Giovanni Battista Venturi: effetto e maschera

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Giovanni Battista Venturi: effetto e maschera

 

“Perfino le cascate del Niagara, con le sue forze titaniche e i vasti volumi d’acqua, possono essere misurate con questo dispositivo semplice ma efficiente. Quale meccanismo può resistere a lungo alla terribile usura ed al contatto con un potere così grande?

Il Venturi assolve facilmente a tale compito perché non ha parti in movimento o meccanismi a contatto con l’acqua che scorre; la sua precisione, dipendente com’è da un coefficiente invariabile, rimane inalterata ed esatta, al di là di quella degli stramazzi non classificati o dei contatori meccanici con il loro fattore di ‘usura’ sempre presente e spesso non rilevato”.

[Walter George Kent: “An appreciation of two great workers in hydraulics: Giovanni Battista Venturi and Clemens Herschel“, 1912]

GIOVANNI BATTISTA VENTURI

Giovanni Battista Venturi, in un gioco di fotomontaggio, mentre indossa una … maschera Venturi.

Giovanni Battista Venturi nacque a Bibbiano, l’11settembre 1746. Discepolo di Lazzaro Spallanzani (12gennaio 1729 – 11febbraio 1799) e Bonaventura Corti (1729-1813), venne ordinato sacerdote nel 1769, anno in cui fu chiamato ad insegnare logica e metafisica ed elementi matematici parte prima presso l’Università di Reggio Emilia.

Nel 1774 passò ad impartire gli stessi insegnamenti all’Università di Modena, dove dal 1776 insegnò anche fisica generale.

Nel 1796 si recò a Parigi, come segretario della legazione incaricata di trattare con il “Direttorio” le condizioni della resa di Modena all’Armata d’Italia. Nella capitale transalpina redisse la sua opera più importante, le “Ricerche sperimentali sul principio della trasmissione laterale entro i fluidi applicata alla spiegazione dei diversi fenomeni idraulici” (titolo originale in francese “Recherches Experimentales sur le Principe de la Communication Laterale du Mouvement dans les Fluides appliqué a l’Explication de Differens Phenomènes Hydrauliques“).

VENTURI INCONTRA LEONARDO

Frontespizio sulle “Ricerche Sperimentali …” di Venturi (1797).

Sempre a Parigi, dove si trattenne fino al 1797, Venturi esaminò i codici di Leonardo da Vinci, pubblicandone e commentandone alcuni estratti nel saggio “Essai sur les ouvrages physico-mathématiques de Léonard de Vinci” (Paris, 1797), nel quale per primo mise in evidenza la componente scientifica e tecnologica dell’opera vinciana.

Rientrato in Italia nell’ottobre 1797, Venturi ricoprì le cariche di membro del Corpo legislativo della Repubblica Cisalpina e di agente diplomatico della stessa repubblica presso la Confederazione elvetica. In Svizzera, dove risiedette prevalentemente a Berna, egli svolse un importante ruolo diplomatico.

Dopo il rientro in patria nel 1813, Venturi risiedette fra Reggio Emilia e Milano, dedicandosi agli studi – la sua vera vocazione – e pubblicando il materiale raccolto negli anni precedenti. Fra le opere date alle stampe, che lo qualificano come il primo importante storico della scienza e della tecnologia in senso moderno, ricordiamo, oltre a quelle già citate, i “Commentarj sopra la storia e le teorie dell’ottica” (Bologna 1814), le “Memorie e lettere inedite finora o disperse di Galileo Galilei” (Modena 1818-1821) e la “Storia di Scandiano” (Modena 1822).

EFFETTO VENTURI

Una tavola esplicativa sull’opera dei fluidi di Venturi.

Dopo la morte di Venturi, avvenuta il 10settembre 1822 a Reggio Emilia, il suo archivio, la sua biblioteca e la collezione di stampe rimasero presso gli eredi. Il materiale superstite entrerà in gran parte nelle raccolte dell’attuale Biblioteca Panizzi di Reggio Emilia negli anni 1917-1921, costituendo il fondo a lui intitolato.

Importante è il suo contributo allo studio della meccanica dei fluidi con la descrizione di quello che viene chiamato “effetto Venturi“, che descrive il legame tra velocità e pressione di un fluido in un condotto. Applicazione di tale effetto è il cosiddetto “tubo di Venturi“, che si impiega per la misura della velocità di un fluido in una condotta.

In fisica, in particolare in meccanica dei fluidi, l’effetto Venturi (o paradosso idrodinamico) è il fenomeno idrodinamico per cui “la pressione di una corrente fluida aumenta con il diminuire della velocità“.

EFFETTO VENTURI (2)

La pressione statica nel primo tubo di misurazione (1) è maggiore rispetto al secondo (2) e la velocità del fluido in “1” è inferiore a quella in “2”, poiché l’area della sezione trasversale in “1” è maggiore di alle 2″.

L’effetto Venturi è un caso particolare del teorema di Bernoulli.

Venturi scoprì la relazione esistente tra la pressione di un fluido e la sua velocità grazie ad un semplice esperimento. Egli fece scorrere all’interno di un tubo a sezione non costante dell’acqua e pose dei tubicini verticali in corrispondenza delle due sezioni di passaggio. L’esperimento mostrò un differente livello di acqua in questi due tubicini.

La maschera di Venturi o “Ventimask” è una tipologia particolare di maschera dell’ossigeno utilizzata nell’ossigenoterapia in acuto, terapia medica con lo scopo primario di correggere l’ipossiemia, ovvero la riduzione della pressione parziale dell’ossigeno nel sangue.

LA MASCHERA DI VENTURI

Maschera di Venturi.

La Ventimask è composta da una maschera, che si adatta a naso e bocca, a cui si attacca una valvola (il cui colore dipende dalla concentrazione di ossigeno e dalla velocità di flusso; questo codice cromatico varia in base ai produttori) che permette di controllare la frazione inspirata di ossigeno (FiO2); cambiando la valvola si cambia il flusso.

La maschera è stata inventata dal medico anglo-canadese Edward James Moran Campbell (31agosto 1925 – 12aprile 2004) al “Middlesex Hospital” di Londra, in sostituzione del trattamento con ossigeno intermittente, nel 1960, allo scopo di ridurre i rischi legati alla ‘ritenzione‘ di anidride carbonica (la cosiddetta carbonarcosi).

la ventimask

Giovanni Battista Venturi.

Il sistema della maschera sfrutta l’effetto Venturi, il fenomeno fisico per cui l’aria che passa da un condotto con diametro maggiore ad uno con diametro minore subisce un aumento della velocità ed una riduzione della pressione; si crea, dunque, all’interno del sistema una pressione che risulta minore rispetto a quella atmosferica, che permette di pescare all’interno una quantità fissa di aria ambiente, che dipende dal dimensioni delle fessure sul bocchettone della maschera e dal diametro dell’ugello attraverso cui entra l’aria dall’ambiente. Attraverso questo sistema si può ottenere una miscela con FiO2 costante fintanto che il flusso massimo non supera la massima capacità della maschera (15 L/min).

Il prototipo e i primi modelli di produzione della maschera Venturi avevano un orifizio fisso attraverso il quale l’ossigeno scorreva a 2 l/min, trascinando un flusso d’aria molto più grande attraverso i fori nella maschera larga; un secondo ingresso era alimentato con ossigeno a flusso variabile per regolare la concentrazione finale.

LE MASCHERE DI CAMPBELL

Moran Campbell (1925–2004)

Nella pratica, questo dispositivo si rivelò insoddisfacente e in una modifica successiva, divenuta successivamente standard, venne utilizzato un unico ugello con le diverse concentrazioni (24%, 28%, 35%) previste modificando la dimensione dell’orifizio secondo il principio dell’effetto Venturi.

Il principio essenziale di queste maschere è che, in un intervallo relativamente ampio di flussi di ossigeno, la concentrazione netta inspirata dal paziente rimane ragionevolmente costante, poiché aumentando il flusso di ossigeno si trascina un flusso d’aria proporzionalmente maggiore.

La maschera Venturi rappresenta il contributo pratico più duraturo di Campbell e rimane in uso diffuso. Piuttosto ingiustamente, Campbell non ha mai ricevuto alcuna royalty dalla sua invenzione.

vantaggi della maschera venturi

Funzionamento della maschera Venturi mostrato in un articolo del 1998 (“ABC of Oxygen – Acute oxygen therapy” di N T Bateman e R M Leach)

Dunque, la Ventimask permette di erogare alti flussi di ossigeno a quantità note di pressione atmosferica in base alla somministrazione di ossigeno ed allo spazio di apertura degli augelli, ovviamente sfruttando l’effetto Venturi.
Un altro vantaggio che fornisce la Ventimask è quello di permettere la determinazione di un parametro molto importante nella determinazione del rapporto tra PaO2 e FiO2: la P/F Ratio. La PaO2 è la pressione parziale arteriosa di O2 nel sangue. Si esprime in mmHg (millimetri di mercurio) ed il valore ottimale si attesta fra 80 e 100 mmHg. La FiO2 è la frazione di Ossigeno nella miscela di gas inspirati; in aria ambiente, essa equivale al 21% (0,21). Ad esempio, in un soggetto che ha una pressione parziale arteriosa di 85 mmHg in aria ambiente, la sua P/F Ratio si attesta al valore di 404,7 (che è appunto il risultato di 85 diviso 0,21).

La P/F Ratio è un parametro utile per monitorare la gravità di una malattia del parenchima polmonare, la funzionalità polmonare ed eventualmente la risposta ad un trattamento. Viene utilizzata per monitorare condizioni di insufficienza respiratoria polmonare come l’ARDS (sindrome da distress respiratorio acuto) e discriminare la gravità del paziente critico.

PRENDIAMO UN CASO CLINICO

Referto emogasanalisi con maschera Venturi al 40% (caso clinico personale).

Nel caso clinico allego l’emogasanalisi eseguita su una paziente di 58 anni (non vaccinata contro il Covid-19) con riferite precedenti buone condizioni di salute (diabete mellito misconosciuto?), positiva al virus SARS-CoV-2 da una settimana ed in antibioticoterapia con cefalosporine per via orale.

La TC torace mostrava il quadro di “numerose aree di consolidamento con diffuso pattern a vetro smerigliato … bilateralmente con bronchiectasia da trazione, come da polmonite interstiziale“. Al momento dell’emogasanalisi la paziente riceveva un’erogazione di 8 litri al minuti di ossigeno attraverso una maschera Venturi con valvola rossa (40% di FiO2).
In questo caso, la P/F ratio era 167,5 (67 diviso 0,4 = 167,5 appunto). Cosa significa questo valore? Questo valore, che sta sotto il parametro di 200, ci dice che la paziente era in uno stato di insufficienza respiratoria, sebbene il valore della sua saturimetria fosse un (falsamente) rassicurante 95%.

riferimenti:

Autore: dott. Concetto De Luca

 

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