NOTIONS DE PHYSIQUE P = F / S. 1bar = 1 kg / cm2

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1 NOTIONS DE PHYSIQUE 1. LES PRESSIONS a) Définition Une pression est le résultat d une force appliquée sur une surface. Soit : P la pression F une force en kg S une surface en cm² P = F / S En plongée, l unité de pression utilisée est le bar. 1 bar correspond à l'application d'une force de 1 kg sur une surface de 1 cm². 1bar = 1 kg / cm2 Exemples : Un pneu de voiture est gonflé environ à une pression de 2 bars. Une bouteille de gaz butane ou propane : 9 à 10 bars Une bouteille de plongée : 200 bars b) Les différentes pressions rencontrées en plongée La pression atmosphérique Elle est due au poids de l'air situé au dessus de nous. Au niveau de la mer elle a une valeur d'environ 1 bar. La pression relative Appelée aussi pression hydrostatique, elle correspond à l'application du poids de l'eau sur un corps. Elle a une valeur de 1 bar pour 10m d eau. Elle varie donc évidemment avec la profondeur, selon l'expression suivante (profondeur en mètres) : P relative = Profondeur / 10 La pression absolue Appelée aussi pression ambiante ou pression totale. C'est finalement la pression que l'on subit sous l'eau : P abs. = P atm. + P rel.

2 Exemple : A 20 mètres la pression absolue vaut = 3 bars. A 15 mètres la pression absolue vaut = 2.5 bars c) Variations de pression selon la profondeur: Il faut surtout considérer les variations de pression selon la profondeur Pour un même écart de profondeur, 10 mètres, la pression absolue ne varie pas de la même manière selon la profondeur ou on se trouve. Quand on va de la surface à 10m de fond, on double la pression absolue qui passe de 1b à 2b.(augmentation de 100%) De 10m à 20m, on fait la même distance (10m), la pression absolue passe de 2 à 3 bars, la pression est multipliée par 1.5 ( augmentation de 50%). De 20m à 30m, on fait toujours 10m. La pression passe de 3 à 4 bars, elle est multipliée par (augmentation de 33.33%.) De 30 à 40 mètres, la pression absolue passe de 4 à 5 bars, elle est multipliée par (augmentation de 25%) On constate donc que les plus grandes variations de pression se situent entre 10 mètres et la surface. Ces variations de pression auront des conséquences sur l'organisme d'où la nécessité d'être plus particulièrement vigilant entre 10 mètres et la surface, notamment pour prévenir les accidents barotraumatiques.

3 2. LA COMPRESSIBILITE DES GAZ Les liquides et les solides sont incompressibles. Les gaz sont compressibles. Cette propriété a des conséquences importantes en plongée a) Mise en évidence On remplit une seringue d'air. On bouche l'extrémité de la seringue avec un doigt. On presse sur le piston de la seringue : le piston s'enfonce. La pression dans la seringue augmente, le volume de l'air diminue. On relâche le piston de la seringue : l'air comprimé dans la seringue reprend sa place et le piston retrouve sa position d'origine. Le volume de l air a augmenté, la pression a diminuée. b) La loi de Mariotte Ainsi lorsque la pression augmente, le volume diminue, le gaz est comprimé. De même, lorsque la pression baisse, on observe une augmentation du volume, le gaz se détend. Si P => V Si P => V Ceci est exprimé par la loi de Mariotte : «A température constante, le volume (V) d'un gaz est inversement proportionnel à la pression (P) qu il subit». Lorsque la pression est multipliée par 2 (ou3), le volume est divisé par 2 (ou 3) et inversement, lorsque la pression est divisée par 2 (ou 3), le volume est multiplié par 2 (ou 3) c) Conséquences en plongée En plongée, la pression augmente au cours de la descente, elle diminue lors de la remontée. Les volumes gazeux vont varier de façon inversement proportionnelle. Ainsi, 12 litres d'air à la surface (1 bar) n'en feront plus que 6 à 10 m de profondeur (P abs.=2b) et 4 à 20m (P abs.=3b). On constate que le produit pression x volume (PV) reste constant quelle que soit la profondeur.

4 On exprime ceci de façon mathématique par la formule suivante : Exemple d exercice : P x V = constante ou encore P1 x V1 = P2 x V2 Soit un volume gazeux de 15 litres à 2 bars. Quel sera son volume pour une pression de 5 bars? En utilisant la relation P1xV1 = P2xV2 on obtient : 2 x 15 = 5 x V2 => V2 = 2 x 15/5 = 6 litres Inversement, pour un volume de 15 litres à 2 bars, à quelle pression ce volume sera de 6 litres? 2 x 15 = P2 x 6 => P2 = 2 x 15/6 = 5 bars d) Applications : Gonflage de la bouteille Exemples : Une bouteille de 12 litres gonflée à 200 bars contient :12 x 200 = 2400 litres d air Consommation d air et gestion de l autonomie : Le principe de la compressibilité des gaz s applique aux poumons d un apnéiste : selon la loi de Mariotte, ils seront comprimés lors de la descente et retrouveront leur volume normal lors du retour en surface. Les choses sont différentes pour le plongeur en scaphandre qui respire en immersion. Pour assurer leur fonction, les poumons doivent conserver leur volume habituel quelle que soit la profondeur. Pour cela le détendeur fournit de l air à la même pression que la pression absolue et les poumons du plongeur en immersion contiendront une quantité d air beaucoup plus importante qu en surface, même si leur volume ne varie pas. La consommation d air va donc augmenter avec la profondeur.

5 Exemple chiffré: La consommation est de 15l/min en surface. Avec une bouteille de 12 litres gonflée à 200 bars, l autonomie en surface serait de : 2400 / 15 = 160 minutes A 20 mètres de profondeur, la pression absolue est de 3 bars. La consommation est multipliée par 3 et passe à 45 l/mn L autonomie est donc de : 2400 / 45 = 53 mn Exemple d exercice théorique : Votre bouteille de 12l est gonflée à 200 b. Quelle autonomie avez-vous à 20m avant d atteindre 50b de réserve si vous consommez 20 l/min en surface? Air disponible = 200b -50b = 150b x 12 = 1800 litres Pression absolue à 20 mètres : 3 bars Consommation au fond : 20 x 3 = 60 l / mn L autonomie est donc de : 1800 / 60 = 30 minutes Barotraumatismes (cf. cours spécifique) Flottabilité et équilibre 3. FLOTTABILITE Un corps immergé subit l action de 2 forces opposées : a) Enoncé : - Son propre poids, appelé poids réel, qui est une force dirigée de haut en bas. - La poussée d Archimède, qui est une force ascendante, dirigée de bas en haut «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 du liquide déplacé» Le volume de liquide déplacé correspond au volume du corps immergé. Le poids du liquide déplacé est facile à calculer puisque : 1 litre d eau = 1 dm3 = 1 kg Exemple : un corps immergé de volume 20 litres (ou 20dm3) recevra une poussée ascendante de 20 kg

6 b) Notion de poids apparent et de flottabilité : La force d Archimède, dépendant du VOLUME s oppose au POIDS du corps immergé. La résultante de ces deux forces est le POIDS APPARENT. Le poids apparent est le poids d un corps dans l eau, un corps immergé est apparemment plus léger dans l eau que dans l air. Le poids apparent est la différence entre le poids réel d'un corps et la poussée d'archimède qu'il reçoit : Poids apparent = poids réel poussée d Archimède Poussée d Archimède Poids réel REMARQUE : le poids apparent a un signe + ou qui résulte de l importance relative de chacune des 2 forces : Si Poids réel > Poussée : Exemple : P réel 20kg, volume 15 l Le poids apparent est positif. : +5kg. La flottabilité est négative. Le corps coule Si Poids réel < Poussée : Exemple : P réel 20 kg, volume 25 l Le poids apparent est négatif : -5 kg. La flottabilité est positive. Le corps remonte Si Poids réel = Poussée : Exemple : P réel 20 kg, volume 20 l Le poids apparent est nul : 0. La flottabilité est neutre. Le corps est en équilibre

7 REMARQUE : le principe d Archimède est indépendant de la pression, il s applique quelle que soit la profondeur. c) Exemples d exercices : Soit un caisson d'appareil photo de volume 3 litres, de poids réel 1,5 kg. Quel est son poids apparent? Que faut il faire pour rendre sa flottabilité neutre? Son poids apparent est (1,5-3) soit -1,5 kg. Pour rendre neutre la flottabilité, il faut lester le caisson de 1,5 kg. Considérons une amphore de 20 litres, de poids 38 kg. Quel son poids apparent? Le volume d'eau déplacé par l'amphore est 20 litres, soit un poussée d Archimède de 20 kgs. Le poids apparent est donc (38-20) = 18 kg. Elle coule. Quelle quantité d air faut-il insuffler dans un parachute de levage pour la soulever sans effort sur un fond de 20 mètres? Pour la décoller sans effort d un fond de 20 mètres, il faut rétablir une flottabilité neutre en insufflant un volume de 18 litres d air dans le parachute, soit à 20 mètres : 18 x 3 bars = 54 litres d air Si on ne gonfle le parachute qu avec 15 litres à 20 mètres, à partir de quelle profondeur l ensemble aura-t-il récupéré une flottabilité neutre? Selon la formule P1V1 = P2V2, on aura : 3 x 15 =? x 18 soit? = (3 x 15) / 18 = 2.5 soit une profondeur de 15 mètres Quelle sera alors la quantité d air qui s échappera du parachute entre cette profondeur et l arrivée en surface? Toujours selon la même formule : 2.5 x 18 = 45 litres et 1 x 18 = 18 litres La différence = 27 litres qui s échapperont du parachute en cours de remontée. d) Applications à la plongée: En plongée d'exploration, la flottabilité nulle est un facteur de confort, car elle permet de se déplacer sans effort dans les trois dimensions. C est l état que recherche le plongeur.

8 Mais cet équilibre est précaire, les forces en présence variant en permanence tout le long de la plongée: Le poids réel: Entre le début et la fin de la plongée, l'air contenu dans la bouteille est consommé et le poids de l'ensemble diminue dans des proportions sensibles: - environ -2.5 à 3 kg pour un mono de 2,4 m 3, - environ -4 kg pour un bi-bouteille de 3,2 m 3. La poussée d Archimède: - Le plongeur est généralement vêtu d'une combinaison de néoprène. Ce matériau est une mousse de caoutchouc obtenue par des réactions chimiques qui conduisent a la formation de bulles d azote. Ces bulles vont subir la loi de Mariotte en cours de plongée, la combinaison s écrase sous 1 acton de la pression et le volume diminue. Le poids apparent du plongeur devient d'autant plus grand que le plongeur descend profond et cette variation peut atteindre entre 3 et 4 kg pour une combinaison de 7 mm. - La solution consiste à porter un gilet gonflable qui permet d'augmenter le volume déplacé et par conséquent la poussée d'archimède, rétablissant ainsi l'équilibre et une flottabilité nulle. - La variation du volume de la cage thoracique au cours des cycles respiratoires est également un motif de rupture de l'équilibre. Ces variations peuvent être utilisées par le plongeur pour modifier volontairement sa flottabilité : c est le rôle du poumon ballast. D une plongée à l autre, certain éléments peuvent être modifiés, faisant varier la flottabilité : - Le type de scaphandre : Ordres de grandeur : Un bloc 12 l à 230 bars Poids réel 17 kg Poids apparent 3,5 kg Un bloc 15 l à 200 bars Poids réel 18,2 kg Poids apparent 1,2 kg Un bi 2x9 l à 200 bars Poids réel 2x10 kg Poids apparent ~ 0 kg

9 Ce poids apparent dépend également du matériau dans lequel la bouteille est réalisé, deux bouteilles apparemment identiques peuvent avoir un poids apparent différent. D autre part les scaphandre en aluminium sont nettement plus légers que les scaphandres en acier et un ajustement important du lestage est nécessaire - La nature de l eau : On flotte plus facilement en eau salée qu en eau douce. On peut en principe diminuer le lestage d un à deux kg lorsqu on plonge en piscine. Il existe également des différences de salinité des eaux de mer qui influencent la flottabilité : la Mer Rouge a une salinité plus importante que la Méditerranée et il faut en principe augmenter le lestage d un à deux kg supplémentaires e) Lestage et immersion Vérification du lestage Toutes ces raisons justifient le contrôle du lestage systématique en début de saison ou lorsque l on modifie les conditions de plongée : - En début de plongée, stab vide, sans palmer, en positon verticale, l eau doit arriver jusqu au milieu du masque. Une expiration doit entraîner un début d immersion. - En fin de plongée, pour permettre de tenir la profondeur des paliers, le plongeur doit être équilibré à une profondeur de3 mètres, gilet vide, sans effort de palmage. Les dangers du surlestage Le lestage du plongeur ne sert qu à rétablir une flottabilité neutre, identique à celle d un nageur. En aucune façon le lestage ne doit servir à couler. Il ne doit pas remplacer les techniques d immersion : phoque ou canard. Le surlestage a en effet des risques : - Nécessité de gonfler le gilet pour se maintenir en surface : augmentation de la prise au vent et au courant d ou risque d essoufflement. - Utilisation fréquente du gilet en immersion, difficulté à trouver l équilibre - Difficulté à rester à l horizontale. Palmage dans de mauvaise position, source de fatigue, de risque d essoufflement et d augmentation de consommation - Difficulté à maintenir un niveau d immersion stable le long d un tombant. Risque de dépasser la profondeur plancher. - Difficulté à assurer l assistance d un équipier. POUR TOUTES CES RAISONS, LE SURLESTAGE EST A EVITER FORMELLEMENT Les techniques d immersion Ce sont des applications directes du principe d Archimède : Expiration rapide lors d une immersion phoque, pour diminuer le volume, donc la poussée d Archimède.

10 Sortir les jambes hors de l eau lors d une immersion canard pour ne garder que le buste immergé. La poussée d Archimède diminue, le poids reste le même. EXERCICES DE PHYSIQUE 1. Ma consommation de surface est de 20 litres/min. Je possède un 15l gonflé à 230bars, je veux plonger à 15m et regagner la surface avec une réserve de 50bars. a) je peux rester 69 min b) je peux rester 54 min c) je peux rester 115 min d) je peux rester 90 min 2. Je préfère finalement faire une 40m sur une épave mais avec un 12l à 200bars et je veux être de retours en surface avec 50b minimum a) je peux rester 18 min b) je peux rester 15 min c) je peux rester 24 min d) je peux rester 10 min 3. Un plongeur de 80 kg et d un volume de 90l va : a) couler b) flotter c) son poids apparent est nul d) son poids apparent est positif e) son poids apparent est négatif 4. Je veux remonter sans me fatiguer une amphore de 60l pesant 90kg posée à 20m de profondeur. Je dispose d un parachute de levage de 40litres. a) je n y arriverais pas b) je dois mettre 2 bars de mon 15litres dans le parachute c) je dois mettre 6 bars de mon 15 litres dans le parachute d) je dois mettre 9 bers de mon 15litres dans le parachute e) je dois mettre 7 bars de mon 15litres dans le parachute