La pratica di sport come alpinismo, arrampicata, speleologia, canyoning e simili, comporta attività in condizioni di 'rischio', svolte in pareti scoscese o in luoghi con pericoli oggettivi, che possono provocare cadute e conseguenti gravi incidenti. Tutta l’attrezzatura dedicata allo svolgimento di questi sport deve essere conforme alle esigenze di utilizzo, deve avere caratteristiche certificate, tali da garantire il massimo della sicurezza, e tutti i dispositivi utilizzati devono essere ottimizzati per l'uso con tecniche di progressione - assicurazione studiate in modo tale da minimizzare i rischi di incidenti. Per questi motivi, appositi organismi si occupano di testare e certificare gli attrezzi, e di sviluppare e divulgare (assieme alle associazioni alpinistiche / speleologiche / di soccorso alpino) le migliori tecniche per consentire agli appassionati di affrontare questi sport nelle migliori condizioni di sicurezza possibili.
L'analisi dei requisiti per gli attrezzi da alpinismo inizia dallo studio delle dinamiche e delle forze in gioco che si sviluppano nella pratica di una scalata alpinistica. Dalle possibili situazioni di rischio, considerate nei casi peggiori e nelle piu' difficili condizioni ipotizzabili, derivano gli sviluppi delle tecniche alpinistiche che ogni praticante dovrebbe imparare ed applicare. Considerando le forze in gioco e le tecniche di scalata ed assicurazione, è possibile determinare le massime sollecitazioni ed i carichi estremi che ogni dispositivo specifico (corde, moschettoni, imbracature, discensori, freni etc.) deve supportare, dati che sono oggi alla base delle certificazioni previste dalle norme di legge.
Carichi di rottura
Per 'carico di rottura' di un attrezzo da alpinismo/speleologia e sport simili, si intende il peso (ovvero la forza) massimo che tale attrezzo può sostenere prima di rompersi.
Tutti gli attrezzi da alpinismo riportano (nella marcatura o nelle istruzioni allegate) il dato di 'carico di rottura' garantito dal produttore, e spesso (in base alla tipologia) questo valore è imposto con limiti minimi da rispettare per ottenere l'omologazione / certificazione dell'attrezzo (in ottemperanza alle norme di certificazione decise dagli organismi competenti; nella comunità europea tale organismo è detto CEN=Comitato Europeo di Normazione e le norme vengono indicate con le lettere EN seguite dal numero della norma specifica; analizzeremo le norme di certificazione CE EN in una specifica nostra futura guida).
Il peso e la forza di gravità
Sappiamo che il nostro peso e' in realtà l'effetto della forza di gravità terrestre, che ci attira verso il basso con una forza proporzionale alla nostra massa. La 'forza' è il fenomeno che consente ad un corpo di accelerare e muoversi, passando da situazione di fermo a situazione in movimento, o da situazione di movimento con una velocità iniziale a situazione di movimento con una velocità diversa (maggiore o minore, nei quali casi si parla di accelerazione o decelerazione).
La formula per il calcolo della forza è:
forza = massa * accelerazione ( F = m * a )
La gravità terrestre agisce sui corpi applicando una accelerazione che possiamo considerare costante in ogni luogo, indicata con la lettera g minuscola, e il cui valore è 9.81 m/sec2 (metri al secondoquadrato è l'unità di misura dell'accelerazione)
g = 9.81 m/sec2
Nella abitudine comune, misuriamo il nostro peso in chilogrammi (Kg); in realtà in fisica questo valore indica la massa, mentre per il peso si utilizza l'unita' di misura della forza, il 'Newton' (indicato con la lettera 'N').
Un corpo che ha massa per esempio di 80kg , per effetto della gravità terrestre ha un peso (sul nostro pianeta..) pari a
F (peso) = m * a = 80kg * 9.81m/sec2 = circa 800N (ottocento Newton) = 80 daN (decaNewton)
Situazione statica: i moschettoni (e la corda) devono sostenere il nostro peso
Per semplicità viene spesso approssimato il valore di ‘g' da 9.81 a 10, e cosi' il nostro peso in kg corrisponde al valore della forza (calcolata con la formula precedentemente descritta) utilizzando come misura il 'daN' (decaNewton, pari a 10N). Quindi chi pesa 100Kg puo' dire di pesare 100daN. Allo stesso modo, se un attrezzo indica per esempio come peso massimo supportato il valore di 1600daN , significa che sostiene un peso fino a 1600Kg (valori leggermente approssimati, come detto).
Nell'attrezzatura da alpinismo, per scelta degli organismi CEN che si occupano delle norme di certificazione, i valori di peso sono espressi in kN (chilo-Newton); le proporzioni sono semplici:
- 1kN = 1000N = 100daN
- quindi 1kN = 100Kg (nel uso comune del chilogrammo)
- quindi per es. un moschettone certificato per 22kN sostiene fino a 2200Kg
Forze scaturite da una caduta durante una scalata
Se rimaniamo sospesi a metà parete, attaccati in sosta ad un moschettone, la forza a cui è sottoposto il moschettone per sorreggerci è esattamente uguale al nostro peso (indipendentemente dall'altezza a cui ci troviamo, approssimando ovviamente le leggere differenze di gravità..).
I valori di forza aumentano notevolmente quando l'attrezzatura deve sostenere una caduta. Nei casi di caduta di una massa, infatti, per effetto della forza di gravita', tale massa si muove con velocità progressivamente sempre piu' alta in quanto sottoposta (come già visto) alla accelerazione di gravità terrestre 'g'. La velocità che si raggiunge è calcolabile in base alla distanza (metri di ‘volo'):
Velocità = sqr(2 * g * h ) (dove ‘h' indica i metri di caduta in verticale)
Ecco alcuni esempi in base ai metri di caduta libera (valori approssimati):
- caduta di 5 metri: velocità max raggiunta = 35 km/h
- caduta di 10 metri: velocità max raggiunta = 50 km/h
- caduta di 15 metri: velocità max raggiunta = 60 km/h
- caduta di 20 metri: velocità max raggiunta = 70 km/h
- caduta di 40 metri: velocità max raggiunta = 100 km/h
Per fermare una caduta occorre applicare un forza tale da decelerare il corpo in movimento, portandolo dalla velocità raggiunta a stato di fermo (velocità a zero).
In alpinismo, il primo dispositivo che entra in gioco per assorbire le forze di una eventuale caduta è la corda (ovviamente tutto questo discorso è valido per la pratica dell' alpinismo in cui si rispettino le tecniche di progressione in cordata; vedremo più avanti l'eccezione delle salite su 'vie ferrate').
Una corda da alpinismo è dinamica, cioè si allunga per ammortizzare le forze.
Le fasi di una caduta da una parete sono:
1- inizio caduta, iniziamo ad accelerare verso il basso;
il caso peggiore (per l'entità delle forze generate) è il volo libero, senza impedimenti che possano decelerare il volo; aumentiamo progressivamente la velocità di caduta
2- ad un certo punto la corda entra in tensione: in questo momento abbiamo raggiunto la velocità massima, la corda inizia l'azione ammortizzante e di freno
3- la corda si allunga/deforma e ci fa decelerare fino a fermarci (la velocità finale torna pari a zero)
La corda è il dispositivo che svolge il ruolo più importante nel caso di cadute; le maggiori sollecitazioni per tutta l'attrezzatura da alpinismo dipendono proprio dalle qualità della corda utilizzata.
Con riferimento alle immagini precedenti, la corda entra in azione per decelerare il moto di caduta e portarci da situazione di massima velocità (seconda immagine) a situazione di fermo (terza immagine). Tale decelerazione (moltiplicata per la massa dello scalatore) genera la forza che la nostra attrezzatura deve sostenere.
La forza per attutire una caduta dipende quindi dalla decelerazione a cui il corpo in caduta deve essere sottoposto per fermarsi (il dato fondamentale è quindi il valore di tale decelerazione, indipendentemente dall'altezza da cui cadiamo e dai metri di 'volo').
Le corde da alpinismo sono dinamiche e non fermano immediatamente il corpo in caduta, ma effettuano una decelerazione progressiva; se cosi' non fosse, infatti, le forze generate sarebbero enormi.
Calcoliamo alcuni esempi, considerando un corpo di 80kg che fa un volo di 10m, raggiungendo la velocità massima di 50km/h:
- esempio di decelerazione con una corda rigida, per esempio un cavo d'acciaio indistruttibile ed indeformabile:
se passiamo da 50km/h a 0km/h immediatamente, supponiamo in un millesimo di secondo; la forza da sostenere sarebbe:
F = m*a = 80kg * (50 km/h / 1/1000 sec ) = 80 * 50/3.6 * 1000 = 1110000 cioe' circa 110000 Kg !!
(il calcolo di 50/3.6 serve per trasformare i km/h in m/sec) - esempio di decelerazione con una corda dinamica da alpinismo, in situazione simile alla precedente:
in questo caso la corda si allunga e ci fa fermare in un tempo più lungo; se supponiamo di fermarci in un secondo, la forza da sostenere diventa:
F = m*a = 80kg * (50 km/h / 1 sec ) = 80 * 50/3.6 = 1110 cioè circa 110Kg
E' bene evidente la differenza. Nel primo caso, il moschettone / rinvio che sostiene la corda deve sostenere più di 100.000Kg (impossibile: il moschettone si frantuma!), nel secondo caso deve sostenere 110Kg , valore ampiamente entro i limiti (i moschettoni sostengono più di 2000Kg , come vedremo).
Quindi la forza che il sistema di cordata deve sopportare non dipende dalla lunghezza della caduta o dalle velocità raggiunte (che nei due esempi erano uguali), ma dalla decelerazione che la corda applica per arrestare la caduta stessa.
I valori massimi di decelerazione (quindi la forza massima generata da una caduta) dipendono dalle caratteristiche delle corde dinamiche da alpinismo.
Fattore di caduta
Un aspetto che determina differenze nell'azione di una corda da alpinismo è il 'Fattore di Caduta'. Questo fattore determina l'impatto della caduta. Più questo è elevato più la caduta è dura. Il suo valore si calcola dividendo l'altezza della caduta per la lunghezza di corda utilizzata:
f (fattore di caduta) = altezza della caduta/lunghezza di corda che assorbe la caduta
In arrampicata ed alpinismo questo valore varia da 0 a 2.
La pericolosità della caduta (per quanto riguarda le possibili rotture dell'attrezzatura) non dipende dall'altezza della caduta ma da questo fattore, in quanto maggiore è la lunghezza della corda più questa può allungarsi per ammortizzare la caduta. Questo fattore di caduta teorico presuppone che non ci sia alcun attrito/blocco tra chi cade e i rinvii e la sosta, per permettere a tutta la corda utilizzata di assorbire uniformemente l'energia; nel caso di attriti/punti di blocco della corda, il fattore di caduta va calcolato considerando lo spezzone di corda che parte da tale punto (fino allo scalatore caduto).
Esempi con diversi fattori di caduta:
- nella prima immagine la caduta di 10m è assorbita da un tratto di corda più lunga (15m) e il fattore di caduta è basso (0,66); questa è la situazione migliore, per chi arrampica è importante allestire punti di assicurazione specialmente nei primi tratti dell'arrampicata per ottenere bassi fattori di caduta
- nella seconda immagine non sono stati messi rinvii o punti di assicurazione intermedi, la caduta di 10m è assorbita da 5m di corda: è il caso peggiore, il fattore di caduta vale 2 (il massimo per arrampicata e alpinismo con uso di tecniche da cordata)
- nella terza immagine il fattore di caduta massimo pari a 2 è raggiunto per colpa di un blocco (incastro) involontario della corda; è una casualità che va considerata..
In arrampicata il fattore di caduta, come visto, puo' variare da valori minimi prossimi allo zero, al valore massimo di 2. Nei calcoli delle forze in gioco per valutare i massimi carichi di rottura si considerano sempre le situazioni peggiori possibili, quindi per testare le corde si considera il caso limite di fattore di caduta pari a 2.
Quale è la massima decelerazione generata da una corda da alpinismo?
Le corde da alpinismo sono costruite in modo da garantire che una caduta, anche nelle peggiori situazioni possibili (con fattore di caduta 2), non generi una forza superiore a 1200daN (cioè 12kN).
La forza massima raggiungibile con una caduta nelle peggiori condizioni e' denominata 'forza di arresto massima' (in inglese: impact force) ed è una delle caratteristiche fondamentali delle corde; ogni corda omologata per uso in alpinismo, riporta l'informazione della propria forza di arresto massima, garantita dal produttore; la maggior parte delle corde dinamiche in commercio ha valori di forza di arresto tra i 5kN e i 10kN (questi valori sono garantiti quando la corda è nuova; tra i dati di omologazione delle corde è incluso anche il dato di numero massimo di cadute consentito: superato questo numero, la corda puo' essere talmente deformata da non garantire più il limite di 12kN come forza di arresto massima..).
Esempio dei dati di una corda (Beal Booster III 9.7mm Standard) come riportati nelle istruzioni allegate alla corda stessa; in evidenza il dato di forza d'arresto specifico per questa corda, valore pari a 7,6kN (inferiore ai 12kN massimi, quindi la corda risponde alle normative previste):
Nel valutare le forze limite, gli organismi di certificazione hanno preso in considerazione gli effetti delle forti accelerazioni (o decelerazioni) sul corpo umano. Da esperienze e studi fatti anche nei settori di aeronautica e paracadutismo, si e' calcolato che il corpo umano subisce seri danni (fino alla morte) se sottoposto a fortissime accelerazioni, e si è valutato che puo' sopportare una accelerazione (o decelerazione) massima pari a 15g (cioè 15 volte l'accelerazione di gravità terrestre). Oltre questi valori (che peraltro sono sopportabili per tempi brevissimi, e possono gia' causare svenimento), la decelerazione porta alla morte (anche se non si sbatte per terra, e non si rompe nessun attrezzo..). La decelarazione di 15g è la massima decelerazione consentita alle corde da alpinismo.
Per un corpo di 80Kg (utilizzato come peso di riferimento dagli organismi di certificazione), la forza massima risulterebbe quindi:
F = m*a = 80kg * 15 g = 80 * 15 * 9.81 = circa 12000N = 1200daN
ecco il perchè del valore di 1200daN (o 1200Kg, o 12kN) indicato precedentemente come valore di forza di arresto massimo per omologare le corde dinamiche da alpinismo.
Il valore massimo di forza di arresto di una corda deve essere rispettato nel caso peggiore, che per una corda significa:
- caduta con fattore di caduta 2 (massimo fattore di caduta per cordata da alpinismo)
- corda bloccata (non c'e' una azione di un freno-discensore da parte dell'assicuratore, che assorbirebbe un po' di energia..)
Considerando tutte le valutazioni fatte, le forze generate da una caduta di un alpinista durante una scalata raggiungono al massimo il valore di 12kN; tutti gli attrezzi coinvolti nel sostenere gli scalatori devono sopportare carichi almeno fino a tali limiti, cioe' devono avere un carico di rottura almeno di 1200Kg (ovvero 1200daN).
In realtà esistono ulteriori fattori che possono aumentare l'entità di tali forze, come l'effetto 'carrucola', mentre per le salite di vie ferrate esistono altre dinamiche che analizzeremo di seguito.
Effetto carrucola durante la caduta di uno scalatore
Una caduta di uno scalatore viene assorbita principalmente dalla corda dinamica che collega lo scalatore al punto di assicurazione.
Normalmente, nella corretta tecnica di progressione di una cordata in parete, lo scalatore si avvale di punti di assicurazione (rinvii) nei quali la corda viene fatta passare dentro i moschettoni. Nella eventualità di una caduta, la forza massima generata può arrivare, come visto, a valori di circa 12kN. Il moschettone che sorregge il tratto di corda che va allo scalatore caduto, è sottoposto però anche alla forza che va applicata all'altro ramo di corda, che va verso il compagno che lo assicura (o comunque verso il punto di sosta). Per sostenere il peso del caduto, dal lato di assicurazione occorre agire con uguale forza:
il moschettone (ultimo rinvio che sorregge la caduta) deve teoricamente sostenere sia la forza generata dalla caduta (max 12kN = 1200daN), sia una forza uguale applicata dall'altro ramo di corda per sostenere il caduto (altri 12kN). In teoria dovrebbe quindi sostenere la somma delle due forze:
12+12 = 24kN
questo è l'effetto noto come 'effetto carrucola'.
La situazione teorica va pero' modificata per tenere conto degli attriti, che in questo caso assumono valori non indifferenti. Secondo studi e analisi pratiche, infatti, si è provato che per l'effetto carrucola su di un moschettone si genera un forte attrito (con conseguente riscaldamento) che fa perdere energia ed attutisce la forza necessaria a sostenere il caduto (dal lato che va verso il punto di assicurazione); tale attrito arriva anche a dimezzare la forza; nel caso peggiore (minimo valore di 'attenuazione') si è considerato un valore di diminuzione di un terzo: la forza massima di 12kN cioe' si riduce di un terzo (caso appunto peggiore, potrebbe ridursi molto di piu'), diventando di 8kN. Per queste considerazioni, il carico massimo a cui viene sottoposto il moschettone che sostiene la corda durante una caduta diventa di:
12+8 = 20kN (ovvero 2000daN)
Nell'immagine precedente è rappresenta la caduta per 10 metri dello scalatore; in realtà i metri di volo e la velocità massima raggiunta non influenzano il valore di forza di arresto massima, che raggiunge nel peggiore dei casi il valore di 1200daN (forza di arresto della corda), generando quindi una forza sul moschettone pari a circa 2000daN. Questo è il valore utilizzato come minimo carico di rottura che i moschettoni da alpinismo (esclusi i moschettoni da ferrata, che vedremo in seguito) devono garantire per ottenere l'omologazione a norma di legge.
Anche per le fettucce utilizzate per la realizzazione dei rinvii (coppie di moschettoni), i valori di carico di rottura devono tenere conto di questi calcoli: infatti il carico di rottura minimo da garantire per l'omologazione delle fettucce dei rinvii è di 22kN (leggermente superiore ai 20kN richiesti ai moschettoni).
Per attrezzatura non coinvolta nel 'effetto carrucola', il carico massimo di riferimento è quello dei 12kN (massima forza di arresto delle corde da alpinismo), con valutazioni che possono variare in base alle tipologie degli attrezzi.
Per le imbracature (basse) è richiesta ad esempio la resistenza ad un carico di rottura di circa 15kN; per i chiodi da roccia (che possono essere coinvolti nel sostenere i moschettoni sottoposti ad effetto carrucola) la resistenza a grandi sollecitazioni dipende ovviamente dalla modalità e qualità dell'inserimento nelle fessure rocciose, la rottura del chiodo non deve avvenire entro 25kN di forza peso applicata (valore per i chiodi di sicurezza, requisito superiore rispetto a quello dei chiodi di progressione); per le viti da ghiaccio i valori sono normalmente tra 10 e 16kN.
Dinamiche e forze di caduta nelle salite di vie ferrate
La salita di vie ferrate comporta tecniche di progressione che si differenziano sostanzialmente dalla progressione alpinistica in cordata.
Se in cordata l'assicurazione principale viene fornita dalla corda dinamica, sulle vie ferrate il sistema di assicurazione prevede l'uso di cordini/fettucce molto più corti, collegati tramite moschettoni ai cavi o ai pioli della ferrata. Ciò comporta dinamiche nettamente diverse dalle cordate alpinistiche:
- i cordini (o fettucce) dei kit da ferrata sono nettamente più corti di una corda da alpinismo, e con caratteristiche dinamiche inferiori
- una caduta durante una salita verticale su via ferrata può portare a fare 'voli' di parecchi metri (i moschettoni scorrono nei cavi della ferrata..), assorbiti da cordini molto corti: il fattore di caduta in questi casi può superare (e anche di molto) il valore di 2.
Esempio di caduta lungo una via ferrata:
Nella seconda immagine è visualizzato come sia possibile toccare fattori di caduta molto più alti di 2: nell'esempio il fattore di caduta vale 5 ..!
Queste problematiche hanno portato a sviluppare appositi sistemi di attenuazione delle forze di caduta per la pratica delle salite di vie ferrate. I kit da ferrata prevedono infatti l'utilizzo di un dissipatore di energia, che consente appunto di 'dissipare' l'energia della caduta e ridurre di conseguenza la forza che verrà riversata sulla restante attrezzatura, e di non sottoporre il caduto a decelerazioni insostenibili.
Per l'attrezzatura (kit) da via ferrata sono previste le seguenti norme di certificazione:
- i moschettoni da ferrata devono avere un carico di rottura minimo di 25kN (valore superiore a quello richiesto ai moschettoni di tipo base da alpinismo)
- il dissipatore di energia deve entrare in azione se sollecitato da una forza di almeno 1,2kN
- la forza di arresto del set da ferrata deve essere al massimo di 6kN
Riepilogo
Considerando le casistiche e le dinamiche analizzate, gli attrezzi che si utilizzano nella pratica dell'alpinismo possono essere sottoposti a carichi che arrivano a valori di migliaia di kg (ovvero decine di kN), variabili in base alla tipologia dell'attrezzo; ecco alcuni valori richiesti per la certificazione secondo le norme CE EN:
- le corde dinamiche da alpinismo devono garantire una forza di arresto massima di 12kN, assicurando di non rompersi se sottoposte a tali sollecitazioni
- i moschettoni di tipo base possono essere sottoposti a carichi fino a 20kN
- i moschettoni da ferrata devono sostenere carichi fino a 25kN
- le fettucce per rinvii devono sostenere carichi fino a 22kN
- le imbracature basse da alpinismo devono sostenere carichi almeno fino a 15kN
Tutti gli attrezzi devono essere scelti ed utilizzati tenendo conto delle forze in gioco e della tipologia dell'attrezzo, considerando comunque che la forza massima derivata da una caduta di uno scalatore collegato ad una cordata 'alpinistica' può arrivare a valori di circa 12kN , e per effetto 'carrucola' può toccare i 20kN.
Ovviamente, l'attrezzatura utilizzata per scopi che non entrano in gioco nella catena di assicurazione per frenare una caduta, può avere carichi di rottura inferiori; per esempio un cordino utilizzato per un nodo autobloccante tipo prusik (per esempio per tecniche di discesa in corda doppia) può avere carichi di tenuta inferiori a 12kN, così come i discensori per uso in corda doppia, maniglie/bloccanti per risalita di corda, carrucole, staffe o scalette per arrampicata artificiale, etc.
L'utilizzatore deve valutare l'ambito di applicazione dei vari materiali e dispositivi da alpinismo, e scegliere di conseguenza i modelli più idonei, basandosi sui dati e sui carichi di rottura forniti da ogni costruttore (e che il costruttore certifica in ottemperanza alle norme di certificazione / omologazione oggi obbligatorie).
