Physique Niveau Ⅳ Première Partie

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1 Physique Niveau Ⅳ Première Partie Les pressions. La Flottabilité Archimède. La compressibilité des gaz Mariotte. Le gonflage des bouteilles. Son et Lumière en plongée. Exercices d application.

2 Les pressions Notions de Force et de Poids. Notions de pressions. Les pressions en plongée.

3 Notions de Force Notions de Force et de Poids Action mécanique capable de créer un déplacement ou la déformation d un objet. Exemples : la force d un aimant, de la pesanteur. (Unité le Newton) Notions de Poids Force exercée par la pesanteur sur un objet. Unité d usage en plongée : le Kilogramme Kg

4 Définition C est l action d une force sur une surface. P = F / S Notions de pressions Force Unité en plongée Le bar (b) 1 bar = 760 mmhg (millimètres de mercure) 1 bar = 1 Kg / cm² Surface Pour Info Unité légale : le Pascal (Pa) 1 bar = 1013 hpa = 760 mmhg

5 La pression atmosphérique (Patm) Les pressions en plongée Pression exercée par les couches de notre atmosphère Diminue avec l altitude Au niveau de la mer : Patm = 1bar La Patm diminue de 0,1 bar tous les 1000m environs La pression hydrostatique (Phyd) Pression exercée par l eau Augmente avec la Profondeur : 1 bar par 10m Phyd = Prof en m / 10 La Pression absolue (Pabs) La somme de la pression atmosphérique et de la pression hydrostatique Pabs = Patm + Phyd

6 En résumé

7 La Flottabilité La poussée d Archimède Le poids apparent Les facteurs influant la flottabilité Déterminer un lestage correct

8 Énoncé: Tous plongeur immergé dans un liquide reçoit de la part de celui-ci une poussé vertical,dirigée du bas vers le haut, égale au poids du volume du liquide déplacé. Formule: Parch = Volume x Masse volumique x densité Masse volumique de l eau = 1Kg / litre Densité de l eau de mer = 1,03 Densité de l eau douce = 1 La poussée d Archimède

9 Poussée d Archimède Densité eau : 1 Parch :? Parch = 86 dm³ x 1 Parch = 86Kg Exercise : plongeur de 97dm³ dans une eau de densité : 1,031 Parch = 97 x 1,031 Parch = 100Kg

10 Le poids apparent Dans l eau la poussée d Archimède s oppose à la pesanteur, nous flottons au lieu de chuter vers le bas. L eau nous soutient et les objets apparaissent aussi plus légers. Donc : Une poussée vers le haut Poussée D Archimède (Parch) Une force vers le bas (poids) Poids réel (Pr) La Différence entre les deux est : le Poids apparent (Papp) Poids apparent = Poids réel la poussée d Archimède Papp = Pr Parch Papp = Pr ( Vol x densité de l eau)

11 Le poids apparent

12 Les facteurs influant la flottabilité Rappel : Poids apparent = Poids réel Poussée d Archimède Facteurs faisant varier la poussée d Archimède La combinaison (épaisseur) Les poumons (inspiration, expiration) La densité de l eau (eau douce, eau de mer) La stab (modèle, gonflée, vide) Facteurs faisant varier notre poids réel Le matériel (bloc, détendeur, phare, etc.) L air restant dans le bloc (varie au cours de la plongée) Le lestage (trop, trop peu)

13 Les facteurs influant la flottabilité Applications : le poumon ballast, Relevage d objet, techniques d immersion

14 Déterminer un lestage correct Alain veut faire un baptême à la Graule. Le fou. Vous acceptez. Inconscient que vous êtes. Il pèse 95 kg, matériel inclus. Son volume «en eau» est de 100 L Combien de plombs lui mettez-vous? Et pour un baptême à Saint Raphaël?

15 Déterminer un lestage correct A la Graule Papp = 95 kg L x 1 = -5 kg Il faut ajouter 5 kg pour obtenir un poids apparent nul. A Saint Raphaël Papp = 95 kg L x 1.03 = -8 kg Il faut ajouter 8 kg pour obtenir un poids apparent nul. Notez les 3 kg de différence, uniquement dûs au sel!

16 La compressibilité des gaz Mise en évidence. Loi de Boyle-Mariotte (loi de Charles). Déterminer l autonomie. Les opérations de gonflage. Autres applications en plongée.

17 Mise en évidence Au fur et à mesure de l immersion d un ballon, le volume se réduit et l air se comprime On note que le produit Pression x Volume reste constant. P x V = Constante

18 Loi de Boyle-Mariotte (généralisation) Pression x Volume = Constante Lois de Boyle-Mariotte et Charles Prise en compte de l élévation de température (Pression x Volume) / Température = Constante Attention! Température absolue en Kelvins (K) TK = TC Loi de Charles A volume constant la pression d un gaz augmente proportionnellement à l élévation de la température

19 Lois de Boyle-Mariotte et Charles, En résumé

20 Déterminer l autonomie Méthode 1 Un plongeur respire 15 litres d air par minute. Son bloc fait 12 litres et est gonflé à 200 bars. Quelle est son autonomie à 20 mètres?

21 Un plongeur respire 15 litres d air par minute. Son bloc fait 12 litres et est gonflé à 200 bars. Quelle est son autonomie à 20 mètres? Déterminer l autonomie Méthode 1 Prise en compte d une réserve. Retirer cette réserve de la pression du bloc. Air dans le bloc = 12L x (200b-50b) = 1800L Air respiré = 15 L/min x 3b = 45 L/min Autonomie = 1800L / 45 L/min = 40 min

22 Un plongeur respire 15 litres d air par minute. Son bloc fait 12 litres et est gonflé à 200 bars. Quelle est son autonomie à 20 mètres? Déterminer l autonomie Méthode 2 Autonomie en min = air disponible / air respiré par min Faire les calculs en ramenant le volume d air du bloc en volume équivalent au fond.

23 Un plongeur respire 15 litres d air par minute. Son bloc fait 12 litres et est gonflé à 200 bars. Quelle est son autonomie à 20 mètres? Prise en compte d une réserve Retirer cette réserve de la pression du bloc Air dans le bloc = 12L x (200b-50b) = 1800L Air dans le bloc «au fond» : 1800L / 3b = 600L Autonomie = 600L / 15 L/min = 40 min Déterminer l autonomie Méthode 2

24 Autres applications en plongée Préventions des barotraumatismes. Utilisation de la stab. Utilisation des parachutes. Utilisation des vêtement étanche. Écrasement du néoprène en profondeur. Utilisation des tampons pour le remplissage des bouteilles.

25 Les opérations de gonflage Influence de la température. Mise en équilibre des pressions. Air nécessaire au gonflage. Air disponible dans les tampons. Pression des tampons après gonflage. Utilisation des tampons. Exercices.

26 Influence de la température Un bloc de 12 litres est gonflé à 230 bars. Immédiatement après gonflage, il présente une température de 40 C. Quelle sera sa pression une fois refroidi à température ambiante à 20 C? Que pouvez-vous en tirez? Utilisation de la loi de Charles

27 Mise en équilibre des pressions On veut gonfler deux blocs sur une rampe. Le premier, de 12 litres, présente une pression résiduelle de 30 bars. Le second, de 15 litres, présente une pression résiduelle de 70 bars. On commence par procéder à la mise en équilibre des deux blocs. Quelle sera la pression à l équilibre?

28 Mise en équilibre des pressions Le 1 bloc contient un volume d air (équivalent surface) à : P1 x V1 30b x 12L Le 2 bloc contient un volume d air (équivalent surface) à : P2 x V2 70b x 15L Mettre en équilibre deux blocs sous pression, c est créer un nouvel bloc, où le volume total d air (équivalent surface) va se répartir dans le volume total ainsi créé (V1 + V2) sous une nouvelle pression P. (30b x 12L) + (70b x 15L) = P x (12L +15L)

29 Mise en équilibre des pressions Application numérique La pression après équilibre est de 52bars

30 Calcul de l air nécessaire Nous voulons gonfler nos deux blocs à 230 bars. Combien faut-il ajouter de litres d air? Quantité d air nécessaire pour remplir les blocs: Quantité d air à la fin du remplissage moins la quantité d air au début du remplissage (P finale x Volume blocs) (P initiale x Volume blocs) [230b x (12L + 15L)] [52b x (12L + 15L)] Air nécessaire bloc = (P finale P initiale) x Volume bloc Application numérique Air = (230b 52b) x (12L + 15L) = 178 b x 27 L = 4806 litres d air

31 Calcul de l air disponible Nous disposons d une série de 6 tampons de 50 litres chacun. Ils sont gonflés à 300 bars. De quel volume d air disponible disposons-nous pour gonfler nos deux blocs? Ce volume sera t il suffisant? Dans les tampons, seule la pression au-dessus de la pression à atteindre dans le bloc (soit 230 bars) est disponible. Au-dessous, l air ne passera plus. Air disponible tampons = (Pmaxi Psouhaitée) x Volume tampons Application numérique (300b 230b) x (6 x 50L) = 70b x 300L = litres Le volume sera suffisant 21000L > 4806L

32 Pression des tampons après gonflage Nous gonflons nos deux blocs à 230 bars. Quel sera la pression finale dans les tampons après gonflage? Application numérique

33 Utilisation des tampons On dispose de 3 tampons de 30 litres à 200 bars. On veut gonfler un bloc de 15 litres dans lequel il reste 20 bars. Calculer la pression atteinte si on gonfle le bloc avec les trois tampons ensemble. Calculer la pression atteinte si on gonfle le bloc avec un tampon après l autre.

34 Méthode «tampons ensemble» Utilisation des tampons Rappel de la mise à l équilibre Application numérique P = (20b x 15L) + 200b x (3 x 30L) / 15L + (3 x 30L) P = (20b x 15L) + ( 200b x 90L) / 15L + 90L P = / 105 P = 174b Cette méthode ne permet d atteindre que 174 bars au maximum.

35 Méthode «tampons l un après l autre» Rappel de la mise à l équilibre Utilisation des tampons Tampon n 1 = (15 x x 30) / ( ) = 140 b Tampon n 2 = (15 x x 30) / ( ) = 180 b Tampon n 3 = (15 x x 30) / ( ) = 193 b Cette méthode est plus efficace elle permet d atteindre 193 bars.

36 Exercices Dominique dispose d un bi de deux fois 10 litres à 180 bars Sa consommation moyenne (donnée surface) est de 20 litres par minutes. Après 25 minutes à 40 mètres, Dominique veut remonter l ancre du bateau (volume 10 décimètres cube, densité 3,5). a)combien de litres d air peut-elle mettre dans son parachute en conservant 50 bars dans son bloc, afin d assurer sa remonté? b)est-ce que l ancre peut remonter ainsi ( poids apparent du parachute nul)? c)elle a l idée de mettre un bout entre l ancre et le parachute. De quelle longueur devra être ce bout pour que l ancre remonte toute seule? ( on considère que la densité de l eau de mer est 1)

37 Exercices a) Après 25 minutes à 40 mètres (Pabs = 5 bars), Dominique a consommé : 25 x 20 x 5 = 2500 litres (détendus à la pression atmosphérique) La pression restante dans le bi (après les 25 min.) est donc : ( 2 x 10 x ) / 20 = 55 bars. Elle peut donc utiliser 5 bars de son bi, ce qui représente 5 x 20 = 100 litres ( à une pression de 1 bar), soit 20 litres à 5 bars (40 mètres) b) Poids réel de l ancre : 10 x 3,5 = 35 kg Poids apparent de l ensemble (ancre + parachute), après introduction des 20 litres d air : P app = P réel P archi = 35 ( ) = 5 kg > 0 donc flottabilité négative, l ancre reste au fond. c) Le poids apparent sera nul, lorsque le volume du parachute aura atteint = 25 litres P1 V1 = P2 V2 soit 5 x 20 = P2 x 25 P2 = 4 bars L équilibre sera donc atteint à 30 mètres. Le bout devra donc avoir une longueur de 10 mètres. l ensemble remontera tout seul dès que l on sera remonté de quelques centimètres.

38 Exercices On dispose de 5 bouteilles de 12 litres avec une pression résiduelle de 10 bars Leur pression de service étant de 230 bars. Nous disposons de 2 tampons de 50 litres à 300 bars qui peuvent être isolés. En gonflant les 5 blocs en même temps, quelle pression restera-t-il dans les 2 tampons à la fin du gonflage : En utilisant les tampons l un après l autre? En utilisant les tampons simultanément?

39 Exercices en utilisant les tampons l un après l autre? -Avec le 1 tampon : (10 x x 50) / 110 = 141,8 b -Avec le 2 tampon : ( x x 50 ) / 110 = 213,7 b -En utilisant les tampons simultanément? (10 x x 100 ) / 160 = 191,25 b

40 Exercices Après le gonflage de votre bouteille de plongée à 200 bars la température du bloc est de 37 C. Avant de plonger, la température du bloc est passée à 13 C. Quelle est la nouvelle pression absolue de votre bouteille? P1 V1/ T1 = P2 V2 / T2 Températures Absolues : = 286 K et = 310 K P = ( 200 x 286 ) / 310 = 184,5 bars

41 Son et Lumière en plongée Le son en plongée La lumière en plongée

42 Le son en plongée L eau est un meilleur conducteur du son que l air. Sous l eau, les sons s entendent forts et clairs, et de très loin. Ils peuvent même être dangereux (pétards de rappel). La vitesse du son dans l eau (1530 m/s) est beaucoup plus importante que dans l air (330 m/s). Dans l air, le décalage entre le moment où le son arrive aux deux oreilles permet au cerveau d évaluer la direction de l origine du son. Dans l eau, ce décalage est trop faible pour percevoir la direction du son. Sous l eau, les sons semblent provenir de partout à la fois, et il est impossible d en déterminer la direction (ne pas se laisser abuser par une impression).

43 Exercices Alors que vous êtes en plongée, vous entendez le son d une explosion sous-marine 6 secondes après qu elle ait eu lieu. Vitesse du son dans l air = 1530m/s. A quelle distance de l explosion êtes vous situé? Le son se propage à 1530 mètres par seconde dans l eau. Distance de l explosion : 1530 x 6 = 9180 mètres soit km.

44 La lumière en plongée Sous l eau sans masque Nous devenons hypermétropes. Nous voyons flou. D où la nécessité du masque.

45 La vision est déformée par la réfraction. Les objets apparaissent 1/3 plus gros. Taille apparente = 4/3 x taille réelle. La lumière en plongée Les objets apparaissent 1/4 plus près. Distance apparente = 3/4 x distance réelle. Sa Grossit et sa raproche

46 La lumière en plongée Sous l eau, une partie la lumière est : Réfléchit par la surface ( elle ne pénètre pas entièrement) Réfractée par le passage air / eau Absorbée par l eau (profondeur) Diffusée par les particules

47 La lumière en plongée

48 Merci de votre Attention Prochain cours Physique appliquée à la plongée 2 partie Pression partiel Toxicité des gaz Les mélanges