LA PHYSIQUE APPLIQUÉE À LA PLONGÉE
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LA PHYSIQUE APPLIQUÉE À LA PLONGÉE 1 : La pression 1.1 Définition La pression est une force exercée sur une surface. Exemples : - Quand on gonfle un ballon. - Quand on l'écrase pour le faire exploser. - Quand on se fait arroser par un tuyau d'arrosage (ou plus controversé par un Karcher). 1.2 Expression La pression s'exprime en « bars ». 1 bar : c'est la force exercée par le poids d'une colonne d'eau de 10 mètres de hauteur sur une surface de 1 cm² : 1 bar = 1 kgf / 1 cm² 1.3 Cas Concret Un scaphandrier entièrement équipé accuse un poids de 200 kgf. Lorsqu'il est debout, il repose sur le sol uniquement par la surface des semelles de ses chaussures de plomb (soit 500 cm² environ). D'après la formule vue précédemment, on peut déduire la pression exercée sur le sol par son poids reparti sur la surface de ses chaussures en contact avec le sol. Pression (bar) = Poids (kgf) / Surface (cm²) Pression = 200 / 500 = 0,4 bar. En se déplaçant sur un sol vaseux, ce scaphandrier s'enfonce jusqu'aux genoux. On peut donc déduire que la pression exercée sur le sol par ses pieds est trop élevée pour marcher sur de la vase. Si on ne veut pas qu’il s'enfonce, il faut diminuer la valeur de cette pression. Pour ce faire, il y a deux solutions possibles : - diminuer le poids du scaphandrier. - augmenter la surface en contact avec le sol. Ne pouvant diminuer le poids du scaphandrier, nous avons simplement disposé sur le sol vaseux, une planche de 1 m² de surface (10 000 cm²), sur laquelle il peut se tenir debout. De cette façon, nous augmentons la surface en contact avec le sol. D'après la formule, on peut déduire la nouvelle pression : Pression (bar) = Poids (kgf) / Surface (cm²) Pression = 200 / 10 000 = 0,02 bar La nouvelle pression est 20 fois plus faible que dans le cas précédent. La vase supporte cette pression et le scaphandrier ne s’enfonce plus. 1.4 Les différentes pressions 1.4.1 La pression atmosphérique C'est le poids de la colonne d'air de 1 cm² de surface au sol : Pression atmosphérique = 1 bar 1.4.2 La pression hydrostatique ou pression relative C'est la force exercée par le poids de l'eau au-dessus du plongeur (1 bar tous les 10 mètres) : Pression hydrostatique = profondeur en mètres / 10 Exemples : Profondeur Pression 0m 0 bar 10 m 1 bar 20 m 2 bars 30 m 3 bars 40 m 4 bars 50 m 5 bars 60 m 6 bars 1.4.3 La pression absolue C’est la somme de la pression atmosphérique et de la pression hydrostatique. Pression absolue = Pression atmosphérique + Pression hydrostatique Exemples : Profondeur Pression Hydrostatique Pression absolue 0m 0 bar 1 bar 10 m 1 bar 2 bars 20 m 2 bars 3 bars 30 m 3 bars 4 bars 40 m 4 bars 5 bars 50 m 5 bars 6 bars 60 m 6 bars 7 bars 2 : Un aperçu de la loi de Mariotte 2.1 Idée Le volume d'un gaz dépend de la pression qu'il subit Exemple : Le ballon que l'on enfonce dans l'eau diminue de volume. Quand on le remonte à la surface, il reprend son volume de départ. Modèle du Ballon : 2.2 Application à la plongée Tous les volumes gazeux contenus dans le corps humain ou dans le matériel du plongeur, - les poumons, - les oreilles, - les sinus, - l’estomac, - le masque, - le gilet stabilisateur, subissent des variations de volume en fonction des variations de profondeur. Il faut les équilibrer tout au long de la plongée. 2.3 Remarque C'est sur les premiers mètres que la variation de volume est la plus importante. Profondeur Volume Variation du volume 0m 60 L 10 m 30 L -30 L (-50%) 20 m 20 L -10 L (-33%) 30 m 15 L -5 L (-25%) 40 m 12 L -3 L (-20%) 50 m 10 L -2 L (-17%) 3 : La poussée d'Archimède 3.1 Théorème Tout corps plongé dans un liquide reçoit de la part de celui-ci une poussée verticale, dirigée de bas en haut, égale au poids du volume du liquide déplacé. Un objet de 1 litre est « poussé » de 1 kgf vers la surface. Si l'objet a un gros volume et une masse assez faible il peut flotter. Exemples : Volume Poids Poids - Poussée Conséquence 1L 0.5 kgf -0.5 kgf L'objet flotte 1L 1 kgf 0 kgf L'objet est en équilibre. Il reste à la même profondeur 1L 1,5 kgf +0.5 kgf L'objet coule 3.2 Cas concret : la stabilisation Le gilet, en plus de flotter à la surface, permet de se stabiliser sous l'eau. Pour se stabiliser il faut que tout le poids du plongeur soit annulé par la poussée d'Archimède. Pour cela, on gonfle ou dégonfle le gilet pour avoir le bon volume d'air. Attention ! Le volume change avec la profondeur, donc la poussée d'Archimède aussi, il faut attendre d'être au fond pour se stabiliser et parfois il faut se stabiliser plusieurs fois pendant une même plongée, par exemple si la profondeur augmente ou diminue (descente ou remontée le long d'une pente) 4 : Un aperçu de la loi de Henry 4.1 Idée La dissolution d'un gaz dans un liquide dépend de la température, de la pression du gaz et de la durée d'exposition. Donc, pour un liquide en contact avec un gaz à forte pression, il y aura plus de gaz dans le liquide qu'à la pression normale. Par exemple, dans un bouteille de coca-cola, lorsqu'on ouvre la bouteille, la pression extérieur est de 1 bar (pression atmosphérique). Comme cette pression est plus faible que la pression à laquelle le gaz est rentré dans le liquide (à l'usine), le gaz sort du liquide, d'où les bulles. 4.2 Application à la plongée Pour la plongée, on peut assimiler le gaz au diazote de l'air, les liquides aux différents tissus de l'organisme, la pression à la profondeur et la durée d'exposition au temps de plongée. Pour la descente il n'y a pas de problème, le gaz entre dans l'organisme. Pour la remonté, la pression diminue donc on revient au problème de la bouteille de coca-cola. C'est pour cela qu'il faut respecter une certaine vitesse de remontée et des paliers. Comme quand on veut ouvrir une bouteille de coca-cola que l'on a secoué, il faut juste ouvrir un petit peu (vitesse de remonté) et parfois refermer pour stabiliser la pression (paliers). 5 : Un bref aperçu de la loi de Dalton 5.1 Idée Dans un gaz composé d'autres gaz, la pression du gaz est égale à la somme des pression qu'auraient eu les gaz si ils avaient été seul. Exemple de l'air : 20% de dioxygène et 80% de diazote. A la surface, la pression partielle (=du gaz seul) du dioxygène est 0,2 bars et celle du diazote 0,8 bars. 5.2 Application à la plongée Cette loi permet de calculer la profondeur maximale de plongé. En effet, la pression partielle varie aussi avec la profondeur. Si la pression partielle en dioxygène est trop élevée cela peut provoquer un accident de plongé (hyperoxie). A plus de 60 mètres de profondeur, la pression partielle en dioxygène approche de la limite hyperoxique. A cause de ce phénomène, la réglementation limite la plongée à l'air à 60 m de profondeur. 6 : Théorème fondamental de l'immersion en phase aqueuse Théorème : Tout corps plongé dans un liquide... ressort mouillé.
