Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 20 mars 2014
Introduction Sujets : les pressions et les lois qui s y appliquent en plongée Objectif du cours : Connaître les bases de physique expliquant les notions de pression. Observer les applications de ces notions de pression dans l eau Pré requis : mathématiques élémentaires 2
La pression Notions (1/2) La pression correspond à une force répartie sur une surface : Pression (P) = Force (F) / Surface (S) La pression diminue si la surface augmente et inversement. On la mesure en bar (b). La pression absolue (P Abs), subie par le plongeur est : P abs P atm P hyd P Atm : pression atmosphérique P Hyd : pression hydrostatique 3
La pression Notions (2/2) Pression atmosphérique C est le poids d une colonne d air de 1 cm² de surface et s élevant jusqu au sommet de la couche atmosphérique (estimée à 36 km) Elle est de 1 bar au niveau de la mer Elle diminue d environ 0,1 bar tout les 1000 m. A 2000 m d altitude : P Atm = 0,8 bar P abs 1 bar = 10 mce (mètre de colonne d eau) = 1000 mb (millibar) = 1 KgF/cm² (kilogramme force / cm²) = 1000 Hpa (Hecto Pascal) = 760 mmhg (millimètre de mercure) P atm P hyd Pression hydrostatique C est le poids d une colonne d eau de 1 cm² et d une hauteur correspondante à la profondeur d immersion Elle est de 0 bar au niveau de la mer Elle augmente de 1 bar tous les 10 m de profondeur A 20 m de profondeur : P Hyd = 2 bar ; à 36 m de profondeur : P Hyd = 3,6 bar Pression absolue en mer à 36 m : P Abs = 1 + 3,6 = 4,6 bar Et en lac à 2000 m? 4
La pression Exercices 1 - Quelle est la pression absolue au niveau de la mer et à 3 m de profondeur? 2 - Quelle est la pression absolue au niveau de la mer et à 28 m de profondeur? 3 - Quelle est la profondeur correspondant à une pression absolue de 2,4 bar au niveau de la mer? 4 - Quelle est la profondeur correspondant à une pression absolue de 4,2 bar au niveau de la mer? 5
La pression Corrigé exercices 1 Au niveau de la mer, la pression atmosphérique (P Atm) est de 1 b. A 3 m de profondeur, la pression hydrostatique (P Hyd) est de 0,3 b. On cherche P Abs = P Atm + P Hyd, soit P Abs = 1 + 0,3 = 1,3 b 2 Au niveau de la mer, la pression atmosphérique (P Atm) est de 1 b. A 28 m de profondeur, la pression hydrostatique (P Hyd) est de 2,8 b. On cherche P Abs = P Atm + P Hyd, soit P Abs = 1 + 2,8 = 3,8 b. 3 Au niveau de la mer, P Atm = 1 b. On connaît P Abs = 2,4 b. On cherche P Hyd. P Hyd = P Abs - P Atm = 2,4 1 = 1,4 b soit 14 mètres de profondeur. 4 Au niveau de la mer, P Atm = 1 b. On connaît P Abs = 4,2 b. On cherche P Hyd. P Hyd = P Abs - P Atm = 4,2 1 = 3,2 b soit 32 mètres de profondeur. 6
La flottabilité Poussée d Archimède (1/3) Tout corps plongé dans un fluide reçoit de la part de ce fluide une poussée verticale, dirigée de bas en haut, égale au poids du volume déplacé La poussée d Archimède compense plus ou moins le poids d un corps ou d un objet, ce qui lui permet de flotter ou non. La poussée d Archimède (P Archi exprimé en kilogramme) dépend du volume (V exprimé en litre) de l objet et de la densité (d en kilogramme par litre) du fluide : P Archi = V x d densité : Eau douce : d = 1 ; Eau de mer : d = 1,03 volume : pour le plongeur, il varie en fonction de la profondeur (stab combi), de la corpulence, du poumon ballast, etc. 7
La flottabilité Poussée d Archimède (2/3) Poids apparent = Poids réel Poussée d Archimède Si la poussée d Archimède est plus importante que le poids réel, le plongeur monte, et inversement. poids apparent positif (>0) : poids réel plus important que la poussée d Archimède : le corps a tendance à couler poids apparent négatif (<0) : poids réel moins important que la poussée d Archimède : le corps remonte vers la surface ou ne pourra pas descendre poids apparent nul (=0) : poids réel égal à la poussée d Archimède : le corps reste en équilibre 8
La flottabilité Poussée d Archimède (3/3) 9
La flottabilité Exercices Un plongeur de 102 kg à un volume de 100 L en surface 1 - Que se passe-t-il dans le cas d une plongée en eau de mer (d = 1,03)? 2 - Que se passe-t-il dans le cas d une plongée en eau douce (d = 1)? 10
La flottabilité Corrigé exercices 1 - On cherche la poussée d Archimède appliquée à un volume de 100 L avec une densité (eau de mer) de 1,03 Kg/L. Cela fait 100 x 1,03 = 103 Kg. En surface, le poids réel de 102 Kg du plongeur est moins important que la poussée d Archimède (poids apparent négatif). Donc le plongeur à tendance à flotter. 2 - On cherche la poussée d Archimède appliquée à un volume de 100 L avec une densité (eau douce) de 1 Kg/L. Cela fait 100 x 1 = 100 Kg. En surface, le poids réel de 102 Kg du plongeur est plus important que la poussée d Archimède (poids apparent négatif). Donc le plongeur a tendance à couler. 11
La loi de Mariotte-Boyle L abbé Edme Mariotte et le physicien Robert Boyle mirent en évidence à peu près à la même époque (XVII ème siècle), la relation qui lie la pression d un gaz et son volume. Le volume V d un gaz varie en fonction de la pression P P x V = constante ou P1 x V1 = P2 x V2 Plus précisément : à température constante (T mesurée en Kelvin : T en Kelvin = T en degré Celsius + 273), le volume (V) occupé par un gaz est inversement proportionnel à sa pression (P) ou P1 x V1 / T1 = P2 x V2 / T2 12
Les volumes Applications (1/3) Application de la loi aux volumes Un gilet stabilisateur contient 3 L (V1) d air à 10 m (P1=2 bar) A 20 m (P2=3 bar) : le volume du gilet est V2 = 2 L (2 x 3 = 3 x V2); à 5 m (P2=1,5 bar) : V2 = 4 L; en surface : V2 = 6 L Application de la loi à l autonomie En surface, un plongeur a besoin de ventiler entre 15 et 20 L d air par minute. Pour calculer l autonomie, on égalise l air disponible dans la bouteille à celui nécessaire à la respiration : Pb (pression bouteille disponible en bar) x Vb (volume bouteille en litre) = P Abs (pression absolue plongeur en bar) x VR (volume respiration par minute en L/minute) x T (temps en minutes) 13
Les volumes Applications (2/3) Dilatation Expiration Stab Poumons Joël TALON Compression Inspiration + apnée 14
Les volumes Applications (3/3) 3 mètres 6 mètres LES STABS SONT VIDES LA STABILISATION SE REALISE AU POUMON BALLAST ON RESTE AU MOINS 3 MINUTES 20 mètres Joël TALON 15
Les volumes Exercices 1 - Un plongeur veut descendre à 40 m avec un bloc de 12 L. Il compte arriver au fond avec 180 bar. Sa réserve est fixée à 80 bar. Il consomme 20 L/min. Combien de temps peut-il passer au fond? 2 - Un plongeur veut descendre à 35 m et y rester 20 min. Il compte arriver au fond avec 180 bar. Sa réserve est fixée à 80 bar. Il consomme 15 L/min. Quelle type de bouteille doit-il prendre (12 L ou 15 L)? 16
Les volumes Corrigés exercices 1 Connaissant la formule Pb x Vb = P Abs x VR x T, on cherche le paramètre T du temps de plongée. A 40 m, la pression absolue (P Abs) du plongeur est de 5 bar. Le volume de la bouteille (Vb) est de 12 L. Le volume respiratoire du plongeur est de 20 L/min en surface. La pression bouteille à considérer doit être de Pb = 180 80 = 100 b. Cela donne un temps T = (Pb x Vb) / (P Abs x VR) = (100 x 12) / (5 x 20) = 12 minutes. 2 Connaissant la formule Pb x Vb = P Abs x VR x T, on cherche le paramètre Vb du volume de la bouteille. A 35 m, la pression absolue (P Abs) du plongeur est de 4,5 bar. Le temps de plongée recherché est de 20 minutes. Le volume respiratoire du plongeur est de 15 L/min en surface. La pression bouteille à considérer doit être de Pb = 180 80 = 100 b. Cela donne un volume bouteille Vb = (P Abs x VR x T) / (Pb) = (4,5 x 15 x 20) / (100) = 13,5 litres. Il vaut mieux alors choisir une bouteille de 15 L. 17
Conclusion La pression joue sur toutes les composantes de la plongée!!! Sans être un pro des maths, un peu de logique suffit!!! BONNES PLONGEES A TOUS