Lois physiques en Plongée

Physique appliquée
à la Plongée
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Pressions
Les variations de volumes
La consommation d’air
La flottabilité
La Vision
L’Acoustique
La composition de l’air
La dissolution de l’air
Objectif
Être capable de comprendre les notions physiques
simples qui interviennent en plongée :
 les effets du milieu,
 les principes de fonctionnement du matériel,
 l'autonomie en air,
 la flottabilité.
Tous ce qui est indispensable pour votre autonomie
Les pressions
PRESSION
ABSOLUE
PRESSION
ATMOSPHERIQUE
PRESSION
RELATIVE OU
HYDROSTATIQUE
Sur une surface de 1 cm²
une colonne d'eau de 10m
de hauteur exercera une
pression de ~ 1 bar.
• 1 m3 = 1000 L
• 0,01m X 0,01m X 10m = 0,001 m3
= 1 L.
Pression relative = Pression exercée par la colonne d'eau
Pression absolue = Pression relative + Pression atmosphérique
La pression absolue
Pabs = Patm + PHydro
2000 m
0.8 b
1b
Pression
Atmosphérique
surface
1b
Pression
Hydrostatique
Pression Absolue
=
2 Bars
2b
Pression
Hydrostatique
Pression Absolue
=
3 Bars
3b
Pression
Hydrostatique
Pression Absolue
=
4 Bars
- 10 m
-20 m
- 30 m
Les variations de volume
La loi de Boyle Mariotte
décrit les effets de la
pression sur les gaz.
Les gaz sont compressibles
et en plongée ils se
compriment à la descente
(la pression augmentant)
et se dilatent à la
remontée (la pression
diminuant).
On immerge à 50 mètres de
profondeur un ballon contenant
un certain volume de gaz (5L).
Les variations de volume
La loi de Boyle Mariotte peut s’écrire de la manière
suivante :
P x V = constante
ou encore
P1 x V1 = P2 x V2 = P3 x V3 …
Volume
1 x 30 = 30
2 x 15 = 30
C’est à dire :
3 x 10 = 30
4 x 7,5 = 30
5 x 6 = 30
6 x 5 = 30
Les variations de volume
Les conséquences de la loi de Boyle Mariotte en plongée
sont nombreuses :
 accidents barotraumatiques : la compression ou la
décompression de l'air dans l'organisme peut entraîner des
accidents (volume qui double entre 10m et 0m).
 effets sur la consommation d'air : l'air étant comprimé
en profondeur, pour un même volume d'air inspiré la
quantité d'air consommée augmente avec la profondeur.
 effets sur l'équipement : utilisation du gilet stabilisateur,
compression de la combinaison.
Les variations de volume :
application
Nous plongeons avec un Bloc de 12L court à
200 bars :
• Combien cela ferait-il de volume d’air à 1 bar ?
12 L x 200 bars = 2400 L à 1 bar
• Y a-t-il plus d’air dans un 12L long ?
non
• Y a-t-il plus d’air dans un 15L gonflé à 160 bars ?
15 L x 160 bars = 2400 L à 1 bar
 pas de différence
La consommation d’air
La ventilation de l'Homme en surface (pression = 1 bar) lors d'un
effort modéré est d'environ 15 à 20 litres d'air par minute.
A 10 mètres de profondeur, l'air est deux fois plus dense. Donc
lorsqu'un plongeur respire 1 litre d'air à cette profondeur, cela
correspond à 2 litres d'air en surface.
Un plongeur ayant une autonomie d'air de 2 heures en
surface verra cette autonomie être divisée :
 par 2 à 10 mètres  1 heure,
 par 3 à 20 mètres  40 minutes,
 par 4 à 30 mètres  30 minutes,
 par 5 à 40 m  24 minutes.
Un homme essoufflé consomme 80 à 100 L par minute
 4 à 5 fois plus  Faites le calcul…
La consommation d’air :
applications
Exemple : calculons l'autonomie à 30 mètres de profondeur d'un plongeur respirant
15 litres d'air par minute et disposant d'un bloc de 12 litres à 200 bars.
Deux méthodes peuvent être utiliser pour connaître son autonomie :
Méthode 1 : calculer sa consommation en litres équivalent surface à la profondeur
donnée.
Une consommation de 15 litres d'air à 30 mètres (4 bars) par minute correspond à :
15 x 4 = 60 litres d'air par minute en équivalent surface.
Il suffit alors de diviser le volume d'air disponible en surface par 60 soit :
(12x200)/60 = 2400/60 = 40 minutes. Le plongeur pourra rester 40 minutes.
Méthode 2 : calculer le volume d'air disponible à la profondeur donnée.
Les 2400 litres d'air disponibles en surface dans le bloc correspondent à :
2400 / 4 = 600 litres d'air à 4 bars.
Le plongeur consommant 15 litres d'air par minute, on obtient une autonomie de 600 /
15 = 40 minutes.
La consommation d’air :
applications
D'autres paramètres influent sur la consommation d'air du plongeur, et
donc sur son autonomie :
 Le niveau de stress, généré par exemple par des conditions de plongée
difficiles (faible visibilité, courant, luminosité).
 Le froid.
 L'équipement : un lestage mal adapté, une combinaison ou un gilet
stabilisateur trop serré.
 Le courant : il faut toujours partir à contre-courant, pour revenir dans
le courant.
 L'entraînement physique : une bonne hygiène de vie, un entraînement
régulier en mer ou en piscine.
 Un comportement "nerveux" : palmage inefficace ou rapide, mouvements
de bras...
 Le facteur physiologique : chaque individu à une consommation "de base"
qui lui est propre (différence entre homme et femme).
La réserve
Il convient de calculer son autonomie en tenant compte de la marge de
sécurité.
Tout plongeur doit amorcer sa remontée en ayant conservé 50 bars dans sa
bouteille : c'est ce qu'on appelle communément la réserve.
Il convient donc de retirer de la pression initiale de la bouteille les 50 bars
de la réserve.
Le volume d'air disponible en surface pour un bloc de 12 litres gonflé à 200
bars est alors de :
(200-50)x12 = 1800 litres d'air.
On obtient alors les calculs d'autonomie suivants :
• Méthode 1 : Le plongeur consomme 60 litres d'air par minute à 30 m en
équivalent surface. Son autonomie est de 1800 / 60 = 30 minutes.
• Méthode 2 : Les 1800 litres d'air disponibles en surface correspondent
à 1800 / 4 = 450 litres à 30 mètres. Le plongeur consomme 15 litres
d'air par minute, son autonomie est donc de 450 / 15 = 30 minutes.
La flottabilité
Pourquoi le plongeur N2 doit-il
s’intéresser à la poussée d’Archimède?
 La pratique de l’autonomie impose de
contrôler à tout instant dans la plongée sa
flottabilité.
 Cela suppose de bien choisir et bien
utiliser son équipement pour :
– maîtriser son immersion
– maîtriser sa stabilité
– maîtriser sa remontée
La flottabilité
Lorsqu’un plongeur s'immerge, cela met en jeu 2 forces qui
s'opposent :
 le poids réel, qui a tendance à le faire couler,
 la poussée de l'eau, aussi appelée la poussée d'Archimède.
Il en résulte un poids apparent.
Profondeur
POIDS REEL
POUSSEE
ARCHIMEDE
La poussée d’Archimède
Tout corps plongé dans un fluide subit
de la part de celui-ci une poussée
verticale dirigée de bas en haut égale
au poids du volume du fluide déplacé.
Poids apparent = Poids réel - poussée d'Archimède
POIDS REEL
= 75kg
 Poids apparent = -5
POUSSEE
ARCHIMEDE
Volume fluide (eau)
= 80L = 80kg
La poussée d’Archimède
En plongée, 3 situations :
P REEL < PA
On monte
POIDS REEL
Poids
Apparent
négatif
POUSSEE
ARCHIMEDE
P REEL = PA
On s’équilibre
POIDS REEL
Poids
Apparent
=0
POUSSEE
ARCHIMEDE
P REEL > PA
On coule
POIDS REEL
Poids
Apparent
positif
POUSSEE
ARCHIMEDE
La flottabilité :
applications
Un bloc vide d'une contenance de 15 litres pèse 18 kg en surface.
Quel est son poids apparent une fois qu'il est immergé ?
 3 kg
 Il remonte
 0 Kg
 Il est à l’équilibre
 -3 kg
 Il coule
15 Litres d’air à 200 bars pèsent 4 kg en surface.
Quel est le poids apparent du bloc plein ?
 Il remonte
7 kg
 Il est à l’équilibre
- 1 kg
 Il coule
4 kg
La flottabilité
Le plongeur jouera sur différents éléments pour faire varier sont
poids apparent et ainsi s'équilibrer dans l'eau :
- Le lestage
- Le gilet stabilisateur
- Le poumon ballast
- Le poids de la bouteille (à noter que le poids réel de la bouteille
diminue au cours de la plongée (consommation d'air),
- La combinaison (à noter que le volume de la combinaison diminue
avec la profondeur.
- La différence carrière / mer (sel). L'eau de mer est plus lourde
que l'eau douce, la poussée d'Archimède est donc plus
importante en mer.
o
o
o
o
Ainsi 1 litre d'eau douce pèse 1 kg,
1 litre d'eau de mer Atlantique environ 1.024 kg
1 litre d'eau de mer à forte salinité (Mer Rouge) 1.044 kg.
1 litre d'eau de mer à très forte salinité (Mer Morte) 1.275 kg.
La vision
La vision sous marine subit des modifications liées à la différence d’indice de
réfraction entre l’air contenu dans le masque et l’eau, ainsi que par l’absorption
sélective de la lumière et la diffusion due aux particules de l’eau
grossissement (d’un facteur 4/3 )
rapprochement (facteur ¾)
La vision
L’absorption est due à l’eau. L’intensité lumineuse
diminue et les couleurs disparaissent au fûr et à
mesure de la profondeur.
L’acoustique
La vitesse de propagation d’un son dépend de la densité du milieu :
– Dans l’air environ 330 m/s
– Dans l’eau environ 1500 m/s
– Dans l’eau 4,5 fois plus rapide que dans l’air
Conséquences :
– La localisation des sons dans l’eau impossible.
– Tour d’horizon
Composition de l’air
1 % d’autres gaz (Argon, Krypton, CO2, CO…)
21 % d’oxygène O2
78 % d’azote N2
Pour des raisons de
commodités on
"simplifie" souvent en
disant que l'air se
compose de :
- 80 % d'azote
- 20 % d'oxygène
Les pressions partielles:
loi de Dalton
A température donnée, la pression d'un mélange gazeux (pression
absolue) est égale à la somme des pressions partielles des gaz
qui le composent.
Autrement dit dans l’air :
Pabs = Pression partielle N2 + Pression partielle O2
La pression partielle d'un gaz dans un mélange est égale au
pourcentage de ce gaz dans le mélange multiplié par la pression
absolue :
Pression Partielle = Pabsolue x Pourcentage Gaz
Pp
A la surface : Pp O2 = 1 x 0,2 = 0,2
A 20 m : Pp O2 = 3 x 0,2 = 0,6
P abs
%
Les pressions partielles:
applications
En effet la tolérance de l'organisme à divers gaz varie selon la
nature des gaz et la pression à laquelle ils sont respirés.
Ainsi à l’air :
 L’oxygène est toxique au-delà de 70m
 L’azote est toxique au-delà de 30m (narcose)
 Le CO2 est toxique en trop grande quantité (essoufflement)
En conséquence la loi de Dalton est utilisée pour calculer la
profondeur limite de plongée à l'air, la mise au point des tables
de plongée et la préparation des plongée aux mélanges (Nitrox,
Trimix...).
La dissolution de l’air
C’est bientôt fini
La dissolution de l’air
Lorsqu'un gaz est mis en contact avec un liquide, une
partie de ce gaz se
dissout dans le liquide.
Différents facteurs influencent le degré de cette dissolution,
en particulier la
Pression et le Temps.
Le corps humain étant composé à 70 % d'eau il s'effectue
des échanges entre les mélanges gazeux contenu dans les
poumons et les tissus humains.
Le plongeur par la pression qu’il subit en immersion est
directement affecté.
La dissolution de l’air
En plongée la valeur de dissolution de l'azote est déterminée en fonction de la
variation de pression et du temps d’exposition dans l'organisme.
Équilibre
Saturation
Sous Saturation
Sursaturation
La dissolution de l’air
De nombreux facteurs influent sur la quantité de gaz absorbé par un liquide :
LA PRESSION
Le plongeur immergé en profondeur
LA DUREE
La dissolution n’est pas immédiate, agit donc sur le temps de plongée
L’AGITATION DU GAZ ET LIQUIDE
Effort important en plongée augmente la dissolution des gaz
LA TEMPERATURE
La dissolution des gaz augmente quand la température diminue
LA SURFACE DE CONTACT
Les poumons du plongeurs
LA SOLUBILITE DU GAZ
En plongée, Azote se dissout de manière importante
LA NATURE DU LIQUIDE
Dissolution de l'azote est différent suivant
le tissu organique : muscle, graisse, os, ...
La dissolution de l’air :
applications
Ainsi quand le plongeur respecte la vitesse de remontée
adéquate et les paliers de décompression, l'azote est
évacué, l'organisme retrouve l'état de saturation et la
remontée peut se faire en toute sécurité.
A l'inverse, en cas de remontée rapide ou de non
respect des paliers, la sur-saturation sera trop
importante et les bulles ne pourront pas être éliminée
par les poumons. Ces bulles seront alors acheminées
vers les différents organes et, comme la pression
baisse, leur taille augmente. Ces bulles, en obstruant
les vaisseaux sanguins sont alors à l'origine des
accidents de décompression.
Conclusion
Un petit Quizz pour la semaine prochaine
Prochain cours : 9 décembre : Le matériel