Plongée sous marine cours de physique Niveau 3 Hippocampe Club : 27/03/2014
Quatre «lois» physiques : Archimède (flottabilité) rappel sur la pression Mariotte (compressibilité des gaz) Henry (dissolution des gaz) Dalton (pression des mélanges) elles sont présentées de par leurs applications directes à la plongée
Principe d Archimède La flottabilité
Principe d Archimède Tout corps plongé dans un fluide reçoit, de la part de celui-ci, une poussée verticale, dirigée du bas vers le haut, égale à la masse du volume de fluide déplacé. Notion de poids apparent Poids apparent = Poids réel Poussée d Archimède (Papp = Pre Parchi) Papp < 0 è l objet flotte Papp = 0 è l objet reste en équilibre dans l eau Papp > 0 è l objet coule
Notion de flottabilité Un objet plongé dans l eau peut : Soit flotter (flottabilité positive) Soit rester en équilibre (flottabilité neutre) Soit couler (flottabilité négative) Ceci est dû au principe d Archimède
Notion de flottabilité Un objet plongé dans l eau peut : Soit flotter (flottabilité positive) Papp < 0 è l objet flotte Cas du baigneur avec sa bouée
Notion de flottabilité Un objet plongé dans l eau peut : Soit rester en équilibre (flottabilité neutre) Papp = 0 è l objet reste en équilibre dans l eau Plongeur équilibré
Notion de flottabilité Un objet plongé dans l eau peut : Soit couler (flottabilité négative) Papp > 0 è l objet coule Plongeur vidant son gilet ou ses poumons (poumon ballast)
Application à la plongée LEST En plus de son équipement classique (palmes, masque, tuba) le plongeur porte sur lui: Une combinaison de plongée Un gilet de sécurité Une bouteille Équipé de la sorte, le plongeur flotte, le poids apparent de la combinaison, du gilet de sécurité et de la bouteille est positif. Le plongeur devra prendre une ceinture du plomb avec lui pour pouvoir descendre, et être en flottabilité nulle en fin de plongée GILET STABILISATEUR POUMON BALLAST PARACHUTE (de palier, de relevage)
Exercice : Un plongeur équipé a un volume de 100 litres et une masse de 100 kg. quel est son poids apparent dans l eau douce (mv = 1 kg/l) et dans l eau de mer (mv = 1,03 kg/l). Coule - t - il ou flotte - t - il? Eau douce : Poussée d Archimède = 100 litres x 1 kg/l = 100 kg Poids apparent = Poids réel poussée d Archimède Poids apparent = 100 kg 100 kg = 0 kg (flottabilité neutre) Eau de mer : Poussée d Archimède = 100 litres x 1,03 kg/l = 103 kg Poids apparent = Poids réel poussée d Archimède Poids apparent = 100 kg 103 kg = - 3 kg (flottabilité positive) On lui rajoute une ceinture de 4 kg de plomb : - 3 kg + 4 kg = + 1 kg (flottabilité négative)
La Pression et les Volumes lors de la plongée
Rappel sur la Pression La pression est une force exercée sur une surface L unité couramment employée est le bar (b) Le bar correspond environ à une force exercée par une masse de 1 kg sur une surface de 1 cm2 La pression atmosphérique, due au poids de l air, est d environ 1 bar au niveau de la mer La pression relative, due au poids de l eau, varie de 1 bar tous les 10 m Pression absolue = Pression atmosphérique + Pression relative
La pression atmosphérique La terre est entourée d une couche d air. Le poids de cet air exerce une pression sur tous les corps. Plus nous montons en altitude, plus la couche d air est faible et plus la pression diminue. C est la pression atmosphérique. Au niveau de la mer, la pression atmosphérique est sensiblement de 1 bar, à 2000 m d altitude elle est de 0,8 bar. La pression relative Un corps plongé dans l eau subit une pression égale au poids de la colonne d eau située au dessus de lui. Cette pression varie donc avec la profondeur. C est la pression relative. Elle augmente de 1 bar tous les 10 m. La pression absolue La somme de la pression atmosphérique en un lieu et de la pression relative est la pression absolue. C est la pression qui s exerce sur tout corps immergé dans l eau.
Les effets de la pression sur les gaz
Mariotte effet de la pression sur les gaz Les gaz sont compressibles : exemple : une pompe à vélo Lorsque la pression augmente, le volume du gaz enfermé dans un récipient souple diminue L être humain respire de l air, le plongeur va évoluer dans un milieu où la pression évolue, les volumes d air respiré vont varier
Loi de Mariotte A température constante, le volume d un gaz est inversement proportionnel à la pression qu il subit. Pression x Volume = Constante Lors d une variation : P1 x V1 = P2 x V2 = Pn x Vn = Cte
Applications à la plongée Le relevage de charges La consommation d air lors de l immersion La variation de la pression absolue et la compressibilité des gaz sont à l origine des accidents que l on appelle accidents mécaniques ou barotraumatiques. Tous ces accidents peuvent être graves mais il très facile de les éviter. Pour cela il suffit de: bien comprendre et connaître leur prévention
Exercice : Une amphore a un poids de 35 kg, un volume de 5 l, elle est sur un fond de 20 m Quel est son poids apparent, On la relève avec un parachute de 30 l dans le quel on introduit 20 l d air au fond que se passe-t-il au fond? À partir de quelle profondeur l amphore associée au parachute aura un poids apparent nul? Poids apparent = poids - poussée d Archimède P app = 35 5 = 30 kg Au fond la poussée du parachute est de20 kg le poids apparent de 30 kg, l ensemble représente un poids apparent de 10 kg Au fond P1 V1 = 3 * 20 = 60 Si le poids apparent est nul cela veut dire que V2 = 30 l P1 V1 = P2 V2 > 60 = 30 * P 2 >> P 2 = 60/30 = 2 bar La profondeur où se situe l équilibre est de 10 m
La consommation en immersion L être humain consomme environ 20 litres d air par minute. Le plongeur garde pendant la plongée un rythme respiratoire voisin : même nombre de cycle inspiratoire par minute (7 à 10) Pendant la plongée la consommation d air dépendra de la profondeur
Exercice 1 : Un plongeur consomme 20 litres d air par minute en surface. Il utilise un bloc de 12 litres gonflé à 200 bars. 1 - De quel quantité d air dispose-t-il? 2 - En conservant une réserve de sécurité de 50 bars, quelle est son autonomie en air à 20 m? 1 - P x V = 200 x 12 = 2400 litres d air 2 - On enlève 50 b de réserve. Il reste : 200-50 = 150 bars Il reste donc : 12 x 150 = 1800 litres d air A 20 m la pression P = 3 b. Sa consommation sera de 20 x 3 = 60 litres d air Son autonomie sera de 1800 / 60 = 30 minutes
Exercice 2 : Un plongeur consomme 20 litres d air par minute en surface. Il utilise un bloc de 15 litres. Quelle est la chute de pression par minute à 20 m? Consommation P1 x V1 = 3 x 20 = 60 litres d air par mn Bloc : P2 x V2 = 60 = P2 x 15 > P2 = 4 bars par mn
Loi de HENRY A température donnée, la quantité de gaz dissous, à saturation, dans un liquide est proportionnelle à la pression du gaz au-dessus de ce liquide. Attention : L oxygène est consommé par l organisme Mais l azote se dissout à saturation selon la loi de Henry
Dissolution des gaz loi de Henry Les gaz se dissolvent dans les liquides : La quantité de gaz dissoute dépend de la pression (partielle) de ce gaz au niveau de la surface d échange La dissolution n est pas instantanée, un certain temps est nécessaire pour laisser pénétrer le gaz (ou le laisser échapper) avant d atteindre l équilibre : la saturation L être humain respire de l air (azote, oxygène), le poumon est une surface d échange entre l air et le sang, le sang véhicule les gaz dans l ensemble de l organisme. Le plongeur va évoluer dans un milieu où la pression varie, les quantités de gaz dissoutes vont varier
Applications à la plongée La vitesse de remontée Les paliers de décompression L accident de décompression La dissolution des gaz est à l origine des accidents que l on appelle accidents de décompression. Tous ces accidents peuvent être graves mais il très facile de les éviter. Pour cela il suffit de: bien comprendre et connaître leur prévention
Loi de Dalton A température donnée, la pression d un mélange gazeux est égale à la somme des pressions qu aurait chacun des gaz s il occupait seul le volume total. A température donnée : P absolue d un mélange = somme des P partielles de chaque composant P partielle d un gaz = P absolue x % du gaz dans le mélange
Exercice : Sachant que l air contient approximativement 20 % d oxygène et 80 % d azote, calculez la pression partielle de ces gaz à la pression absolue de 5 bars. Pp oxygène = 5 x 0,2 = 1 bar Pp azote = 5 x 0,8 = 4 bars * ( On retrouve : 1 + 4 = 5 bars de pression absolue )
Exercice : L air devient toxique si on le respire à une pression partielle en oxygène supérieure à 1.6 bars (crise hyperoxique). A quelle profondeur cette pression correspond - t - elle? P partielle d un gaz = P absolue x % du gaz dans le mélange Soit : P absolue = P partielle d oxygène / % d oxygène P absolue = 1.6 / 0,21 = 7.6 bars Soit 66 m * Rappel : Interdiction de faire une plongée sportive > 60 mètres
Résumé Quatre lois physiques Archimède (flottabilité) Mariotte (compressibilité des gaz) Henry (dissolution des gaz) Dalton (pression partielle) Des applications lors de la plongée sous-marine Uniquement de la prévention à mettre en œuvre