Cours théorique niveau 2 «Boyle - Mariotte»

Transcription

1 Cours théorique niveau 2 «Boyle - Mariotte» Pourquoi équilibre-t-on les oreilles à la descente? Quelle est l origine des barotraumatismes? A quoi sert le gilet? Pourquoi consomme-t-on plus d air en profondeur? Philippe CLÉMENT (PALM 72 novembre 2006) 1

2 La pression Une pression (P) est l action d une force (F) sur une surface (S) : P Pascal = F Newton / S m² ou P bar = M kg / S cm² La pression atmosphérique Elle est due à la masse de la couche d air au dessus de la tête. Au niveau de la mer, P atmosphérique = 1013 hecto Pascal = 760 mm Hg = 1,013 bar soit environ 1 bar En altitude, la pression atmosphérique est moins importante car la couche d'air située au dessus est moins épaisse. Aïe! La punaise s enfonce Sur le bateau, le plongeur subit la pression atmosphérique! La pression hydrostatique Elle est due au poids de l eau au dessus du plongeur. La pression augmente avec la profondeur de 1 bar tous les 10m P hydrostatique (bar) = Profondeur (mètre) / 10 Philippe CLÉMENT (PALM 72 novembre 2006) 2

3 La pression La pression atmosphérique P atmosphérique = 1 bar La pression hydrostatique P hydrostatique (bar) = Profondeur (mètre) / 10 Philippe CLÉMENT (PALM 72 novembre 2006) 3

4 La pression absolue P absolue = P atmosphérique + P hydrostatique Profondeur P atmosphérique P hydrostatique P absolue C est la pression réelle à laquelle est soumis tout corps immergé ,3 1, ,5 1, La pression double entre 0 et 10 mètres, 10 et 30 mètres, 30 et 70 mètres. Philippe CLÉMENT (PALM 72 novembre 2006) 4

5 Exercice Calculer la pression subie par un plongeur à 12 m. À quelle profondeur est-on lorsque la pression absolue vaut 1.3 bar? P absolue = P atmosphérique + P hydrostatique P atmosphérique = 1 bar P hydrostatique = Profondeur / 10 P hydrostatique = 12/10 = 1,2 P absolue = 1 + 1,2 = 2,2 bars P absolue = 1,3 = 1 + Profondeur / 10 D où Profondeur / 10 = 1,3 1 = 0,3 Soit Profondeur = 0,3 x 10 = 3 mètres Philippe CLÉMENT (PALM 72 novembre 2006) 5

6 Mariotte & Boyle Robert Boyle Physicien et chimiste irlandais / Londres 1691 Élève de. Galilée, il énonça en 1662 la loi de compressibilité des gaz, introduisit la notion moderne d'élément chimique et découvrit le rôle de l'oxygène dans la combustion et la respiration. Abbé Edme Mariotte Physicien et botaniste français / 1620 Paris 1684 L'un des fondateurs de la physique expérimentale, il étudia l'hydrodynamique, les déformations élastiques des solides et l'optique, et découvrit le point aveugle de l'œil humain. En 1676, il énonça la loi de compressibilité des gaz à température constante. Philippe CLÉMENT (PALM 72 novembre 2006) 6

7 Loi de Boyle - Mariotte Les gaz ont la faculté de pouvoir être comprimés. Ils sont compressibles. Boyle et Mariotte, ont découvert qu à température constante, le volume d'un gaz varie de manière inversement proportionnel à la pression à laquelle il est soumis. Pression x Volume = Constant P 1 x V 1 = P 2 x V 2 Application : 1 bar x 1 litre = 4 bars x 0,25 litre Philippe CLÉMENT (PALM 72 novembre 2006) 7

8 Exercice Calculer le volume des poumons d un apnéiste à 5m, puis 109m qui part avec des poumons remplis de 5 l d air. P 1 x V 1 = P 2 x V 2 P absolue = P atmosphérique + P hydrostatique = 1 bar + Profondeur /10 P 1 = 1 bar & V 1 = 5 litres d où P 1 x V 1 = 1 x 5 = 5 P 2 = P absolue à 5 m = 1 + 5/10 = 1,5 bar P 2 x V 2 = 1,5 x V 2 = P 1 x V 1 = 5 Donc V 2 = 5 / 1,5 = 3,33 litres P 2 = P absolue à 109 m = /10 = 10,9 bar P 2 x V 2 = 10,9 x V 2 = P 1 x V 1 = 5 Donc V 2 = 5 / 10,9 = 0,46 litres Philippe CLÉMENT (PALM 72 novembre 2006) 8

9 Application à la plongée LES BAROTRAUMATISMES A la descente: La pression augmente et s applique aux gaz emprisonnés dans les volumes suivants : masque ; poumons ; sinus ; trompes d eustache Lorsque les cavités sont souples, les volumes diminuent : écrasement des poumons, de la jupe du masque. Lorsque les cavités sont rigides, les tensions augmentes : douleurs des sinus, des tympans, des yeux (masque plaqué). Le détendeur (cf cours sur le matériel) permet de respirer de l air à la pression du milieu environnant, c est-à-dire à la pression absolue de l eau. En soufflant cet air par le nez dans le masque et dans les oreilles on équilibre les pressions. A la remontée: La pression diminue et donc les volumes d air augmentent. Si on bloque sa respiration pendant la remontée, l'air contenu dans les poumons ne pouvant pas s'échapper, il augmente de volume, va distendre et provoquer la rupture des tissus. C est la surpression pulmonaire. Philippe CLÉMENT (PALM 72 novembre 2006) 9

10 Exercice Un plongeur à 3m de profondeur remonte brutalement alors que ses poumons sont remplis de 4 l pour une contenance possible de 5 l. Que se passe-t-il? P 1 x V 1 = P 2 x V 2 P absolue = P atmosphérique + P hydrostatique = 1 bar + Profondeur /10 P 1 = P absolue à 3 m = 1 + 3/10 = 1,3 bar P 1 x V 1 = 1,3 x 4 = 5,2 P 2 = 1 bar, d où P 2 x V 2 = 1 x V 2 = P 1 x V 1 = 5,2 Donc V 2 = 5,2 / 1 = 5,2 litres > 5 litres surpression pulmonaire Philippe CLÉMENT (PALM 72 novembre 2006) 10

11 Application à la plongée LE MATERIEL La pression en plongée s applique aux gaz emprisonnés dans les volumes suivants : combinaison, gilet stabilisateur, phare, montre, appareil photo. La combinaison en néoprène et le gilet sont souples, ils s écrasent. Les autres appareils sont rigides. Leur volume ne change pas et les joints empêchent la pression de les pénétrer. Le direct system (cf cours sur le matériel) permet d insuffler de l air sous pression dans le gilet et donc de ré-augmenter son volume. Lorsque vous êtes équilibré en profondeur à l'aide de la bouée et que vous décidez de remonter, la pression diminuant, le volume de la bouée augmente, accroissant d'autant la poussée d'archimède et provocant de ce fait une remontée de plus en plus rapide. Philippe CLÉMENT (PALM 72 novembre 2006) 11

12 Exercice Un plongeur part équilibré en surface avec une combinaison en néoprène d un volume de 10len surface. Sans action sur le gilet, quel est son poids apparent à 20 m, puis à 40 m? Commentaire? P 1 x V 1 = P 2 x V 2 En surface P 1 = 1 bar & V 1 = 10ld où P 1 x V 1 = 10 À 20 m, P 2 = 3 bars, d où V 2 = 10 / 3 = 3,3l Le plongeur perd un volume de 10 3,3 = 6,7 l Son poids apparent augmente donc de 6,7 kg À 40 m, P 2 = 5 bars, d où V 2 = 10 / 5 = 2,0l Son poids apparent augmente de 10 2,0 = 8 kg Sans gilet, il devient de plus en plus délicat de remonter à la palme. Philippe CLÉMENT (PALM 72 novembre 2006) 12

13 Exercice A pression ambiante, quel volume d air faut-il pour gonfler une bouteille de 12 l à 200 bars? P 1 x V 1 = P 2 x V 2 P 1 x V 1 = 1 x V 1 P 2 x V 2 = 200 x 12 = 2400 Donc V 1 = 2400 / 1 = 2400 litres Philippe CLÉMENT (PALM 72 novembre 2006) 13

14 Exercice Un plongeur consomme 20 l / min. Il a une bouteille de 12 l gonflée à 200 bars. Quelle est son autonomie en surface, à 20 m, à 40m, à 20 m avec une réserve de 50 bars? P 1 x V 1 = P 2 x V 2 En surface, le plongeur respire de l air à P 1 = 1 bar P 2 x V 2 = 200 x 12 = 2400 d où V 1 = 2400 / 1 = 2400 litres à 1 bar 2400 litres d air sont consommés en 2400/ 20 = 120 minutes À 20 m, P 1 = 3 bars, d où V 1 = 2400 / 3 = 800 litres La consommation du plongeur ne change pas (même volume respiratoire) soit 20 l / min, mais d air à la pression de 3 bars. 800 litres à 3 bars sont consommés en 800 / 20 = 40 minutes À 40 m, P 1 = 5 bars, d où V 1 = 2400 / 5 = 480 litres 480 litres sont consommés en 480 / 20 = 24 minutes Le volume d air consommable à 1 bar est de 2400 l moins la réserve Le volume d air de la réserve est V 1 = 50 bars x 12 l / 1 bar = 600 l Le volume à considérer est donc maintenant = 1800 l À 20 m, P 1 = 3 bars, d où V 1 = 1800 / 3 = 600 litres 600 litres à 3 bars sont consommés en 600 / 20 = 30 minutes Philippe CLÉMENT (PALM 72 novembre 2006) 14

15 Exercices Un plongeur découvre à 40 mètres une amphore pleine et bouchée dont le poids réel est de 25 kg et le volume extérieur de 15 litres d'air. Que fait-il? Il ne touche à rien, profite de son exploration en surveillant ses paramètres de plongée Philippe CLÉMENT (PALM 72 novembre 2006) 15

16 Oreille Philippe CLÉMENT (PALM 72 novembre 2006) 16