Prof (en mètres) 10

LA PRESSION
Définition
P =
F
S
P étant la Pression F la Force
S la Surface
Une pression est le rapport entre la force appliquée et la surface sur laquelle elle s'applique.
La pression au sein d'un fluide (eau, air) s'exerce en tous sens et se répartit uniformément.
Les unités de pression :
L'unité légale de pression est le Pascal : correspond à une force de 1 Newton /m²
(1 kgf = 9,81 Newton)
En plongée on utilise plus couramment le Bar
1 bar équivaut à 1 kgf /cm² et à 1000 HectoPascal
Les différentes pressions :
– La pression atmosphérique : 1 bar au niveau de la mer
Elle diminue avec l'altitude ==> important pour les plongées en lac de montagne !
On utilise également les mm de mercure pour la Patm :
1 bar <==> 760 mm de mercure.
– La pression relative (ou hydrostatique) : pression due à l'eau (1 bar tous les 10 mètres en
dessous de la surface de la mer).
P relative =
Prof (en mètres)
10
– La pression absolue : elle correspond à la pression réelle subie par le plongeur dans l'eau.
P absolue = P atm + P relative
Exemples (au niveau de la mer):
Pression Relative à 25 m : 25/10 = 2.5 Bars
Pression Absolue à 10 m : 1 + 10/10 = 2 Bars
Pressions Absolue à 19 m : 1 + 19/10 = 2.9 Bars
3,2 Bars de Pression Absolue : correspondent à une prof de 22 m
5,1 bar de Pression Absolue : correspondent à une prof de 41 m
Application à la Plongée :
•
A la descente la pression absolue va augmenter
•
A la remontée la pression absolue va diminuer
Ces variations vont avoir des conséquences sur le plongeur et sur le matériel, elles sont notamment
responsables des accidents barautromatiques.
Exercices
Calculez la Pression absolue à 40m dans d'un lac de montagne ou l' on mesure une pression
atmosphérique de 608 mm Hg
Patm en bars : 608 / 760 = 0,8 Bar
Phydrostatique : 40/10 = 4 bars,
Pression absolue à 40m : 4 + 0,8 = 4,8 bars
Complétez le tableau:
Profondeur
Patm
0m
1b
32 m
1b
25 m
1b
Prelative
0,8 b
Pabsolue
4,8 b
3b
Calculez la variation de pression entre 0 et 10m puis entre 10m et 20m .
3,9 b
PRINCIPE D’ARCHIMEDE
Tout corps immergé dans un fluide est soumis à une force verticale dirigée de bas en haut
appliquée au centre de gravité du fluide déplacé et dont l’intensité est égale au poids du
fluide déplacé.
1. Vérification expérimentale:
2. Notion de poids apparent :
Poussée
d'archimède
A
Un corps immergé est soumis à 2 forces colinéaires opposées :
•
Son poids réel
•
La poussée d’Archimède
Poids apparent = Poids réel - Poussée d’Archimède
3. Flottabilité :
P
Poids
Si on appelle «P» le poids réel et «A» la poussée d’Archimède, on aura 3 cas possibles:
P > A ==> Flottabilité NEGATIVE( l'objet coule)
P = A ==> Flottabilité NULLE (l'objet est en équilibre dans le liquide)
P < A ==> Flottabilité POSITIVE (l'objet flotte sur le liquide)
3. Applications à la plongée :
•
Lestage
•
Bouées de sécurité
•
Parachutes de remontée
•
Poumon ballast
•
La combinaison : elle diminue d’épaisseur par écrasement au cours de la descente ce qui
entraîne une variation de la flottabilité et la protection thermique diminue.
Exercices :
1. Un boîtier équipé de sa caméra à un volume de 5 dm3 et un poids de 3kg. Quel poids doit-on
ajouter dans le boîtier pour que celui ci ait une flottabilité nulle en eau douce ?
2. Un bloc de 12 litres a un poids réel de 15 kg Quel est son poids apparent dans l'eau douce
(densité 1) et dans l'eau de mer (densité 1,03) ?
3. Totalement équipé un plongeur déplace un volume d’eau de 100 dm3
Ayant réglé son lest en lac de quelle façon devra-t-il ajuster son lestage pour une plongée en mer ?
(densité de l’eau de mer : 1.03)
Réponse : il doit rajouter 3 kg
LOI DE MARIOTTE
1. Propriétés des gaz
•
Les gaz sont expansibles : un gaz occupe tout le volume qui lui est offert.
•
Les gaz sont compressibles : Le volume occupé par une certaine masse de gaz est variable
( la masse volumique peut donc varier dans une large proportion )
2. Compressibilité des gaz : LOI DE MARIOTTE
Etude expérimentale :
Soit un récipient de 6 L retourné, mesurons les variations de volume en fonction de la profondeur
d’immersion :
Profondeur
Volume
P. absolue
PxV
0m
6L
V
1b
6
10 m
3L
V/2
2b
6
20 m
2L
V/3
3b
6
30 m
1,5 L
V/4
4b
6
0m
10 m
20 m
30 m
6L
3L
2L
1,5 L
Loi de MARIOTTE : A température constante le volume occupé par un gaz est inversement
proportionnel à la pression qu’il subit.
P1 x V1 = P2 x V2
ou
P x V = Cste
Exemple :
Une certaine quantité d’air occupe un volume de 1000L à 18 °C sous une pression de 1 kgf/cm² on
la comprime à 5 kgf/cm² en maintenant sa température à 18 °C. Quel est le volume final ?
Etat initial
Etat final
P1 = 1 kgf/cm²
P2 = 5 kgf/cm²
V1 = 1000 L
V2 = ?
T1 = 18 °C
T2 = 18 °C
P1 x V1 = P2 x V2 ==> V2 = P2 x V2 / P1
V2 = 1000 x 1 / 5 = 200 L
3. Conséquences de la loi de MARIOTTE
Variation de volumes :
•
Gaz isolés du milieu ambiant : les bulles du Néoprène, les gaz intestinaux : ces gaz vont se
comprimer à la descente et le volume du plongeur va diminuer ce qui va modifier sa
flottabilité.
•
Gaz en communication avec le milieu ambiant : tous ces gaz obéissent à la loi de Mariotte et
doivent suivre les variations de pression et de volume sinon accidents barotraumatiques
( placage du masque, surpression pulmonaire ..)
•
Principe d’équipression : pour maintenir sa ventilation pulmonaire le plongeur immergé doit
inhaler un mélange gazeux sous une pression égale à la pression qui s’exerce sur sa cage
thoracique.
Variation de masse :
Si le volume gazeux est en communication avec l’extérieur, comme cela se produit avec les
gaz contenu dans les poumons, les variations de pression vont se traduire par des variations
de masse de gaz :
Exemple : si les poumons d’un plongeur ont une capacité de 5 l à 40 m en raison de
l’équipression ses poumons auront la même capacité mais la pression de l’air sera de 5 bars
ce qui va correspondre à un volume d’air détendu de 5 x 5 = 25 L
la masse volumique de l'air a 1 bar étant de 1,293g/litre
en surface ses poumons véhiculent : 5 x 1.293 = 6.5 g d’air
à 40 m : 25 x 1.293 = 32.5 g
Ce qui entraîne un travail plus intense pour les muscles qui ont pourtant à l’état normal un
rendement faible. Ainsi pour les grandes profondeurs on utilise un mélange gazeux moins
lourd que l’air : heliox( O2 + He )
•
Autonomie du plongeur:
L’autonomie d’un plongeur sera d’autant plus réduite que la profondeur à laquelle il se situe
sera grande .
Exercice :
un plongeur qui consomme 30 L d’air par minute plonge avec un bloc de 15 L
gonflé à 200 bars. Quelle sera son autonomie théorique (on considère qu'il consomme tout l'air) :
- à 10 m ?
- à 40 m ?
Volume d’air détendu à la pression atmosphérique :
15 x 200 = 3000 litres
Pression absolue à 10 m : 2 b
à 40 m : 5 b
il va consommer à 10 m : 30 x 2 = 60 L /mn
à 40 m : 30 x 5 = 150 L /mn
Autonomie
à 20 m : 3000 / 60
= 50 mn
à 40 m : 3000 / 150 = 20 mn
4. Applications à la plongée
•
Les barotraumatismes
•
Variation de volume de la combinaison
•
Les variation de volume des gaz intestinaux
•
Utilisation des stabs
•
Autonomie
•
Gonflage des bouteilles
•
Aggravation des accidents de décompression
•
Médecine hyperbare
•
Profondimètres à capillaire
Problèmes sur la loi de MARIOTTE
1. Un plongeur s’immerge avec un bloc de 12 L gonflé à 200b . Sachant qu’il consomme 20 L d’air
par minute en surface . Combien de temps pourra-t-il séjourner à 30 m sachant qu'il va remonter
lorsqu'il aura 50b dans son bloc ( on ne compte pas le temps de descente )
Bloc de 12 L : 12 x 200 = 2400 L d'air détendu
Volume correspondant à la réserve : 50 b x 12 = 600 L
Il pourra donc consommer : 2400 – 600 = 1800 L
Pabs à 30m : 4b il va donc consommer : 20 L/mn x 4 = 80 L d'air détendu par mn
il pourra rester : 1800 / 80 = 22,5 mn
2. Exercice pour N3
Une bouteille de 15 L arrive au gonflage avec une pression interne de 20 b
elle est gonflée successivement sur 2 bouteilles tampons de 40 l chacune gonflées à 200 b.
Quelle sera la pression finale de la bouteille ?
Les tampons contiennent chacun : 200 b x 40 = 8000 L d'air détendu
le bloc initial : 15 x 20 = 300 L d'air détendu.
Lors du premier équilibre avec le premier tampon on aura en tout : 8000 + 300 = 8300 L d'air
détendu qui occupera alors : 40 l + 15 l soit 55 L la pression sera donc de :
8300 / 55 = 150,9 b
Lors du deuxième équilibre : on aura
150,9 x 15 = 2263,5 L d'air détendu dans le bloc de 15l
donc en tout : 8000 + 2263,5 = 10263,5 L d'air détendu
qui occupera un volume de 40 + 15 = 55L
la pression finale sera donc de : 10263,5 / 55 = 186,6 b
MELANGES GAZEUX – LOI DE DALTON
DALTON : Physicien Anglais 1766-1844
Jusque ici lorsque nous avons parlé de gaz, notamment avec la loi de Mariotte nous avons raisonné
sur un volume gazeux pris dans son ensemble. Or dans tous les cas (sauf plongée à l’oxygène pur )
le plongeur respire des mélanges gazeux l’air : O2 + N2 + C O2 + He ...
S’il y a mélange , on peut donc définir une concentration, ainsi l’air que nous respirons contient
pour un volume donné :
•
21 % O2
•
79 % N2
•
des traces d'autres gaz comme ( Gaz carbonique, Hélium..)
Comment se comportent les gaz de ces mélanges lorsqu’ils subissent des pressions ?
1. Pression partielle: Loi de DALTON :
Expérience de BERTHOLET (Physicien Français 1748-1822) :
H2
V = 1 dm3
P = 1 bar
CO2
V = 1 dm3
P = 1 bar
Après ouverture du
robinet le mélange
contient
50 % H2 et 50% CO2
Pour une pression de 1 b
Dans un mélange chaque gaz se comporte comme s’il occupait à lui tout seul l’ensemble du volume
occupé par le mélange
La pression partielle d’un gaz dans un mélange est égale à la pression absolue multipliée par
la concentration de ce gaz.
Pp = Pabs * C ( C étant la concentration )
Ainsi dans l’air respiré à une pression de 1 b on aura :
Pp N2 = 1 x 0.79 = 0.79 b
Pp O2 = 1 x 0.21 = 0.21 b
==> Pp N2 + Pp O2 = 1
Par contre à 30 m ( Pabs = 4b) :
Pp N2 = 4 x 0.79 = 3.16 b
Pp O2 = 4 x 0.21 = 0.84 b ==> Pp N2 + Pp O2 = 4
Loi de DALTON :
A température donnée, la pression d’un mélange gazeux est égale à la somme des pressions
qu’aurait chacun des gaz s’ils occupaient seuls le volume total.
2. Applications à la plongée :
•
Toxicité des gaz
•
Plongée aux mélanges
•
Oxygénothérapie hyperbare
Applications :
1. Si on considère que l’oxygène est toxique au delà de 2 b de pression partielle, jusqu’à quelle
profondeur peut-on plonger a l’air sans risque d’hyperoxie ? ( O2: 21% N2: 79%)
PpO2 = 2
donc Pabs = 2 / 0.21 = 9.5 b
==> Prof = 85 m
2. Un plongeur A respire de l’air à 20 m, un autre plongeur B respire un mélange ( 40% O2 +
60% N2 ). A quelle profondeur le plongeur B respirera t-il l’azote à la même pression
partielle que le plongeur A ?
à 20 m Pabs = 3 b
Pp N2 = 3* 0.79 = 2.37 b
avec le mélange si PpN2 = 2.37 b ==> Pabs = 2.37/0.6 = 3.95 b
==> profondeur de 29.5 m
3. Si un bloc contient 1% CO2 Pp en surface ? Pp a 40 m ?
En Surface : 1 * 0.01 = 0.01 b
à 40 m : 5 * 0.01 = 0.05 b
Sachant que selon la Pp de CO2 :
à 0.02 b —> Maux de tête
à 0.05 b —> Essoufflement – sueur - face congestionnée - cyanose
à 0.07 b —> Vertiges Nausées bradypnée
> 0.07 b —> Aggravation
LA VISION
Intensité lumineuse:
Elle décroît très rapidement en fonction de la profondeur :
0 mètre
1 mètre
10 mètres
20 mètres
40 mètres
100 %
40 %
14 %
7%
1,5 %
Le nombre de particules dans l'eau va également jouer sur la visibilité
de façon importante.
La colorimétrie
Elle régresse également très rapidement et notamment le rouge :
2 mètres
5 mètres
10 et 15 m
25 et 65 m
> 65 m
Rouge
modifié
Disparition du
rouge
Disparition de
l'orangé
Disparition du
bleu,vert et violet
Disparition du
monochrome
vert
Remarque : ainsi lorsque l'on voit un liquide vert dans le masque ou
s'échapper d'un doigt, c'est tout simplement du sang !
Influence de l'eau sur la vision
Le grossissement (x 4/3 )
Les objets que l'on voit semblent plus gros que la réalité.
Mauvaise appréciation des distances
Les objets paraissent plus prés ! (x 3/4).
Réduction du champ visuel
Le champ visuel est considérablement réduit. (- 50%)
En plongée, il ne faut pas garder la tête figée si l'on veut avoir une
vision plus générale.
Distance apparente = Distance réelle x 3/4
Taille apparente = Taille réelle x 4/3
Absorption des couleurs en fonction de la profondeur
ACOUSTIQUE
1. LE SON
C’est une sensation auditive provoquée par une vibration acoustique. Les différents sons
se distinguent par :
•
La fréquence exprimée en hertz de 20 à 20 000 Hz
•
L’intensité exprimée en décibels selon que le son est fort ou faible
•
Le timbre qui permet de distinguer deux sons émis par des instruments différents ou par des
voix différentes.
L'être humain peut entendre des sons dont les fréquences s'étalent de 20Hz à 20kHz environ.
2. PROPAGATION DU SON
Plus le milieu est dense plus la vitesse du son est élevée.
•
Le son ne se propage pas dans le vide.
•
Dans l’air sa vitesse est de 331 m/s à 0°C ( il faut noter que pour 1°C d’élévation de
température la vitesse de propagation du son augmente de 0.6 m/s).
•
Dans l’eau le son se propage à 1435 m/s à 8°C
•
Dans l’acier sa vitesse est de 5 km/s
Les valeurs utilisées couramment sont 330 m/s dans l’air et 1500 m/s dans l’eau.
3. LA PERCEPTION DES SONS
Nous recevons les sons par les 2 oreilles, dans l’air le cerveau est capable de déceler
le décalage de perception entre les 2 oreilles il peut ainsi déduire la direction de l’origine
du son. Par contre dans l’eau comme la vitesse de propagation du son est environ 5 fois
plus grande le cerveau n’a plus le temps de déterminer le décalage entre les 2 oreilles. On
entend les sons venant de tous les cotés à la fois.
Dans l’eau les sons sont également perçus directement par les vibrations de la boite
crânienne.
4. L’ABSORPTION DES SONS
La sensation sonore s’affaiblit avec la distance entre la source sonore et l’oreille.
L’absorption croit avec la fréquence c’est à dire que les sons aigus s’affaiblissent plus vite
que les graves. Ce qui explique qu’en plongée on n’entend un moteur de jet-ski que
lorsque il est assez proche ( quelques dizaines de m) alors que le moteur d’un gros navire
( cargo) est perçu de très loin (plusieurs km)
5. APPLICATIONS A LA PLONGEE
•
Communication entre plongeurs
•
Chocs sur bouteilles
•
Cris dans l’embout
•
Communication entre surface et plongeurs:
•
Chocs sur échelle métallique
•
Pétard de rappel
•
Orientation et sécurité ( bruit des moteurs )
•
Sondeur
Exercice:
1. Une explosion a lieu à la surface à 4950 m d’un bateau de plongée . Quel sera l’intervalle
de perception entre les plongeurs au palier et le marin sur le bateau ?
Dans l'eau : 4950 / 1500 = 3.3 s
Dans l'air : 4950 / 330 = 15 s
Exercices sur les lois physiques
Exercice 1: La pression absolue à 15 m de profondeur est de:
3 bars
2,5 bars
1,5 bars
2,8 bars
Exercice 2 : Un plongeur en surface éprouve des difficultés à s'immerger.
Les causes peuvent êtres :
Il garde beaucoup d'air dans ses poumons lorsqu'il essaie de descendre.
Sa stab n'est pas purgée
Son lestage est insuffisant
Exercice 3: Supposons qu’un bloc vide de 12 L pèse 15 kg pour un volume d’extérieur de 14L.
Quel est son poids apparent dans l’eau?
Exercice 4: Un plongeur découvre un coffre d’un volume de 50 L et d’un poids de 100 kg.
1) Quel est son poids apparent?
2) Sachant qu’il repose sur un fond de 25 m, quel volume d’air devra-t-il mettre dans un parachute
pour que l’ensemble soit en flottabilité nulle. (Poids et flottabilité du parachute négligée; densité de
l’eau = 1)
Exercice 5: Vous plongez équipé d’une bouteille de 12 L de volume interne et gonflée à 180 bars.
Vous devez impérativement remonter à 50 bars. Sachant que votre consommation en surface est de
18L / min, quelle sera votre autonomie à 22 m?
Exercice 6: Un plongeur qui consomme 20L/min en surface part avec une bouteille de 12 L gonflée
à 180 bars. Il plonge 5 min à 25m puis 15 min à 20m. Combien de temps peut-il encore rester à 3 m
pour son palier de sécurité?
Exercice 7 : Un plongeur est à l’entraînement en piscine de 2 m de profondeur avec son bloc. Au
fond il remplit ses poumons de 7 L d’air. Il bloque sa respiration et remonte en surface. Quel sera le
volume de ses poumons en surface? Quelle est la conséquence possible?