(CAH 2B, CPS CNRS, MF2 FFESSM)

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1 NOTIONS DE PHYSIQUE Roland GRAILLE (CAH 2B, CPS CNRS, MF2 FFESSM)! Les pressions! Les pressions partielles! La loi de Mariotte! Le principe d Archimède! La dissolution des gaz dans les liquides 1

2 Les pressions 1) Notion de pression Définition : Une pression est une force (ou un poids) exercée sur une surface. En plongée, l unité utilisée sera le bar (b). F (kg) 1 bar est donc égal à1kg /cm 2. P (b) = S (cm 2 ) 2) La pression atmosphérique Cette pression (P.Atm.) est la force exercée par le poids de l air ( 1,3gr/l) sur la terre. Cette pression diminue avec l altitude (-0,1b/1000m). Elle a été mise en évidence par un physicien italien (Evangélista TORRICELLI). Expérience de TORRICELLI : réalisée au niveau de la mer Nous prenons un tube de 1m de haut, rempli de mercure (Hg) que nous renversons sur une cuve remplie elle aussi de mercure. Le mercure descend et se stabilise à une hauteur de 760 mm. C est donc la pression atmosphérique qui équilibre les forces et empêche le tube de se vider. Au niveau de la mer, on considère que 760mm Hg = 1 bar ou 1013 millibar ou 1013 hectopascal P.Atm en mm Hg P.Atm en bar = 760 3) La pression de l eau On l appelle aussi pression relative ou hydrostatique. Elle résulte du poids de l eau. Si on refaisait l expérience précédente, il faudrait une colonne de 10m de haut sur 1cm 2 pour obtenir une pression de 1b. Nous considérerons donc que la P.relative augmente de 1b/10m. Prof en m P.rel = 10 4) La pression absolue P.abs = P.atm + P.rel Prof = (P.abs P.atm) 10 Profondeur P.abs = + P.atm 10 2

3 Les pressions partielles 1)Introduction Un physicien anglais John DALTON ( ) a mis en évidence la pression propre des gaz composant un mélange gazeux. L air est un mélange gazeux composé de : 20 % d oxygène (O 2 ) comburant 79 % d azote (N 2 ) diluant 0,03 % de gaz carbonique (CO 2 ) 0,07 % de gaz rares Pour des commodités nous considérerons 20% O 2 et 80% N 2. 2) Mise en évidence Calcul de la pression de chaque gaz composant un mélange gazeux l d air 20% O 2 80% N 2 On sépare l O2 et le N2. 100l il reste 20% O 2 100l il reste 80% N 2 0,2b 0,8b La somme des pressions partielles est égale à la pression totale. 3) Règles et formule " La pression partielle d un gaz constituant un mélange est la pression que ce gaz exercerait s il occupait seul le volume. " A température donnée la pression absolue d 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 un mélange est égale au produit de la pression absolue du mélange par le % de ce gaz dans le mélange. Pression partielle (Pp) =Pression absolue (Pabs) % du gaz 5) Application à la plongée! Augmentation des pressions partielles avec la profondeur.! Seuil de toxicité des gaz (PpO 2 = 1,6b - PpN 2 = 4b).! Confection des mélanges respiratoires.! Oxygénothérapie hyperbare.! Accidents toxiques.! Elaboration des tables de plongées. 3

4 La loi de MARIOTTE 1) Introduction Cette loi physique, concerne la compressibilité et la détente des gaz. Elle a été mise en évidence par 2 physiciens l un français (l abbé EDME MARIOTTE ) et l autre irlandais (ROBERT BOYLE ). 2) Mise en évidence a) La compressibilité des gaz Elle peut être mise en évidence à l aide d une seringue graduée au bout de laquelle on fixe un manomètre. On considère que la température reste constante. pression volume Produit p v 1 b 1 l 1 2 b 0.5 l 1 3 b 0.33 l 1 4 b 0.25 l 1 5 b 0.20 l 1 Le produit des valeurs est une constante. b) La détente des gaz Elle peut être mise en évidence à l aide d un parachute que l on gonfle sous l eau avec de l air comprimé. On constate que : La variation en pourcentage du volume est beaucoup plus importante proche de la surface (zone des 10 mètres). 3) Loi et formule A température constante, le volume d un gaz est inversement proportionnel à la pression qu il subit. On peut écrire que P V = constante ou P1 V1 = P2 V2 = P3 V3. 4

5 4) Applications à la plongée a) La consommation de l air Profondeur en m Pression en b Vol. pulmonaire en litre (respiration au détendeur) = Litres d air détendus à 1b = = = = 30 Cet exemple met en évidence 2 phénomènes importants en plongée : o Si la profondeur augmente, la consommation augmente, il faut 3 fois plus d air détendu à 1 bar à 20 mètres qu en surface, o Il est nécessaire d expirer en remontant, si on veut éviter des soucis b) Calcul théorique d autonomie Exemple : un plongeur effectue une plongée à 30m avec un bloc de 12l gonflé à 200 b. Sachant qu il garde une réserve de 30b en sécurité et qu il a une consommation de 20l/mn en surface, combien de temps peut- il rester au fond? Solution : Volume total = 2400 l Volume de réserve = 360 l Volume disponible = 2040 l Consommation à 30m 20 4 = 80 l/mn Durée possible 2040 : 80 =26 mn c) Gonflage d un bloc à l aide de 2 tampons Exemple : On veut gonfler un bloc de 12 l avec 10 b résiduel à l aide de 2 bouteilles tampons de 50 l gonflées chacune à 200 b. Solution : Deux méthodes sont possibles.! On équilibre le 12l sur les 2 tampons simultanément. (p1 v1) + (p2 v2) (12 10) +2 ( ) P = = = = = 179b v1 + v ( 50) ! On équilibre le 12l successivement sur les 2 tampons. (p1 v1) + (p2 v2) (12 10) + (50 200) P = = = = = 163b v1 + v (p1 v1) + (p3 v3) (12 163) + (50 200) P = = = = = 192b v1 + v

6 d) Conséquences diverses! Variation du volume du gilet et de la combinaison.! Augmentation du poids de l air avec la profondeur risque d essoufflement.! Variation des volumes gazeux de l organisme accidents barotraumatiques.! Influence sur les accidents de décompression. 5) Influence de la température La température a une incidence sur les volumes et les pressions : A volume constant, la pression d un gaz est proportionnelle à sa température absolue. A pression constante, le volume occupé par un gaz est proportionnel à sa température absolue. Température absolue : Température centigrade avec comme unité le degré kelvin (symbole K). Exemple : Une bouteille est gonflée à 220b avec une température de 40 C, quelle sera sa pression quand elle aura refroidi à une température de 30 C? Temp.abs 1 = = 313 Temp.abs 2 = = 303 P1 = P2 = P3 # 220 x P2 # P2 = 303 x 220 = 212,97 T1 T2 T

7 Le principe d ARCHIMEDE 1) Introduction Ce principe concerne la flottabilité des corps mis en évidence en partie par ARCHIMEDE (mathématicien né à Syracuse, avant JC). Tout objet ou corps plongé dans un liquide paraît plus léger dans l eau que dans l air. 2) Mise en évidence a) L équilibre est réalisé entre l objet rond et la tare. Le poids de l objet dans l air est appelé poids réel. 7

8 b) L objet plongé dans l eau entraîne le déséquilibre de la balance et déplace un certain volume d eau. Le poids de l objet dans l eau est appelé poids apparent. Il reçoit de l eau une poussée verticale qu on appelle «poussée d Archiméde». c) Si l on replace le volume d eau déplacé sur la balance, l équilibre est de nouveau réalisé. La poussée est annulée par le poids du liquide recueilli. 3) Théorème et formule Tout corps plongé dans un liquide, reçoit de la part de ce liquide, une poussée verticale orientée de bas en haut, égale au poids du volume du liquide déplacé. Poids apparent (P.App) = Poids réel (P.Réel) Poussée ou Volume (P.Arch) 4) Poids apparent et flottabilité Poids apparent nul # Flottabilité nulle ( Poids réel = Volume) Poids apparent positif # Flottabilité négative (Poids réel > Volume) Poids Apparent négatif # Flottabilité positive ( Poids réel < Volume) 5) Applications à la plongée! Les techniques d immersion, basées sur la diminution de la poussée d Archimède! Le lestage destiné à annuler la flottabilité de la combinaison.! Le poumon ballast : poumons pleins on, poumons vides on.! L utilisation du gilet de stabilisation.! Le relevage d objet. 6) Techniques utilisant le Principe d Archimède! Immersion de bocaux, carottes, seringues de prélèvement, de matériel scientifique.! Déplacement d objets, de lest, de matériel scientifique.! Remontée d objets, de lest, de matériel scientifique. 8

9 La dissolution des gaz dans les liquides 1) Introduction Les liquides dissolvent des gaz : l O 2 contenu dans l eau respiré par les poissons, le gaz dans les boissons gazeuzes. Les facteurs de la dissolution ont été mis en évidence par un physicien américain, Joseph HENRY ( ). Le plongeur en immersion va se comporter comme un liquide et donc dissoudre les gaz respirés. 2) Mise en évidence Définitions : Pression du gaz au-dessus du liquide = Pression partielle (Pp) Pression du gaz dissout dans le liquide = Tension (T) surface remontée Pp + T Pp = T saturation Pp < T sursaturation équilibre élimination descente fond Pp > T sous-saturation Pp = T saturation dissolution nouvel équilibre Au-delà de la sursaturation, on peut trouver la sursaturation critique (dégazage incontrôlé) qui est la phase d accident. 3) Loi de Henry A température donnée et à saturation, la quantité de gaz dissous dans un liquide est directement proportionnel à la pression exercée par ce gaz sur le liquide. 4) Les facteurs de la dissolution le gaz l air la surface de contact les poumons le liquide le corps le temps la durée de plongée la température 37 la pression la profondeur 5) Notion de compartiments et de période 9

10 Le corps durant la plongée, va dissoudre de l azote et cette quantité de gaz va augmenter au cours du temps. Cet azote n étant pas utilisé, il va falloir l éliminer. Pour contrôler cette dissolution et cette élimination, les scientifiques de la Marine Nationale ont en 1990 divisés notre organisme en 12 parties distinctes, appelés : compartiments. Pour la commodité des calculs on a défini une notion de temps, dénommée : période. Une période c est le temps que met un compartiment pour absorber ou éliminer 50% du gaz disponible. Chacun des 12 compartiments a donc une période différente (7mn à 120mn). On considère qu il faut 6 périodes à un compartiment pour être saturé ou désaturé complètement. 6) Application à la plongée! Elaboration des tables de plongée.! Utilisation des tables de plongée.! Si non respect des tables accidents de décompression. 10