pression partielle
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1 Physique Physiologie Accidents Tables Matériel N I V Réglementation E A U II CANNES JEUNESSE PLONGEE Paul Franchi Février 1997 – révisé Nov 2002 Pourquoi un cours théorique ? Quel est le seul équipement dont le plongeur ne peut pas se passer ? Couches hautes: Savoir acquis par la formation théorique Situations inhabituelles Situations habituelles Couches basses: Réflexes conditionnés par l’entraînement pratique Physique - Physio - Accidents - Tables - Matériel - Réglementation 2 Physique Physiologie Accidents Tables Matériel 3 Pressions Flottabilité Compressibilité Pressions Partielles Dissolution Réglementation Optique Acoustique N I V E A U II Physique Les Pressions 4 •Définition: La Pression est le résultat de l’application d’une Force sur une Surface P = F / S bar m2 cm2 Pascal Kg Newton bar: 1 bar = 105 Pa = 1000 HPa = 1,020 Kg/cm2 1 bar = 1000 mb ≈ 1 kg/ cm2 Pascal: 1 Pa = 1 N/m2 1 HPa= 100 Pa Application aux pressions: atmosphérique (baromètre) des blocs (manomètre) hydrostatique (détendeur) artérielle (tensiomètre) Physique Les Pressions 5 Expériences: Pour une même Force, la Pression est d’autant plus petite que la Surface de contact est plus grande: Ski, Surf, raquettes Pour une même Force, la Pression est d’autant plus forte que la Surface de contact est plus petite: Clou, Aiguille,Piston hydraulique Exemple: Un surfeur pèse 80 kg tout équipé, il se tient debout: • sur ses chaussures dont la surface de contact avec la neige est 400 cm2: • P = 80/400 =0,2 kg/ cm2 ≈ 0,2 bars • sur son surf dont la surface de contact avec la neige est 0,4 m2 = 4000 cm2: • P = 80/4000 =0,02 kg/ cm2 ≈ 0,02 bars Physique La Pression Atmosphérique 6 Définition: C’est la pression que nous subissons dans l’air. Cette pression est due au poids de l’air de l’atmosphère terrestre; elle diminue donc avec l’altitude. Pression Atmosphérique au niveau de la mer PAtm = 1,013 bar = 1013 millibars ≈ 1 bar ≈ 1 kg/ cm2 Variation avec l’altitude: Entre Cannes et Isola 2000, il y a une différence de pression de 200 millibars (env.) due au poids de 2000 m d’air 2000 m 800 mb 1013 mb 0m Physique La Pression Atmosphérique Expérience de Torricelli: La pression atmosphérique au niveau de la mer est celle exercée par une hauteur de 76 cm de mercure. Poids de la colonne de mercure sur 1 cm2: 76cm * 1cm2 * 13,59 g/cm3 = 1033 g PAtm = 1033 / 1020 = 1013 millibars 1013 mb Physique 7 Pression presque nulle (vapeur de mercure) 76 cm Pression dans l’eau Tout corps immergé subit une pression Hydrostatique due au poids de la colonne d’eau située au dessus de lui; cette pression (dite Relative) augmente donc avec la profondeur. La Pression Relative augmente de Poids d’une colonne de 10 m d’eau: 1kg/cm2 (1 bar environ) tous les 10 m 1000 cm x 1cm2 x 1 g/cm3 = 1 kg La Pression Absolue est la somme des pressions Atmosphérique et Hydrostatique P.Abs = PAtm + P. Rel. P.Abs (bar) = 1 + Prof.(m) / 10 air La Pression s’exerce perpendiculairement sur toute les surfaces d’un corps immergé, eau Physique 8 1 cm2 10 m Calculs de Pression dans l’eau Pression Relative et Absolue en plongée ? Prof(m) P Rel(b) 9 P.Abs (bar) = 1 + Prof.(m) / 10 P Abs(b) 0 3 10 15 20 25 30 Prof(m) =(P.Abs(bar)-1) *10 Profondeur pour une pression donnée ? P Abs(b) 1,2 2,5 3,5 Prof(m) Physique 4,8 5 Flottabilité Principe d’Archimède Poids apparent Flottabilité Lestage Poumon- Ballast Relevage d’objets Physique 10 Théorème d’Archimède 11 Tout corps plongé dans un Masses volumiques fluide reçoit de la part de celui eau douce = 1 Kg/l une poussée (force) verticale dirigée de bas en haut, égale au eau de mer = 1,025 Kg/l air (niveau mer) = 1,293 g/l poids du volume de fluide déplacé Cette force s’exerce sur le centre de carène de l’objet (centre de gravité du volume immergé) PArchim = VOLimmergé * fluide Physique Archimède:La preuve par la pression 12 La différence de pression hydrostatique entre les 2 faces haute et basse est égale au poids du volume de liquide déplacé Physique Poids apparent & Flottabilité Papparent Poids Poussée d ' Archimède Un objet de poids apparent positif coule flottabilité négative Un objet de poids apparent nul est en équilibre flottabilité neutre Un objet de poids apparent négatif flotte flottabilité positive Physique 13 Flottabilité 14 Poids Apparent = Poids Réel - Poussée Archi. PArchi > Préel PArchi = Préel - Poids App 0 air Flottabilité + eau Préel neutre Préel PArchi < Préel plomb + Préel Physique Lestage 15 Lestage Un plongeur doit avoir une flottabilité neutre (gilet vide) à 3m (en fin de plongée). Poids Réel Poussée Archimède Plongeur 65 65 +Combin +3 +8 (à 3 m) Bloc Gilet Equip. +17 +14 Lest Poids Apparent Flottab. 0 P.Archi(Plong.+ Combi + Equip.) = P.Réel(Plong.+ Combi+ Equip.) + Lest Physique Applications d’Archimède - I 16 •Poumon Ballast: un plongeur est équilibré en immersion. • S’il expire son volume diminue => sa P.Archi. Diminue => son P.App. augmente => sa flottabilité devient négative => il coule (descend) • S’il inspire son volume augmente => sa P.Archi. augmente => son P.App. diminue => sa flottabilité devient positive => il remonte •Equilibrage au Gilet de Sécurité: •Gonfler le gilet => augm. P.Archi. => dim. P.App •Dégonfler le gilet => dim. P.Archi. => augm. P.App •Relevage d’Objets: un ballon (ou parachute) permet de diminuer le poids apparent d’objets lourds en augmentant la poussée d’Archimède. Physique Applications d’Archimède - II 17 •Poids apparent à -3 m : Un plongeur pèse 60 kg et son volume nu est de 61 litres. Il porte une combinaison dont le poids est de 3 kg et le volume de 8 litres (sous 3m d’eau). Quel est son poids apparent à -3m? Flottabilité ? Que se passe t il ? •Lestage et équilibrage à - 3 m: Le reste de son équipement, hors la ceinture de plomb, a une flottabilité négative de 4 kg. Quel lest doit il porter pour avoir une flottabilité neutre à 3m? •Poumon-Ballast - 1: Le même plongeur veut descendre sans lest et sans palmer. Que doit il faire? •Poumon-Ballast - 2: Il descend sans lest, et à la fin de sa plongée, il a consommé 2,3 m3 d’air (= 3 kg environ). Peut il tenir le palier à 3m sans palmer ou tenir à un point fixe? Physique Compressibilité des gaz Pressions Loi de Mariotte Equilibrage Autonomie en air Gonflage des blocs Détendeurs Barotraumatismes Physique 18 LOI de Mariotte (1620-1684) - Boyle(1627-1691) 19 supposé vrai en plongée “A température constante, le volume d’un gaz est inversement proportionnel à la pression qu’il subit” air eau Descente: la pression augmente, le volume diminue Remontée: la pression diminue le volume augmente Physique LOI de Mariotte : Calculs 20 Les formules de Mariotte Constante P x V = Cte P. Abs. Volume P1 x V1 = P2 x V2 = Cte Prof(m) P(b) V(l) Cte 0 1 12 12 5 12 10 12 20 12 30 12 Physique V(l) 6 Cte 21 Mariotte- Barotraumatismes Alvéoles pulmonaires, Dents,Sinus, Oreilles Estomac, intestins Cavité fermée explosion déformation succion tympan, jupe du masque Placage de Masque, Dents implosion Sinus, Oreille Physique Mariotte & Archimède: Equilibrage 22 Equilibrage: sans utiliser un gilet, il n’est pas possible d’avoir une flottabilité neutre à toutes les profondeurs. Un plongeur descend, certains volumes diminuent: combinaison, gilet, etc => son poids apparent augmente. S’il remonte, certains volumes augmentent => son poids apparent diminue. Equilibrage (dynamique) au Gilet: •Gonfler => montée lente => flottablité augm. => montée rapide •Dégonfler => descente lente => flottablité dim. => descente rapide => affiner le réglage d’équilibre avec Poumon-Ballast Relevage d’Objets: pendant la remontée, le ballon ne cesse d’augmenter son volume. Avant la profondeur où l’ensemble ObjetBallon atteint une flottabilité neutre, il faut assister la remontée. Après cette profondeur, l’ensemble remonte seul de plus en plus vite. Physique Remontée:de plus en plus rapide flottablité neutre remontée assistée Mariotte - Calculs d’autonomie en air 23 Capacité des blocs: Un bloc de12l gonflé à 200 bars est vidé à la pression absolue PA: (12l x 200b) = (12l x PA) + (V x PA) Air utilisable Le Bloc Plein Fermé Le Bloc vide Ouvert •si PA=P.Atm=1b •si PA=P-30m= 4b => V= => V= Calcul de consommation d’air Un plongeur respire sur le rythme de 20 l / min. Son bloc est un 12 litres gonflé à 200 bars. Combien de temps peut il rester à 20 m, s’il veut garder 50 bars de réserve ? (12l x 200b) = (12l x 50b) + (V x 3b) Le Bloc Plein Fermé Le Bloc sur réserve V à 20 m = Temps à 20 m = Physique Air utilisable à 20m 24 Calcul d’autonomie en air 1800 litres Prof (m) 360 litres Pabs (bar) PV du bloc Réserve 0 200x12 50x12 10 200x12 50x12 20 200x12 50x12 40 200x12 50x12 Physique Air dispo (en l) Cons Durée (l/min) (min) 12 Mariotte- Matériel Détendeurs: Pour diminuer la pression d’un air comprimé, il suffit d’augmenter son volume (Détente) à l’aide d’un piston ou d’une membrane et d’une chambre. Premier étage: de la Haute à la Moyenne pression Second étage: de la Moyenne à la Pression Ambiante Compresseurs: Pour obtenir de l’air sous fortes pressions, il suffit de diminuer son volume (Compression). Dans les compresseurs, on réalise cette opération en plusieurs fois (étages en série), en utilisant des pistons ou des membranes. Physique 25 Pressions Partielles Pressions Composition de l’air Pression Partielle Loi de Dalton Toxicité des gaz Physique 26 Pressions partielles Composition de l’air: % exact Oxygène O2 : 20,9 % Azote N2 : 79 % Gaz Carbonique CO2 : 0,03 % Gaz rares : néon, argon, ... 0,07 % 27 % arrondi 21 % 79 % 0% 0% Intoxications En plongée, les pressions partielles des gaz augmentent, ce qui peut provoquer des intoxications. Oxygène hyperbare A l’inverse, dans les caissons hyperbares, on utilise l’oxygène sous de fortes pressions pour ses vertus thérapeutiques Physique LOI de Dalton (1766-1844) Définition : la pression partielle d’un gaz G dans un mélange M est égale à la pression qu’il aurait s’il occupait seul tout le volume occupé par M. Loi: PPG PM .%G – PPG : Pression Partielle de G – PM : Pression de M – %G : Quantité de G / Quantité de M Physique 28 29 Pour les dyslexiques de la règle de trois Moyen facile de se rappeler des formules: Pp = Pa * % Pa = Pp / % % = Pp / Pa * Physique Un autre Dalton La somme des pressions partielles des composants d’un mélange est égale à la pression du mélange. Pour l’Air PAbs = PPN2 + PPO2 Et pour tous les NITROX Physique 30 31 Dalton coupable ? Toxicité des gaz – – – – Hyperoxie et hypoxie: PPO2 (essoufflement) Hypercapnie: PPCO2 Narcose: PPN2 Empoisonnement par un polluant: PPCO Obligation d’utiliser dans un compresseur des huiles qui ne vont pas carboniser aux PPO2 rencontrées Physique Toxicité des gaz •Profondeur limite et toxicité des gaz: . Pour l’oxygène, le risque de toxicité devient élevé si on excède 1,6 b Palier à l’O2 pur Profondeur maximum => Limite juridique de la plongée à l’air Profondeur limite => Physique 32 Dissolution des gaz Pressions Loi de Dalton Loi de Henry Saturation Tables ADD Physique 33 34 Une dissolution virtuelle 1b 1b 1b 3b 1b 1b 3b Après l’appui, le piston descend d’abord seul (une nouvelle quantité de gaz se dissous) puis se stabilise: c’est un état de saturation Physique 1b 3b 1b Un relâchement rapide de la pression, fait apparaître des bulles dans le liquide LOI de Henry (1797-1878) supposé vrai en plongée Azote 35 Au bout d’un certain tps, à l’équilibre “A température constante, la quantité de gaz dissous, à saturation, dans un liquide est proportionnel à la pression du gaz au dessus de ce liquide” Pp Tissus Dissolution: Un liquide peut dissoudre une quantité maximum Q de gaz qui dépend: Facteurs En plongée •la nature du Gaz Azote •la nature du Liquide Tissus (Compartiments) •la Température Température du corps • si T Q •la Pression Profondeur • si P Q •la durée de contact Temps de plongée •la Surface de contact Tissus + ou - vascularisés • Agitation Q Attention aux efforts Physique 36 Profil de plongée et saturation en azote SUR-SAT SAT 1b ++ + Chaque + correspond à une PpN2 de 0,8 b SUR-SAT +++++ +++ ADD Vitesse excessive ++ +++ SOUS-SAT 5b SOUS-SAT ++++ SUR-SAT SAT ++++ ++ Palier de désaturation SUR_SAT CRITIQUE 3b SUR-SAT Vitesse <15m/min +++++ SAT Physique Sur & Sous saturation 37 Tension: C’est la pression d’un gaz dissous dans un liquide (ex: TN2 la tension d’Azote dans le sang). Saturation: C’est l’état (d’équilibre) d’un liquide quand la Tension = Pression Partielle Ambiante Désaturation: c’est le moyen de « rendre » l’azote dissous, pendant la remontée, Pour l’azote à saturation => en sous-saturation => en sur-saturation => en sur-saturation critique => TN2 TN2 TN2 TN2 = PPN2 croît vers PPN2 décroît vers PPN2 > P.Abs >> PPN2 le coefficient de sursaturation critique Sc donne la valeur maximale de la Tension pour un Tissu à une pression absolue P: T ----P Physique < Sc Henry et les tables de plongée 38 Compartiments: un modèle mathématique pour représenter les parties du corps humain possédant le même comportement vis à vis de la dissolution de l’azote, en particulier le même coefficient de sursaturation critique. cette classification n’est pas directement associée à celle des tissus anatomiques: sang, os, muscle, graisse, ... 12 compartiments pour la table MN90 La loi de Henry permet de calculer des temps de remontée de façon que les compartiments chargés en azote puissent désaturer sans jamais être en sursaturation critique. Vitesse maximun de remontée Paliers de désaturation Tension d’azote dissous (reliquat) due aux plongées précédentes. Les accidents de décompression (ADD) sont dus à une désaturation trop brutale Physique Optique sous l’eau - I Les principaux effets: • LOUPE: plus gros, plus proche • OEILLERES: le champs de vision rétrécit • LE GRAND BLEU: plus on descend, plus on perd les couleurs • TROUBLE: la visibilité diminue 39 Absorption lumineuse: Intensité lumineuse: Disparition des couleurs 0m 100% 5m 40% 15 m 14% 25m 7% 60m 1,5% 400m 0% •Diffusion : Effet du à la réfraction et à la réflexion des rayons lumineux sur les particules en suspension dans l’eau. Physique Optique sous l’eau - II 40 Réflexion et Réfraction: à la surface air-eau (donc le masque), les rayons lumineux: • rebondissent (10%) sur la surface avec un angle égal à l’angle d’incidence (réflexion) • pénètrent (90%) la surface avec un angle inférieur à l’angle d’incidence (réfraction) 48° maxi Plus gros (Taille x 4/3) Plus proche (Dist. x 3/4) Physique Acoustique sous l’eau •Ce n’est pas “Le Monde du Silence”: • bulles et détendeurs • hélices et moteurs • animaux: oursins, baleines, langoustes, etc. • crier, rire dans l’embout Communications • choc sur le bloc, shaker entre plongeurs • pétard de rappel 41 •Vitesses du son: • dans l’air : 330 m/sec • dans l’eau : 1500 m/sec •Direction des sons dans l’eau, il est très difficile de localiser l’origine d’un son, car les ondes sonores arrivent presqu’en même temps aux deux oreilles (perte de l’effet stéréo). •Absorption: dans l’eau, les sons sont rapidement atténués avec la distance, et les aigus plus vite que les graves. On entend un HB à quelques dizaines de mètres, et un cargo à quelques milles. Physique
