La PHYSIQUE en plongée

Cours PP2-PP3
Novembre 2013
La PHYSIQUE en plongée
Introduction
Boyle ­ Mariotte
Archimède
Henry
Dalton
Optique
Acoustique
INTRODUCTION
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)

Masse volumique kg/m3
rapport entre la masse d'un corps et son volume (φ = masse * volume)

Densité kg/m3
rapport de la masse volumique de l'objet à la masse volumique d'un objet de
référence (l'eau pour les liquides et solides, l'air pour les gaz)

Température °Celsius, Kelvin
1°C = 273 K
INTRODUCTION
…

Force Newton
interaction entre deux objets (f = masse * accélération)

Accélération de pesanteur g m/s²
modification affectant la vitesse d'un mouvement en fonction du temps par la force de
pesanteur g = 9,81 m/s²

Poids N, Kilogramme-force (Kgf)
force de pesanteur s'appliquant à un objet d'une certaine masse (P = m*g)

Pression N/m², Pascal, mm de Mercure (mmHg)
force appliquée à une surface
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
1 000 m d'air exercent une pression de 0,1 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 = Patm + Phyd
1 bar = 1 000 hPa
1 hPa = 100 Pa
Profondeur
P. atm.
P. hydro.
P. abs.
0m
1 bar
0 bar
1 bar
1m
1 bar
0,1 bar
1,1 bar
10 m
1 bar
1 bar
2 bar
20 m
1 bar
2 bar
3 bar
LOI DE BOYLE ­ MARIOTTE
P * V = P' * V'
Le volume d'un gaz dépend de la pression qu'il subit
Si P augmente V diminue
P = 1 bar *
V=4L
=
4
P' = 2 bar *
V' = 2 L =
4
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 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
Archimède pèse un objet
dont il détermine la masse
Puis il le plonge dans un
récipient d'eau
La masse diminue !
Cette loi s'applique pour :
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 mannequin, technique
de la nage capelée, le tarage des bateaux, etc.…
LOI D'ARCHIMEDE
Un objet de 1 litre est « poussé » de 1 Kgf vers la surface
Poids apparent = Poids réel – Poussée Archi
Volume
Poids
1L
0,5 Kgf
1L
1 Kgf
1L
1,5 Kgf
P app.
Résultat
-0,5 Kgf L'objet flotte
0 Kgf L'objet est en équilibre,
reste à la même profondeur
+0,5 Kgf L'objet coule
Si un objet de gros volume a une masse assez faible, il peut flotter.
LOI DE HENRY
La loi de Henry définit le comportement d'un gaz lorsqu'on le met en
contact avec un liquide :
La dissolution d'un gaz dans un liquide dépend de la
température, de la pression du gaz et de la durée d'exposition
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).
En surface, le corps est adapté à la pression ambiante et l'azote en équilibre entre
l'extérieur et l'intérieur des tissus.
A la descente il n'y a pas de problème, le gaz, compressé par la pression entre dans
l'organisme petit à petit.
Pour la remontée, la pression diminue donc le gaz va avoir tendance à sortir du
corps, pour rejoindre l'endroit où la pression est moindre.
C'est pourquoi on insiste sur la vitesse de remontée, les paliers
LOI DE DALTON
A température constante, la somme des pressions partielles des
gaz qui constituent un mélange est égale à la pression de ce
mélange
Cela nous mène à la notion de pression partielle :
P. absolue (mélange) = P. partielle (gaz1) + P. partielle(gaz2)...
LOI DE DALTON
A température constante, la somme des pressions partielles des
gaz qui constituent un mélange est égale à la pression de ce
mélange
Cela nous mène à la notion de pression partielle :
P. absolue (mélange) = P. partielle (gaz1) + P. partielle(gaz2)...
Ou
Pp (gaz) = Pabs (mélange) * % (gaz)
Dans l'air on a (en gros) 20 % de dioxygène et 80 % d'azote.
En surface, la pression partielle du dioxygène est de : 1 bar * 20 % = 0,2 bars
celle de l'azote est de : 1 bar * 80 % = 0,8 bars
A 20 mètres, en respirant de l'air, ces valeurs seront de : 3 bars * 20 % = 0,6 bars
Et : 3 bars * 80 % = 2,4 bars
LOI DE DALTON
En plongée, cela va avoir des implications physiologiques :
Gaz
Risque
Seuil
Prof
Oxygène
Hyperoxie
(toxicité)
Pp > 1,6 bars
70 m
Azote
Narcose
Toxicité
Pp > 3,2 bars
Pp > 5,6 bars
30 m
60 m
Dioxyde de carbone
Essoufflement
Pp > 0,02 bars
Suivant l'effort
D'où les limitations de profondeur :
60 m pour une plongée à l'air (PpN2 max), 6 m pour un palier à
l'oxygène 100 %
Optique
Des phénomènes physiques vont affecter la perception du plongeur
(distances, dimensions, couleurs)
Le Masque : effet grossissant (4/3 de la taille réelle)
effet rapprochant (3/4 de la distance réelle)
Optique
Des phénomènes physiques vont affecter la perception du plongeur
(distances, dimensions, couleurs)
Absorption : disparition de la lumière ou de longueurs d'onde
Les différentes longueurs d'onde qui composent la lumière sont absorbées
Optique
Des phénomènes physiques vont affecter la perception du plongeur
(distances, dimensions, couleurs)
Absorption : disparition de la lumière ou de longueurs d'onde
Les différentes longueurs d'onde qui composent la lumière sont absorbées
Diffusion : rayonnement de la lumière, perturbé par la clarté de l'eau, la
salinité
Optique
Des phénomènes physiques vont affecter la perception du plongeur
(distances, dimensions, couleurs)
Absorption : disparition de la lumière ou de longueurs d'onde
Les différentes longueurs d'onde qui composent la lumière sont absorbées
Diffusion : rayonnement de la lumière, perturbé par la clarté de l'eau, la
salinité
Réflexion / réfraction : changement de direction de la lumière
Acoustique
Dans l'eau, la vitesse de propagation de l'onde sonore est de
1500 mètres/seconde
Soit environ 5 fois plus que la vitesse de propagation du son dans l’air
Conséquences : difficultés d'identifier la provenance du bruit (moteur de bateau)
Boyle – Mariotte
P * V = constante
Archimède
Papp = Préelle – Poussée A.
Henry
Dissolution gaz = f(température, pression, temps)
Dalton
Pp (gaz) = Pabs (mélange) * % (gaz)
Vision
Grossi 4/3, rapproche 3/4
Acoustique
1500 m/s
QUESTIONS
I. Un plongeur professionnel plonge à 40 mètres pour remonter une
ancre d’un poids réel de 60 kg et d’un volume de 10 litres. Pour cela
il introduit 40 litres d’air dans un parachute de 60 litres (on négligera
le poids et la poussée d’Archimède du parachute).
1) Que va-t-il se passer ? Pourquoi ?
2) A partir de quelle profondeur pourra-t-il lâcher l’ensemble (parachute
et ancre), qui remontera tout seul?
3) Quel sera le volume d’air dans le parachute arrivé en surface ?
II. Un plongeur tout équipé pèse 100 kg et déplace un volume de 105 l.
1) Combien de plombs doit il mettre pour être équilibré à 3 m en eau de
mer (densité 1,03) ? En eau douce (densité 1,0) ?
2) Combien de plombs doit il enlever ou remettre entre l’eau de mer et
l’eau douce ?
QUESTIONS
III. Mélanges.
1) Peut-on plonger à 40 mètres avec un mélange composé de 40%
d’oxygène et 60% d’azote, sachant que la limite de toxicité de
l’oxygène est de 1,6 bar ?
2) Vous effectuez une plongée au Nitrox composé de : O2 30 %, N2 70 %
Quelle est la profondeur maximale que vous pouvez atteindre ?
IV. Alors que vous êtes en plongée, vous entendez le son d’une
explosion sous-marine 6 secondes après qu’elle ait eu lieu. A quelle
distance de l’explosion êtes vous situé ?