liquido non subiscono variazioni di volume. I gas invece, sono sensibili alle variazioni di pressione, temperatura e volume. In particolare Ciò implica che il volume aumenta se la pressione diminuisce e si ridu-ce nel caso opposto. Noto il volume occupato da un gas ad una certa pressione assoluta, come si valuta allora il volume occupato dallo stesso ad una diversa pressione assoluta? E' sufficiente calcolare di quante volte la pressione totale è aumentata (o diminuita), dopodiché la risposta è immediata: il volume è diminuito (o aumentato) lo stesso numero di volte. Facciamo un esempio numerico: se ad una profondità di 10 metri abbiamo un gas che occupa 3 litri, quanto volume occuperà ad una profondità di 50

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metri ? prima di tutto valutiamo le pressioni totali: se ci avete seguito nel paragrafo prece-dente sarete d'accordo con noi nell'affermare che a 10 metri abbiamo 2 atmosfere assolute mentre a 50 ne abbiamo 6; di conseguenza la pressione è diventata 3 volte più grande. Per quello che abbiamo detto allora il volume sarà 3 volte più piccolo e gli iniziali 3 litri occuperanno ora il volume di 1 solo litro. Consideriamo allora i nostri polmoni che contengono al livello del mare (1 Atm.) 5 litri d'aria (5 decimetri cubi), ed immaginiamo di scendere ad una profondità di 40 metri. Sappiamo che saremo soggetti ad una pressione totale di 5 atmosfere, per-tanto il volume d'aria inizialmente contenuto nei nostri polmoni occuperà un volume pari ad 1 litro (attenzione solo l'aria si è ridotta di volume, i nostri polmoni continuano ad avere una capacità di 5 decimetri cubi ! ) Quale sarà l' implicazione di questa legge ? Che a 40 metri avremo bisogno di una quantità d'aria 5 volte maggiore rispetto a quella che era sufficiente in superficie ; quindi si dovranno aggiungere altri 20 litri ai 5 che avevamo. Cosa succede se nella fase di risalita tratteniamo il respiro? Poiché la pressione dimi-nuisce il volume aumenta ed i 125 litri d'aria, che a 40 metri erano contenuti nei no-stri polmoni, tenderanno ad espandersi occupando un volume sempre più grande rispetto ai 5 decimetri cubici dei nostri polmoni: ciò provocherà una sovradistensio-ne polmonare.

4. La legge di Charles.

In un gas a volume costante

aumenti (o diminuzioni) di temperatura determinano

corrispondenti aumenti (o diminuzioni) di pressione. Nella legge di Boyle e Manotte non si sono volutamente considerate le variazioni di temperatura, che invece tratteremo in questo paragrafo: Se allora consideriamo il classico caso delle bombole lasciate al sole osserviamo che la pressione mostrata dal manometro è una fuorviante e pericolosa indicazione dell'effettiva disponibilità d'aria. 5. La legge di Dalton.

In una miscela di gas, come ad esempio l'aria,

la pressione totale è data dalla somma delle pressioni parziali

dei singoli gas che la costituiscono. L'aria è costituita da un miscuglio di gas che, per quanto ci riguarda, possiamo ra-gionevolmente considerare composta da 78% di azoto, 21 °% di ossigeno, 0.003% di anidride carbonica più altri gas presenti in misura minore. Tale suddivisione in percentuale ci interessa in quanto in condizioni normali la pressione parziale (indice della quantità) dell'azoto è pari al 78% di quella totale, la pressione parziale dell’os-

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sigeno è pari al 21% di quella totale e così via. In caso di alterazione di queste percentuali, ad esempio sotto sforzo o in situa-zioni di difficoltà respiratoria, andiamo incontro a tutta una serie di problemi di natu-ra fisiologica tipo l'ipossia, iperossia e l'ipercapnia.

6. La legge di Henry e le Tabelle d'immersione.

A temperatura costante,

la quantità di gas che si scioglie in un liquido

è direttamente proporzionale alla pressione

che il gas esercita sulla superficie del liquido

e dipende dalla natura del gas e del liquido in considerazione.

Gran parte della miscela gassosa che respiriamo è composta da azoto che, es-sendo un gas inerte, non partecipa a nessuno dei nostri processi vitali. E' quindi una zavorra che si accumula nei nostri tessuti . Infatti Senza entrare nel dettaglio, cerchiamo di capire quali sono le implicazioni che ci interessano: ri-prendiamo in considerazione l'esempio di un immersione a 40 metri durante la quale la quantità di azoto presente nel nostro organismo si è quintuplicata ( essendo au-menta di 5 volte la pressione totale, è chiaro !). Durante la risalita per il benessere del nostro organismo sarebbe indispensabi-le liberarcene con la stessa velocità con cui ci liberiamo dell'ossigeno. Questo non avviene perché, come ha scoperto Henry, l'assorbimento di azoto è proporzionale al tempo ed alla pressione (giusto per farvi un'idea sappiate che lo stesso assorbimen-to si ha sia se si permane a 15 metri per 2 ore, che a 30 metri per 30 minuti). Poiché il tempo totale di assorbimento (saturazione) e quello di totale espulsio-ne (desaturazione) dell'azoto in eccedenza sono uguali, ci si dovrà porre il problema di come uscire dall'immersione in tempi ragionevoli senza rischio. Studi accurati della Marina Militare Americana, hanno dimostrato innanzitutto l'importanza della velocità di risalita, la quale è bene che non superi i 10 metri al mi-nuto, ed in secondo luogo la necessità di opportune soste di decompressione a 3, 6 e 9 metri la cui durata è indicata da apposite tabelle di decompressione. E' impor-tante sottolineare che un sub che, per qualsiasi motivo, non rispetti le precise indi-cazioni di cui sopra, si espone a:

• Sovradistensione polmonare • Embolia gassosa arteriosa ( E.G.A. ) • Malattia da decompressione ( M.D.D. )

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7. Ottica, acustica e trasmissione del calore

Il corpo umano non è predisposto per vivere sott'acqua, infatti (oltre a non poter respirare) in quest'ambiente i nostri sensi non funzionano bene. VISIONE I nostri occhi non riescono a focalizzare gli oggetti, a valu-tare correttamente le distan-ze ed a percepire i colori. An-che usando la maschera o gli occhiale t t i da nuoto,assolutamente cointroindica-ti, questi ultimi, per immer-sioni superiori ai 3-5 metri, per l’impossibilità di compen-sare la pressione, con i con-seguenti danni del “colpo di ventosa”, ci troviamo comun-que a percepire gli oggetti come se fossero il 25% più vicini ed il 33% più grandi di quello che effettivamente sono. Attenti quindi alla va-lutazione della distanza di un eventuale pericolante da raggiungere in immersione. PERCEZIONE DEI COLORI E' necessario fare una piccola nota per quanto riguarda la scelta dei colori dell'abbi-gliamento da indossare nell'attività subacquea. Bisogna ricordarsi infatti che l'acqua assorbe la luce in modo selettivo : scendendo in profondità i primi colori che scom-

paiono sono il giallo ed il rosso, sarà quindi consigliabile l'utilizzazione di tinte fluorescenti. UDITO Anche il nostro udito risente dell'am-biente diverso. La percezione del suo-no è alterata favorevolmente per quanto riguarda l'intensità (che viene amplificata) e sfavorevolmente per quanto riguarda la sua provenienza ( in quanto, essendo maggiore la ve-locità di propagazione del suono, il nostro cervello non riesce a percepire la differenza in tempo fra gli istanti in cui l'onda sonora colpisce i timpani).

In acqua i suoni si propagano ad una velocità 4 volte superiore rispetto a quanto ac-cade nell’aria.

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DISPERSIONE DEL CALORE CORPOREO Altro problema che il nostro organismo deve affrontare in acqua, è quello del fred-do. L'acqua aumenta la dispersione del calore di ben 25 volte ed è quindi intuitivo il rapido raffreddamento del nostro corpo che andrà adeguatamente protetto per evi-tare i problemi legati all’istaurarsi del fenomeno dell’ipotermia.

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TEMPERATURA CORPOREA(interna) espressa in gradi C°

SINTOMI

37—35 Brividi

35—32 Brividi violenti. Se la persona è cosciente, manifesta difficoltà di parola

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Diminuiscono i brividi. Subentra rigidità muscolare con proble-mi di coordinazione (spasmi). Difficoltà di concentrazione e di comprensione. Possibile am-nesia, anche totale. Permane un contatto apparente con l’ambiente circostante.

29—27 Perdita di contatto con l’ambiente. Stato di sopore. Rigidità muscolare. Polso e respirazione lenti. Possibile aritmia cardia-ca

26 -- 20 Subentra lo stato di incoscienza. Cessano i riflessi agli stimoli. Il battito cardiaco è irregolare. Subentra la morte clinica.

CENNI DI ANATOMIA E FISIOLOGIA

PREMESSA

Questo manuale non intende sostituirsi alle attività che da tempo la Croce Ros-sa Italiana svolge, tramite i suoi servizi sanitari e i suoi operatori, professionali e vo-lontari, nel campo della preparazione ad affrontare le emergenze sanitarie che pos-sono verificarsi nei più diversi ambienti e nelle più varie situazioni. Sugli argomenti sanitari, quindi, ci si limita ad una riporposizione degli elementi di base di fisiologia e anatomia, necessari a comprendere alcuni dei fenomeni colle-gati alla balneazione ed all’immersione, in mare, in acqua dolce ed in bacini delimi-tati. La pelle La pelle è l'involu- cro che protegge il nostro corpo con il suo rivestimento di cellule e ci assicura lo sensibilità alle va-rie temperature. È formata da uno strato profondo, de-nominato derma, e da uno superficiale detto epidermide. La nutrizione e il ri-scaldamento della pelle avvengono a mezzo di piccoli va- si capillari la cui dila-tazione o costrizio- ne dipende dai nervi vasomotori. Il der- ma contiene ghian-dole secernenti so- stanze che fuoriesco-no attraverso l'epi- dermide. Queste so-no: le ghiandole sudorifere secer nen-ti il sudore, che hanno la funzione di raffreddare l'epi- dermide e di preser-varla dal calore, nonché quella di e-spellere dall'organi- smo i prodotti tossi-ci; le ghiandole se- bacee secernenti il sebo, che forma un rivestimento di grasso che protegge la pelle dalle intemperie e dalla maggioranza dei germi. La pelle è inoltre ricca di fibre nervose sensibili alla temperatura, alla trazione, alla pressione e alle vibrazioni. Questa sensibilità alla temperatura determina riflessi vasomotori che permettono l'a-dattamento istantaneo o progressivo alle differenti sollecitazioni che provengono dall'esterno, come quando si entra e si esce dall'acqua più volte di seguito. Il riflesso locale è il brivido con il sollevarsi dei peli, la cosiddetta "pelle d'oca"; il riflesso a di-stanza è quello che si dirige verso il cervello, che comanda una reazione secondaria generale. La pelle è altresì la sede delle reazioni allergiche all'acqua, all'aria, al sole, alle pun-ture degli insetti e alle spine delle piante. Attraverso la pelle si effettua la dispersione calorica per irradiazione, conduzione o

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convezione. In acqua la dispersione di calore si verifica per conduzione o per conve-zione, in quanto l'irradiazione è trascurabile. La conduzione avviene nel passaggio di calore dalla superficie del corpo all'acqua che lo lambisce ed è conseguenza della conduttività termica dell'acqua; tale raffred-damento è di 25 volte più intenso nell'acqua che nell'aria. Se poi il corpo si sposta nell'acqua, alla conduzione si aggiunge la convezione, dovuta al costante ricambio dell'acqua intorno al corpo stesso. II raffreddamento per convezione in acqua è all'incirca 150 volte più intenso che in aria. Questa enorme dispersione è la principale causa degli incidenti in acqua quali l'ipotermia, o assideramento, e l'idrocuzione. È importante, quindi, in caso di caduta in acqua, mantenere addosso più vestiario possibile per frapporre una consistente barriera alla dispersione di calore. Quanto più grande sarà la differenza di temperatura fra il corpo e l'acqua, tanto più grande sarà la difficoltà dell'organismo a evitare la grave perdita di calore. L'organi-smo reagirà al freddo in maniera riflessa e diverse saranno le misure di difesa che porrà in opera: dalla fuga dell'acqua, dei liquidi e dei sali organici verso gli organi in-terni - provocando una aumentata secrezione renale - alla contrazione dei capillari che ridurrà al minimo la circolazione superficiale e al livello delle membra. A volte un'allergia al freddo può condurre alle più disparate reazioni: fenomeni di or-ticaria, spasmi vascolari, disturbi respiratori e sincope, senza essere in rapporto con l'entità del freddo, a volte insignificante. Utili si rivelano elementi nutritivi energetici come lo zucchero o il glucosio. L'apparato cardiocircolatorio È formato dall'insieme di cuore, vene, arterie e vasi capillari, necessari per far giun-gere il sangue in tutto l'organismo: provvede al rifornimento di ossigeno e alla elimi-nazione dell'anidride carbonica. È suddiviso in due circoli: grande e piccolo. II grande circolo è dato dal percorso cuore-organismo-cuore; il piccolo circolo dal percorso cuore-polmoni-cuore. Si deve tenere presente che nel piccolo circolo le arterie polmonari contengono sangue venoso e le vene polmonari sangue arterioso. Il ritmo delle pulsazioni è all'incirca di 70/80 al minuto. GRANDE CIRCOLAZIONE E PICCOLA CIRCOLAZIONE Il cuore è un grosso muscolo suddiviso in quattro cavità: le superiori sono dette orecchiette o atri, le inferiori sono chiamate ventricoli. La parte destra assicura la riossigenazione nel piccolo circolo e la sinistra (più grossa) provvede a spingere il sangue in tutto l'organismo. Il sangue è composto dal plasma, dai globuli rossi e dai globuli bianchi. I globuli bianchi hanno la funzione di difenderci dalle infezioni. 1 globuli rossi sono veicoli trasportanti ossigeno e devono il loro nome all'emoglobina, che dà il colore rosso al sangue. È questa sostanza, l'emoglobina, che è capace di legare l'ossigeno (02) con-tenuto nell'aria e trasportarlo ai tessuti, dove verrà utilizzato. Il sangue, saturandosi di 02 nei capillari degli alveoli polmonari, arriva al cuore attra-

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verso le vene polmonari e penetra nell'orecchietta sinistra; dall'orecchiet-ta sinistra passa nel ventricolo sinistro e da qui, attraverso le arterie, nei più lontani punti del corpo. Passati i capil-lari, dove avvengono gli scambi dei gas, il sangue, attraverso le vene, tor-na all'orecchietta destra del cuore e quindi al ventricolo destro e da qui, per il tramite dell'arteria polmonare, nuovamente ai polmoni dove il san-gue venoso si trasforma in arterioso. La contrazione ventricolare spinge il sangue nelle arterie con una pressio-ne arteriosa massima; tra due contra-zioni ventricolari il sangue continua a circolare con una pressione arteriosa residua che è detta minima. È così che la pressione arteriosa diminuisce

quando i vasi si dilatano e aumen-ta allorché si re-stringono. La contrazione del cuore (effetto pre-mente) è detta si-stole; la disten-sione (effetto a-spirante) è detta diastole. Al di fuori dei fenomeni vasomotori inter-vengono delle a-zioni riflesse; in particolare, a livel-lo del ganglio c a r o t i d e o (situato nel collo), che, compresso, può provocare u-na caduta rapida della pressione ar-teriosa, il riflesso oculo-cardiaco che, attraverso u-na pressione sui globi oculari, pro-

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voca il rallentamento del battito cardiaco. Il ritmo costante del cuore è assicurato dall'azione simultanea del sistema nervoso simpatico (cardioacceleratore) e dal sistema nervoso parasimpatico (cardiomoderatore). La quantità di sangue contenuta nell'insieme cuore-vasi sangui-gni varia da individuo a individuo fra 5 e 6 litri ed è di circa l’8% del peso corporeo. La velocità della circolazione è data dal fabbisogno di 02 nei tessuti che viene rileva-to da organi sensori, detti chemocettori, situati alla biforcazione della carotide e nel-l'arco dell'aorta.

L'apparato respiratorio È formato dalle vie aeree superiori e dai pol-moni (Fig. 3). Le vie aeree superiori compren-dono: il naso, le fosse nasali, la faringe fino alla glottide, nonché i seni frontali e mascella-ri. È da tener presente che nella rinofaringe si a-prono le estremità interne delle trombe di Eu-stachio. La glottide separa la faringe dalla la-ringe e dall'esofago. L'albero respiratorio è formato da un tubo cartilagineo detto trachea, che si ramifica progressivamente fino ai bron-chi, quindi ai polmoni per finire con gli alveoli polmonari. Il polmone destro ha tre lobi e il

sinistro due. Essendo gli alveoli circa 300-/400 milioni, si calcola che la superficie inter-na dei polmoni in rela-zione con l'ossigenazio-ne del sangue sia di circa 130 m2. L'inspirazione avviene a seguito di una de-pressione formatasi per la dilatazione della gabbia toracica attra-verso la contrazione dei muscoli intercostali e diaframmatici. L'espi-razione è dovuta al ri-lassamento degli stessi muscoli con il conse-guente ritorno della

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cassa toracica alla posizione inizia-le. Lo stimolo alla respirazione in-sorge nel midollo allungato, detto anche bulbo rachidiano, che si tro-va alla base del cranio. Normal-mente lo stimolo a respirare è dato dall'aumento dell'anidride carboni-ca, non dalla riduzione dell'ossige-no. La capacità polmonare è in relazio-ne alla costituzione fisica e si com-pone della capacità vitale (l'aria che partecipa alla respirazione) e del volume residuo (che non parte-cipa alla respirazione), che, som-mati, danno la capacità totale. Il volume d'aria di una inspirazione varia fra 0,5 litri allo stato di riposo a 3 litri durante una fatica; il ritmo, da una media di 12 atti respiratori al minuto in riposo a 35 sotto sfor-zo. Così possiamo constatare che il fabbisogno d'aria varia da 6-8 litri a 80-100 litri/minuto a pressione atmosferica.

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