Rappel sur les lois physiques en plongée

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1 Rappel sur les lois physiques en plongée Didier DEMUYNCK cours N3 saison

2 INTRODUCTION 1 La pression 2 Compressibilité des gaz (Loi de MARIOTTE) 3 Flottabilité (Poussée d ARCHIMEDE) 4 Les pressions partielles (Loi de DALTON) 5 La dissolution des gaz dans les liquides (Loi de HENRY) CONCLUSION Didier DEMUYNCK cours N3 saison

3 INTRODUCTION Ce cours est un rappel de différentes notions abordées lors de votre formation N2. L objectif est de connaitre les mécanismes physiques simples que nous rencontrons en plongée, comme par exemple : - La variation des pressions - Les différences de flottabilité - Les contraintes liées à la respiration de gaz comprimés - Didier DEMUYNCK cours N3 saison

4 1 La pression Qu est-ce qu une pression? La pression est une force appliquée à une surface Force (Kg) 1 Kg P (bar) = Pression de 1 bar = Surface (Cm2) 1 Cm2 Qu est-ce qu une pression absolue? Pression atmosphérique Pression hydrostatique (ou relative) Didier DEMUYNCK cours N3 saison Pression absolue

5 1 La pression Didier DEMUYNCK cours N3 saison

6 2 Compressibilité des gaz Contrairement aux solides et aux liquides, les gaz sont par nature compressibles. Prenons un exemple avec une «pompe à vélo» : Pression = 1 Bar Pression = 2 Bars Pression = 4 Bars Pression = 8 Bars Volume = 4 litres Volume = 2 litres Volume = 1 litre Volume = 0,5 litre P1 = 1 V1 = 4 P1 x V1 = 1 x 4 = 4 P2 = 2 V2 = 2 P2 x V2 = 2 x 2 = 4 P3 = 4 V3 = 1 P3 x V3 = 4 x 1 = 4 P4 = 8 V4 = 0,5 P4 x V4 = 8 x 0,5 = 4 Didier DEMUYNCK cours N3 saison

7 2 Compressibilité des gaz D où la loi de Mariotte : «A température constante, le volume d'une masse gazeuse est inversement proportionnel à la pression qu'elle subit». P x V = P x V = C P = Pression V = Volume C = Constante Didier DEMUYNCK cours N3 saison

8 2 Compressibilité des gaz Exercices : Un plongeur N3 décide de faire une plongée à 50m sur une épave. Il utilise un bloc de 15 litres gonflé à 200 bars. Sa consommation est d environ 25 litres d air par minute. Combien de temps maximum pourra t il rester à cette profondeur sachant qu il souhaite entamer sa remontée lorsque la pression de son bloc sera à 90 bars? Réponse : Volume d air disponible : =110 x 15 litres = 1650 litres 1650 / 6 bars (pression absolue à 50m) = 275 litres Soit 275 litres / 25 litres (par minute) = 11 minutes Didier DEMUYNCK cours N3 saison

9 3 La flottabilité Théorème d Archimède : «Tout corps plongé dans un liquide reçoit de la part de celui-ci une poussée verticale, dirigée du bas vers le haut, égale au poids du volume de liquide déplacé». Poids du corps Poids de l eau : Eau douce = 1Kg / litre Eau de mer = environ 1,024 Kg / litre (Attention, très différent en fonction du lieu où l on va plonger : Méditerranée, Adriatique, Mer Rouge, Mer Morte ) Poussée d Archimède (Poids du volume d eau déplacé) Didier DEMUYNCK cours N3 saison

10 3 La flottabilité Qu est-ce qu un poids apparent? Poids apparent = Poids réel Poussée d'archimède Si poids apparent > 0 Si poids apparent < 0 Si poids apparent = 0 l objet va couler l objet va flotter L objet va rester en suspension Didier DEMUYNCK cours N3 saison

11 3 La flottabilité En plongée, quels sont les éléments qui vont jouer sur notre flottabilité? - Bloc et détendeurs - Le lestage - Le gilet - Les poumons - Le poids de l air contenu dans le bloc - La densité de l eau 1 litre d eau douce = 1 Kg 1 litre d eau de mer = environ 1,024 Kg Exemple : Pour un plongeur d un volume de 90 litres, le poids du volume d eau déplacé sera de 90 litres x 1kg = 90 Kg en eau douce et 90 litres x 1,024 = 92,16 Kg en eau de mer. Le plongeur devra ajouter un peu plus de 2kg de lest si il veut avoir la même flottabilité en mer.

12 3 La flottabilité Exercice : Vous découvrez sur un fond de 40m une ancre posée sur le sol d un volume de 10dm3 et d un poids réel de 60 kg. Vous décidez de la remonter grâce à votre parachute d un volume de 60 litres (on négligera le poids réel et la poussée d Archimède du parachute). Vous mettez 40 litres d air dans le parachute, que va-t-il se passer? Pds app = Pds Réel P. Archi 60Kg ( ) = 10 => L ancre va rester au fond. A partir de quelle profondeur, l ensemble (ancre + parachute) remontera tout seul? Le poids apparent sera nul quand le volume du parachute aura atteint : = 50 litres P1 x V1 = P2 x V2 5 x 40 = P2 x 50 P2 =200/ 50 = 4 bars soit une profondeur de 30 mètres (quelques centimètres au dessus) Quel sera le volume d air dans le parachute en surface et que va t il donc se passer? P1 x V1 = P2 x V2 5 x 40 = 1 x V2 V2 = 200 litres (le parachute ne faisant que 60 litres, l air s échappera pendant la remontée)

13 4 Les pressions partielles (Loi de DALTON) De quoi est constitué l air? 21 % d Oxygène (O2) 78 % d Azote (N2) Plus des gaz rares comme l argon (Ar), le dioxyde de Carbonne (CO2), le néon (NE), etc Par simplification, dans nos exercices, nous prenons pour l air : 20% d O2 et 80% de N2 Qu est-ce qu une pression partielles? La pression partielle d'un gaz dans un mélange est égale à la pression qu'il aurait s'il occupait à lui seul le volume total Pp d un gaz = Pression du mélange x pourcentage du gaz

14 4 Les pressions partielles (Loi de DALTON) Exemple : Pression partielle de l O2 dans de l air à 1 bar Pp O2 = 1 x 0,2 = 0,2 bar Pression partielle de l N2 dans de l air à 1 bar Pp N2 = 1 x 0,8 = 0,8 bar D où la loi «La pression totale exercée par un mélange de gaz est égale à la somme des pressions partielles des constituants» P Mélange = Pp1 + Pp2 En reprenant notre exemple avec l air à 1 bar : 1 bar (pression du mélange) = 0,2 bar (Pp02) + 0,8 bar (PpN2)

15 4 Les pressions partielles (Loi de DALTON)

16 4 Les pressions partielles (Loi de DALTON) Exercice : Dans un mélange à l air, quelle sera la pression partielle de l oxygène et de l azote à 40m? PpO2 = 5 x 0,2 = 1 bars PpN2 = 5 x 0,8 = 4 bars (Vérification 1+4 = 5) Sachant que l azote devient toxique à une pression partielle de 5,6 bars, quelle profondeur ne pas dépasser? PP = Pabs x %tage du gaz 5,6 = Pabs x 0,8 Pabs = 5,6 / 0,8 = 7 bars soit une profondeur de 60 mètres. Sachant que l oxygène devient toxique à une pression partielle de plus de 1,6 bars, quel est la profondeur maximum du palier que je pourrai faire si je veux faire ma décompression à l oxygène pure? PP = Pabs x %tage du gaz 1,6 = Pabs x 1 Pabs = 1,6 / 1 = 1,6 bars soit une profondeur de (1,6-1) = 0,6 bar soit 6 mètres

17 5 La dissolution des gaz (Loi de HENRY) Le symbole «+» à côté du plongeur symbolise la quantité d azote engendré par la respiration du plongeur. Le symbole «+» dans le bloc du plongeur le "+" symbolise la quantité d azote dissous dans son organisme LA SATURATION : Le plongeur respire de l air à la surface. Il est à l état d équilibre. LA SOUS-SATURATION : Le plongeur s immerge, la quantité d azote engendrée par le milieu augmente du fait de la pression, l organisme n a pas encore eu le temps de se saturer en Azote. LA SATURATION : Le plongeur est au fond depuis un moment. La quantité d Azote engendrée par le milieu augmente et l organisme du plongeur a emmagasiné l azote (l oxygène étant consommée par l organisme du plongeur), il est comme à la surface en état d équilibre. LA SUR-SATURATION : Le plongeur remonte normalement (plongeur rouge sur le schéma). L Azote engendré par le milieu diminue. L organisme du plongeur n a pas eu le temps d éliminer la totalité de l azote en excès contenu dans son organisme. Il remonte lentement et effectue ses paliers. Quand il sort de l eau, le plongeur est toujours en état de sursaturation. LA SUR-SATURATION CRITIQUE : Le Plongeur remonte anormalement (plongeur bleu sur le schéma), il n a pas le temps d éliminer correctement l azote excédentaire. Les bulles de gaz s évacuent se forment dans l organisme du plongeur. Audelà de cette sursaturation critique, il se produit un dégazage anarchique, menant le plongeur à un accident inévitable

18 5 La dissolution des gaz (Loi de HENRY) Loi de HENRY : «A température constante et à saturation, la quantité de gaz dissout dans un liquide est proportionnelle à la pression partielle qu'exerce ce gaz sur le liquide» DIFFERENTS FACTEURS VONT INFLUENCER LA DISSOLUTION D UN GAZ : Des facteurs fixes : La nature du gaz (azote) La nature du liquide (les tissus) La surface de contact (les poumons) La température (il y a meilleur dissolution quand la température diminue), n'intervient pas en plongée car la température du corps reste constante (sauf cas exceptionnel ) Des facteurs variables : La pression (liée à la profondeur d évolution) La durée (durée de la plongée) L agitation (par exemple en cas d efforts excessif en plongée)

19 5 La dissolution des gaz (Loi de HENRY) LA NOTION DE TISSUS : Le corps du plongeur est assimilé à des tissus (liquides de différentes densités : sang, muscles, os etc. ). Le plongeur lorsqu il respire consomme l oxygène de l air, mais l Azote n étant pas consommé, doit être éliminé par l organisme par l'intermédiaire de la respiration. Les tissus de différentes densités vont donc se saturer et se déssaturer à des vitesses différentes. Lors de la remontée l Azote excédentaire emmagasiné par l organisme du plongeur doit être éliminé. Les tables de plongée et la détermination de la vitesse de remontée découlent directement de cette loi de HENRY (ne pas dépasser la sursaturation critique d un seul tissu de l organisme).

20 Bibliographie - Plongée plaisir d Alain FORET et Pablo TORRES - Site web Et pour toutes questions. didier.demuynck@free.fr ou