INTRODUCTION. CTD 29 / Formation N4 23/10/2010. Physique Cours n 1 (Pression, Mariotte, Charles)

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1 INTRODUCTION 1 Éléments de physique & rappels 2 Compressibilité des gaz : principe et applications à la plongée 3 Influence de la température : principe et application à la plongée 4 Exercices complémentaires

2 1 Notions de physique et rappels 1.1 Pression 1.2 Volume et masse volumique 1.3 Température

3 Pression: 1.1 Pression Rapport d une force sur une surface. Formule : P = F/S Unité : Bar Pression atmosphérique: C est le poids de la colonne d air. P atm. mer # 1 bar P atm. mer = 1013 millibar (1013 hecto Pa) = 760mm Hg 1 PSI = 0,068 bar Poids de l air = 1,293g/l à P atm. = 1 bar et à 0 C

4 1.1 Pression Pression atmosphérique et variation avec l altitude: La P atm. Diminue en fonction de l altitude Quelques données : à 1000m d altitude : P atm. # 900 millibar à 2000m d altitude : P atm. # 800 millibar!! La relation est à peu près linéaire jusqu à 5000m et l on peut considérer que la P atm. diminue de 0,1b tous les 1000m.!!

5 Pression relative: 1.1 Pression C est le poids de la colonne d eau. Notation : P rel. Formule : Prof. (en mètres) / 10 Valable uniquement à une densité de 1 La pression relative varie avec la densité de l eau. Densité de l eau douce = 1 Densité de l eau de mer = 1,03

6 Pression absolue: 1.1 Pression C est la pression totale subie par un plongeur à une profondeur donnée Notation : P abs. Formule : P abs. = P atm. + P rel.

7 1.1 Pression Pression relative et matériel : Une pression est dite relative lorsqu elle est mesurée par rapport à une référence. Les manomètres et les profondimètres indiquent zéro à la P atm., alors que celle-ci vaut environ 1 bar. a) Manomètres : ils indiquent une pression relative. b) Profondimètres et plongée en altitude : - profondimètres type jauge de contrainte, tube de bourdon ou à membrane - Profondimètres type capillaire

8 1.2 Volume et masse volumique Volume : C est la grandeur qui caractérise l espace occupé par un corps. Unité : m 3 Équivalences entre les unités de volume : 1 litre <==> 1 dm 3 <==> 0,001 m 3 10 litres = 1 déca litre <==> 10 dm 3 <==> 0,01 m litres = 1 hecto litre <==> 100 dm 3 <==> 0,1 m litres = 10 hecto litre <==> 1 m 3

9 1.2 Volume et masse volumique Masse volumique : C est le poids par unité de volume. Unité : Kg/m 3 Exemple : Masse volumique eau douce = 1000 Kg/m 3 (<==> 1 Kg/litre) Masse volumique eau de mer = 1030 Kg/m 3 (<==> 1,03 Kg/litre)

10 Température : 1.3 La température État d un corps du point de vue de la chaleur ou du froid Unité : Le Degré Celsius ( C) Autres unités : - Le degré Kelvin ( K) : 0 K = C Temp. en K = Temp. en C Le degré Fahrenheit ( F) : Temp. en F = Temp. en C * 1,8 + 32

11 2 Compressibilité des gaz : principe et applications à la plongée 2.1 Loi de Boyle-Mariotte 2.2 Accidents barotraumatiques et ADD 2.3 Consommations et calculs d autonomie en plongée 2.4 Remplissage des blocs 2.5 Flottabilité et relevage d objets

12 Loi: 2.1 Loi de Boyle-Mariotte Pour une masse donnée de gaz et à température constante, le produit de la pression d un gaz par son volume reste constant. Formalisations: P * V = Constante P 1 * V 1 = P 2 * V 2

13 2.2 Accidents barotraumatiques et ADD Barotraumatiques: appelés aussi accidents mécaniques - Placage de masque - Sinus - Oreilles - Dents - Intestins et estomac - SURPRESSION PULMONAIRE

14 2.2 Accidents barotraumatiques et ADD ADD: La loi de Mariotte intervient dans le cas de la formation de micro-bulles au cours de la remontée. Points abordés ultérieurement dans la formation (mécanismes, symptômes, facteurs aggravants, prévention et traitements)

15 2.3 Consommations et calculs Consommation: d autonomie en plongée Principe de base : Un plongeur respire de l air à la pression du milieu où il se trouve. Exemples : A 20m, la pression est de 3 bar le plongeur respire de l air à 3 bars. A 45m, le plongeur respire de l air à 5,5 bars

16 2.3 Consommations et calculs Consommation: d autonomie en plongée Consommation moyenne d un plongeur : 20 litres/min. Consommation équivalente ramenée à la surface : A 20m, le plongeur respire de l air à 3 bars, il consomme 60 litres/min. en équivalent surface. A 45m, le plongeur respire de l air à 5,5 bars, il consomme 110 litres/min. en équivalent surface.

17 2.3 Consommations et calculs d autonomie en plongée Autonomie en plongée: Vous plongez sur un site de 20m avec un bloc 12 litres gonflé à 200 bars. Comment de temps pouvez-vous faire avant de lire 50 bars au manomètre? (consommation = 20 litres/min. et temps de descente au fond nul)

18 2.3 Consommations et calculs d autonomie en plongée Autonomie en plongée: Vous plongez sur un site de 20m avec un bloc 12 litres gonflé à 200 bars. Comment de temps pouvez-vous faire avant de lire 50 bars au manomètre? (consommation = 20 litres/min. et temps de descente au fond nul) P abs. à 20 m = 3 bars. Consommation équivalente surface = 60 litres/min. Quantité d air disponible (avant 50 bars) : Q en équivalent surface = (200 50) * 12 = 1800 litres. Durée : T = 1800 litres / 60 litres/min. = 30 min.

19 2.3 Consommations et calculs d autonomie en plongée Autonomie en plongée: Vous plongez sur un site de 40m avec un bloc 12 litres gonflé à 200 bars. Comment de temps pouvez-vous faire avant de lire 50 bars au manomètre? (consommation = 20 litres/min. et temps de descente au fond nul)

20 2.3 Consommations et calculs d autonomie en plongée Autonomie en plongée: Vous plongez sur un site de 40m avec un bloc 12 litres gonflé à 200 bars. Comment de temps pouvez-vous faire avant de lire 50 bars au manomètre? (consommation = 20 litres/min. et temps de descente au fond nul) P abs. à 40 m = 5 bars. Consommation d air à 40m = 20 litres/min. à une pression de 5 bars Quantité d air disponible (avant 50 bars) : Q en équivalent surface = (200 50) * 12 = 1800 litres. Q en équivalent 40m = 1800 / 5 = 360 litres Durée : T = 360 litres / 20 litres/min. = 18 min.

21 2.4 Remplissage de blocs Gonflage d un bloc à l aide de tampons: Votre club est équipé de 3 tampons à 200 bars de 30 litres chacun. Vous voulez gonfler à la pression maximum un bloc de 12 litres dont la pression résiduelle est de 20 bars. a) Vous ouvrez simultanément les 3 tampons sur le bloc à gonfler. Indiquer les pressions dans chaque élément après le gonflage.

22 2.4 Remplissage de blocs Gonflage d un bloc à l aide de tampons: Exo part. a) Base = application de la formule : P 1 * V 1 = P 2 * V 2 Travail en Pression relative État initial (indice 1) : 3 tampons chacun de 30 litres à 200 bars + 1 bloc de 12 litres à 20 bars État final (indice 2) : Calcul : les éléments sont reliés ils sont à la même pression (3 tampons chacun de 30 litres + 1 bloc de 12 litres) à une pression de?? bars P 2 = (P 1 * V 1 ) / V 2 = (3*30*200 +1*12*20) / (3*30 + 1*12) = 178,8 bars

23 2.4 Remplissage de blocs Gonflage d un bloc à l aide de tampons: Votre club est équipé de 3 tampons à 200 bars de 30 litres chacun. Vous voulez gonfler à la pression maximum un bloc de 12 litres dont la pression résiduelle est de 20 bars. b) Vous ouvrez et fermez successivement les 3 tampons sur le bloc à gonfler. Indiquer les pressions dans chaque élément après le gonflage.

24 2.4 Remplissage de blocs Gonflage d un bloc à l aide de tampons: Exo part. b) Base = application de la formule : P 1 * V 1 = P 2 * V 2 Travail en Pression relative Phase 1 : État initial (indice 1) : 1 tampon de 30 litres à 200 bars + 1 bloc de 12 litres à 20 bars État final (indice 2) : Calcul : (1 tampon de 30 litres + 1 bloc de 12 litres) à une pression de?? bars P 2 = (P 1 * V 1 ) / V 2 = (1*30*200 +1*12*20) / (1*30 + 1*12) = 148,6 bars

25 2.4 Remplissage de blocs Gonflage d un bloc à l aide de tampons: Exo part. b) Phase 2 : État initial (indice 1) : 1 tampon de 30 litres à 200 bars + 1 bloc de 12 litres à 148,6 bars État final (indice 2) : Calcul : (1 tampon de 30 litres + 1 bloc de 12 litres) à une pression de?? bars P 2 = (P 1 * V 1 ) / V 2 = (1*30*200 +1*12*148,6) / (1*30 + 1*12) = 185,3 bars

26 2.4 Remplissage de blocs Gonflage d un bloc à l aide de tampons: Exo part. b) Phase 3 : État initial (indice 1) : 1 tampon de 30 litres à 200 bars + 1 bloc de 12 litres à 185,3 bars État final (indice 2) : Calcul : (1 tampon de 30 litres + 1 bloc de 12 litres) à une pression de?? bars P 2 = (P 1 * V 1 ) / V 2 = (1*30*200 +1*12*185,3) / (1*30 + 1*12) = 195,8 bars

27 2.4 Remplissage de blocs Règles pour le gonflage de blocs à l aide de tampons: Optimisation recherchée - Utiliser les tampons successivement. - Quand les tampons ont des pressions différentes, commencer le chargement en air par le tampon dont la pression est la plus basse, et finir par celui dont la pression est la plus haute.

28 2.4 Remplissage de blocs Temps de gonflage d un bloc: Gonflage à 200 bars d un bloc de 12 litres dans lequel la pression résiduelle est de 40 bars à l aide d un compresseur de 6 m 3 /h. Calculer le temps de gonflage

29 2.4 Remplissage de blocs Temps de gonflage d un bloc: Gonflage à 200 bars d un bloc de 12 litres dans lequel la pression résiduelle est de 40 bars à l aide d un compresseur de 6 m 3 /h. Calculer le temps de gonflage. Volume d air détendu nécessaire au gonflage : V à 1 bar = (200-40) * 12 = 1920 litres Débit du compresseur : D = 6 m 3 /h = 6000 litres/h Durée du gonflage : T = 1920 / 6000 = 0,32 h <=> 19,2 min. <=> 19 min. et 12 sec.

30 2.5 Flottabilité et relevage d objets Écrasement de la combinaison en fonction de la profondeur. Utilisation de la STAB. Mise en œuvre d un parachute de relevage. Plongée en eau douce / eau de mer modification de lestage Points abordés ultérieurement dans la formation.

31 3 Influence de la température : principe et application à la plongée 3.1 Loi de Charles 3.2 Gonflage des blocs et influence de la température

32 Loi: 3.1 Loi de Charles A volume constant, la pression d un gaz est proportionnelle à sa température.!! La température s exprime en K!! Formalisations: à V = constante, P = k * T ou P 1 / T 1 = P 2 / T 2 généralisation : P * V = k * T

33 3.2 Gonflage des blocs et influence de la température Diminution de la pression d un bloc après gonflage : Un bloc de 12 litres est gonflé à 200 bars. La température de l air à la fin est de 50 C. Calculer la pression dans la bouteille quand l air aura refroidi à 15 C. Note : Ce phénomène se rencontre de manière importante lors de gonflage via des tampons.

34 3.2 Gonflage des blocs et influence de la température Diminution de la pression d un bloc après gonflage : Un bloc de 12 litres est gonflé à 200 bars. La température de l air à la fin est de 50 C. Calculer la pression dans la bouteille quand l air aura refroidi à 15 C. Base = Le volume est la donnée constante > application de la formule : P 1 / T 1 = P 2 / T 2 P 2 = (P 1 * T 2 ) / T 1 = 200 * (273+15) / (273+50) = 178 bars

35 4 Exercices complémentaires Voir annales des examens théoriques de la CTR BPL (sujets et corrigés séparés).