La PHYSIQUE en plongée

La PHYSIQUE
en plongée
La PHYSIQUE
en plongée
Introduction:rappel des unités
Loi Boyle Mariotte
Loi Dalton
Poussée d'Archimède
Loi Henry
Optique
Acoustique
Exercices !!!
Les unités utilisées
Volume L
espace occupé par un objet, liquide ou gaz
Masse g, kg
quantité de matière qui constitue un objet (m = densité * volume) exprimée en
Kg, confondue avec le poids !!
Masse volumique kg/m3
Rapport entre la masse d'un corps et son volume (φ = masse / volume)
Masse volumique de l'eau de mer : 1025 à 1035 kg/m3
Densité kg/m3
rapport de la masse volumique de l'objet à la masse volumique d'un objet de
référence (l'eau douce pour les liquides et solides, l'air pour les gaz)
Densité de l'eau de mer : 1025/1000 = 1,025
Densité du plomb : 11000/1000 =11
Température °Celsius, Kelvin
Tk= Tc+273,15
Masse : Kg
Masse volumique :Kg/m3
Densité = φ1 / φ eau douce
Poids Newton
Le poids est une mesure de la force entre deux objets due à la gravité, le poids
s'exprime en newtons.
Sur Terre, une masse de 1 kg génère une force (poids) de 9,806 65 N.
La pesanteur « normale » a été fixée à 9,806 65 m/s.
Pression
force appliquée à une surface
Le pascal (symbole Pa) est l'unité du système international. Une pression de 1
pascal correspond à une force de 1 newton exercée sur une surface de 1 m2 : 1
Pa=1 N/m².
Pression= Poids/surface.
En plongée, nous utiliserons le bar, 1b=100 000Pa = 1daN/cm².
En plongée
De manière abusive, on considère souvent que 1 bar vaut 1 kgf/cm2. Cela nous
simplifie la vie.
un atmosphère = 1bar,
10 mètres de colonne d'eau = 1bar.
LA PRESSION
1. Pression Atmosphérique
Pression exercée par la colonne d'air sur une surface donnée
Au niveau de la mer = 1 013,25 hPa ~ 1 bar
2. Pression hydrostatique
Pression exercée par la colonne d'eau sur une surface de 1 cm2
10 m d'eau exercent une pression de 1 bar
3. Pression absolue
Pabs = P atm + Phyd
Prof (m)
P.atm
P.hyd
P.abs
1
1
0
1
3
1
0,3
1,3
10
1
1
2
20
1
2
3
LOI DE BOYLE MARIOTTE
P1 * V1 = P2 * V2
P*V=Constante
Cela est vrai à température constante.
Le volume d'un gaz dépend de la pression qu'il subit.
Si P augmente V diminue.
Application à la plongée
Tous les volumes gazeux contenus dans
le corps humain ou le matériel sont soumis
à cette loi :
- Les poumons
- Les sinus
- L'oreille moyenne et interne
- Le masque
- La stab
- La combinaison étanche
LOI DE BOYLE MARIOTTE
Les variations de volume sont d'autant plus importantes que l'on se rapproche
de la surface.
LOI DE BOYLE MARIOTTE
●
Incidence de la température.
On constate que la compression d'un gaz s'accompagne d'une
augmentation de la température.
La loi de Boyle Mariotte prend en compte cet aspect :
PV/T =Constante
P1V1/T1 = P2V2/T2
T est exprimé en °Kelvin
Application à la plongée
- Calcul d'autonomie et calcul de consommation
- Gonflage de bloc avec des tampons
- Refroidissement du bloc après gonflage
- relevage d'encre avec un parachute
LOI DE BOYLE MARIOTTE
●
Température d'un bloc de plongée
Après le gonflage de votre bouteille de 12l à 220b sa température est
de 40°.
Arrivé sur le bateau, sa température n'est plus que de 14°.
Quelle pression y a t-il dans votre bloc ?
P1V1= 12 *220 = 2640
Tk1=273+40 , Tk2=273+14
P2=P1Tk2 /Tk1 : 220* 287/313 = 201b
La pression dans votre bloc n'est plus que de
201b.
LOI DE BOYLE MARIOTTE
●
Exercices Rappel
Sachant qu’un plongeur consomme 20 litres d’air par minute et qu’il dispose d’un bloc de 12 litres
gonflé à 200 bars :
-de quelle autonomie dispose-t-il en nageant en surface avec un tel bloc (pas de réserve)?
-de quelle autonomie dispose-t-il en plongeant à 20 mètres (réserve à 50 bars) ?
-de quelle autonomie dispose-t-il en plongeant à 40 mètres (réserve à 80 bars) ?
En surface 200*12/20 =120 minutes soit 2 heures
A 20 mètres (200-50)*12/20/3 = 30 minutes
A 40 mètres (200-80)*12/20/5 = 14 minutes
LOI DE BOYLE MARIOTTE
On utilise 2 bouteilles tampon de 30L gonflées à 220 bars pour
remplir 2 bloc de 12 litres ayant une pression de service de 230 bars.
Il reste 50 bars dans le premier bloc et 80 bar dans le deuxième.
Quelle sera la pression en fin de gonflage ?
Volume tampon : 2 * 30 *220 : 13200 litres
Volume bloc 1 : 12 * 50 =600
Volume bloc 2 : 12*80 =960
Volume total : 13200 + 600 + 960 = 14760
Pression dans les bloc : 14760 /84 = 175,7 bar.
Quelle aurait été la pression dans les blocs si nous avions utilisé les
bouteilles tampons séparément ?
190b
LOI DALTON
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●
●
La pression exercée par un mélange gazeux est égale à la somme
des pressions partielles de chacun des gaz constituant le mélange.
La pression partielle d'un gaz constituant d'un mélange correspond à
la pression que ce gaz exercerait s'il occupait seul le volume occupé
par le mélange.
La pression partielle d'un gaz constituant d'un mélange est égale au
produit de la pression totale par le pourcentage du gaz dans le
mélange.
●
Pp = Pabsolue x %du gaz
● Ptotal=somme des Pp
LOI D'ARCHIMEDE
Tout corps immergé dans un liquide reçoit de la part de celui-ci une
poussée verticale, dirigée de bas en haut, égale au poids du volume
de liquide déplacé
En plongée, nous accepterons que 1 litre d'eau pèse 1kg et que donc un
volume de 1 litre a une poussée verticale de 1kg.
Flottabilité = Poussée d'Archimède - Poids réel
Application à la plongée
Le lestage du plongeur, les calculs pour remonter un objet, l’application du poumon
ballast, l’utilisation de la stab, les techniques d’immersions, le tarage des bateaux, etc …
L'intensité de poussée d'Archimède est égale au poids de l'eau déplacée.
LOI D'ARCHIMEDE
La poussée d'Archimède peut varier au cours de la plongée.
Plusieurs facteurs agissent sur cette poussée :
Consommation de l'air du bloc.
Masse de l'air 1,204 kg/m3.
Un bloc de 12 litres gonflé pèse à peu près 18 kg à l'air libre. Une fois
immergé, il ne pèse plus que 6 kg, la poussée d’Archimède est égale à 12 kg.
Le poids de l'air dans le bloc est de 200b * 12l * 1,2kg/m³
200*0,012*1,2 = 2,88Kg
Écrasement de la combinaison avec la profondeur
Poumon ballast et gilet stabilisateur
Gonflage du parachute
LOI DE HENRY
La loi de Henry définit le comportement d'un gaz lorsqu'on le met en
contact avec un liquide :
A température constante et à saturation, la quantité de gaz dissous dans un
liquide est proportionnelle à la pression du gaz au dessus du liquide.
- Lorsqu’un gaz est en contact avec un liquide il se produit un échange gazeux entre eux, le
gaz se dissout dans le liquide.
- La Tension est le nom donné à la pression exercée par le liquide sur le gaz dissous dans
le liquide.
- La Saturation est l'état par lequel la pression du gaz et sa tension dans le liquide sont en
équilibre, c'est à dire lorsque le maximum de gaz est dissout.
Application à la plongée
Pour la plongée, l'azote (le gaz) va se dissoudre dans un liquide (le sang, les
différents tissus par extension) en fonction de la pression (la profondeur) et de la
durée d'exposition (le temps de plongée).
La température au niveau de la zone d'échange ,les alvéoles pulmonaires, est constante.
LOI DE HENRY
g
En plongée, la loi de Henri a une application directe dans le calcul des
tables de plongée.
LOI DE HENRY
●
Les facteurs qui influencent la dissolution sont :
- La nature du gaz et du liquide
- La pression, la température, la surface d’échange
●
●
●
●
La pression augmente la dissolution.
Le froid favorise la dissolution.
Plus la surface d'échange est grande, plus la dissolution est importante.
La dissolution n'est pas instantanée, la période caractérise l'affinité entre le gaz et le liquide.
● La
Période est le temps nécessaire à un liquide pour atteindre la demi-saturation, à chaque
période le liquide dissout 50 % du gaz.
– L'évolution de la charge de gaz dans le temps est donnée par une équation qui a servi à
produire les tables de plongée.
L'équation d'Haldane s’appuie sur la Loi de Henry. Il proposa une formule pour déterminer
les coefficients de saturation des différents tissus de l'organisme : T : tension (i.e. pression)
de gaz dans les tissus To : tension initiale TN2 : tension actuelle Tf : tension finale to :
Période du compartiment t : temps actuel TN2 = To + (Tf - To) (1-0.5^{(t/to)})
● Haldane a résolu le premier cette équation, et pour cela, il a émis des hypothèses pour
simplifier la résolution :
● On détermine un certain nombre de tissus, chacun aura sa période.
● La pression des gaz est uniforme à l’intérieur d'un tissu.
● Les tissus sont considérés comme isolés entre eux et n'échangent des gaz qu'avec la
circulation sanguine.
● La pression se transmet instantanément aux gaz contenus dans les alvéoles
pulmonaires.
LOI DE HENRY
LOI DE HENRY
●
Notre corps est modélisé par des compartiments regroupant les tissus
de mêmes caractéristiques : même période de dissolution et même
facteur de sursaturation.
Il y a les tissus courts ( P=5min), qui saturent et dé-saturent
rapidement et les tissus lents (graisse) qui se saturent et se désaturent lentement (P=120min).
Les tables MN90 utilisent 12 compartiments, chaque compartiment a
son seuil de sursaturation critique : Sc=TN2/Pabs
TN2 : tension dans le compartiment
LOI DE HENRY
●
Le coefficient de sursaturation critique
Lors d'une remontée, l'organisme est en état de sur-saturation par
rapport à la pression ambiante qui diminue. Ce rapport permet de
déterminer un coefficient ou seuil à partir duquel on considère qu'un
compartiment est en sur-saturation critique et qu'il y a risque de
dégazage anarchique. Ce coefficient est nommé Sc.
P
5
7
10
15
20
30
40
50
60
80
100
120
Sc
2,7
2
2,5
4
2,3
8
2,2
2,4
1,8
2
1,6
8
1,6
1
1,5
8
1,5
6
1,55
1,5
4
LOI DE HENRY
●
Exemple
Vous plongez à 40 mètres pendant 20min. Quelle est la tension d'azote dans les
tissus de période 5min en fin de plongée (avant de remonter) .
TN2=0,8 * (5-0,8)(0,9375)=3,8b
Quelle conséquence si vous remontez directement à la surface ?
Nous considérons une remontée immédiate
S=TN2/Pabs = 3,8 > SC5:2,72 !!!!
A quelle immersion aurions nous dû faire un palier pour ne pas dépasser le Sc ?
Pabs=TN2/2,72 =1,4 soit 4 mètres
Il faut donc faire un palier à 6 mètres !!!
Optique
Les quatre effets subis par un rayon lumineux
.
Optique
Optique
Angle critique air/eau 48,5°
Optique
Optique
●
La vision dans l'eau dépend de
:
La qualité de la lumière qui franchit la surface (nuages, hauteur du soleil)
De la profondeur
De la transparence de l'eau
En plongée, sans masque, nous voyons flou. Nous sommes tous hypermétropes, Les rayons
lumineux qui passent de l'eau dans le liquide contenu dans l'œil ne sont pas assez réfractés.
Avec un masque, nous voyons net. L'air emprisonné entre la vitre du masque et l'œil (l’eau) recrée
une situation similaire à la surface. Il y a toujours une perturbation entre le passage eau verre du
masque, air,c’est pourquoi, nous avons une perception erronée de la taille et de la distance .
Nous percevons les choses plus grosses (4/3 de la taille réelle) ou plus proches (3/4 de la
distance réelle).
De plus, notre champ visuel est réduit de 1/4 et est limité par le masque.
Acoustique
Propagation des sons dans l'eau
●
●
Le son se propage très bien dans l'eau. Les ondes acoustiques sont beaucoup moins
atténuées que la lumière. Plus le milieu est dense et plus la vitesse de propagation
est grande.
La vitesse du son
air : 330 m/s
eau : 1500 m/s
Application à la plongée
- On entend très bien les bruits
- On ne distingue pas la direction d’où vient le son