Formation Apnée A3-A4 Physique Comité Régional Centre Apnée FFESSM Cedric Viou 2014 crcentreapnee.free.fr
Plan du cours Pourquoi de la physique en apnée??? Quelques notions de physique : Pressions Loi de Mariotte Poussée d'archimède Loi de Dalton Conclusion
Pourquoi de la physique en apnée??? L'Homme (ainsi que la femme) ne sont pas des êtres aquatiques Certains phénomènes naturels qui prennent place dans ce milieu sont totalement étrangers à des bipèdes terrestres La physique permet de comprendre comment fonctionnent ces phénomènes et de ne pas les laisser nous surprendre
Notions de physique pour l'apnée La pratique de l'apnée nous soumet rapidement au contact de l'eau L'eau, beaucoup plus dense que l'air, peut appliquer des pressions non négligeables Voyons ce que sont les pressions et les effets qu'elles peuvent avoir lors de notre activité subaquatique
Notion de pression La pression exercée par un fluide, principalement l'eau dans notre cas, est perpendiculaire à la surface sur laquelle elle s'exerce On la note P, tel que P = F / S avec F, la force appliquée sur la surface de taille S Les "physiciens" dirons que la force se mesure en Newton (N) et la surface en m² pour donner une force en Pascal (Pa <=> N/m²)
1 Bar??? Nous préfèrerons utiliser des kilogrammes (kg) et des centimètres carré (1 cm x 1 cm) pour obtenir une pression en bar Un bar est à peu près la pression qu'exerce la colonne d'air au dessus de nous au niveau de la mer : c'est la pression atmosphérique (Patm) On perd 0.1 bar par kilomètre jusqu'à 5000 m Un bar est la pression exercée par une colonne d'eau de 10 m : cette pression-là est la pression hydrostatique (Phydro)
40 km Pression atmosphérique
Pressions... En apnée, nous sommes soumis aux 2 pressions (la colonne d'air et la colonne d'eau). Le résultat est la pression absolue (Pabs) Pabs = Patm + Phydro
Loi de Mariotte La pression agit sur les volumes compressibles Les liquides ne sont pas comprimés par la pression La force exercée par la pression se propage de proche en proche à travers les liquides jusqu'aux volumes gazeux. 1 1 bar 0m 1 bar Air Eau 2 bar 1/2 10 m 2 bar 4 bar 1/4 30 m 4 bar
Loi de Mariotte 1/2 litre 1 litre
Loi de Mariotte Plus la pression augmente, plus le volume diminue. En fait, leur produit est constant : Pression x Volume = Constante Par exemple, suite à une inspiration forcée sur un détenteur ou dans une grotte sous-marine, les poumons gonflés de 6 l d'air à 10 m : Pabs = 1 + 1 = 2 bars devraient avoir un volume de 12 l en surface... : Pabs = Patm = 1 bar 2 bars x 6 l = 1 bar x 12 l
Poussée d'archimède Si vous échappez votre montre-ordinateur du bateau, elle va suivre une trajectoire fortement verticale dirigée vers le bas... Arrivée dans l'eau, ça dépend... ça dépend de la poussée d'archimède. De manière barbare : «Tout corps plongé dans un fluide au repos, entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre, subit une force verticale, dirigée de bas en haut et opposée au poids du volume de fluide déplacé»
Poussée d'archimède
Situations équivalentes Volume déplacé
Poussée d'archimède
Poussée d'archimède De manière pratique, un objet (ou un plongeur, un truc, ) plongé dans l'eau voit son poids réel (Fp) diminué du poids de l'eau (Fa) que cet objet a déplacé. L'objet «semble» peser moins (Papp). Par exemple, une plongeuse et sa combinaison (60 kg) s'immergent. Le tout fait 62 l (soit 62 kg d'eau déplacée). Papp = 60 kg - 62 kg = -2 kg La plongeuse saisit une gueuse de 5 kg. Papp = 65 kg - 62 kg = 3 kg Donc la plongeuse monte! Mais s'arrête, heureusement, à la surface, quand sa tête sort et que le volume d'eau déplacé n'est plus que de 60 l, soit 60 kg d'eau déplacée. Elle entame sa descente sans effort. Note: difficile d'obtenir le poids d'une plongeuse, alors son volume...
Poussée d'archimède
Loi de (John) Dalton Joe, William, Jack et Averell Si les 4 Daltons étaient comme Joe (un très méchant), ils seraient méchants-méchants-méchants-méchants. En fait, William, Jack et Averell sont surtout bêtes, ils diluent la méchanceté de Joe dans le groupe. Les Daltons sont seulement marrants. Pareil pour les gaz Leurs effets sont dépendants de leur pression Si un gaz est dilué à x% avec d'autres composés à la pression totale Ptot, alors ce gaz se comporte comme si il était pur à la pression partielle Pp, avec: Pp = x% * Ptot
Loi de Dalton
Loi de Dalton
Loi de Dalton Important pour expliquer certains phénomènes Exemple : Pourquoi est-il très agréable de faire une apnée statique à 20 m? Ptot = 3 bars Pp O2 = 20 % * 3 = 0.6 bars Équivalent à respirer un mélange hyperoxygéné.
La loi de Henry Lorsqu'un gaz est mis en contact avec un liquide, une partie de ce gaz se dissout dans le liquide. Différents facteurs influencent le degré de cette dissolution, en particulier le temps et la pression. La loi de Henry définit le comportement d'un gaz lorsqu'on le met en contact avec un liquide en fonction de la pression exercée par ce gaz. DEFINITION A température constante et à saturation, la quantité de gaz dissout dans un liquide est proportionnelle à la pression qu'exerce ce gaz sur le liquide. La quantité de gaz dissoute dans le liquide est appelée la tension du gaz. Les échanges entre un gaz et la surface d'un liquide se font en permanence, donc si les conditions extérieures restent stables, il s'établit entre la pression du gaz au dessus du liquide et la tension du gaz dans ce liquide un équilibre. On dit alors que le liquide est à saturation.
La loi de Henry DEFINITION A température constante et à saturation, la quantité de gaz dissout dans un liquide est proportionnelle à la pression qu'exerce ce gaz sur le liquide. La quantité de gaz dissoute dans le liquide est appelée la tension du gaz. Les échanges entre un gaz et la surface d'un liquide se font en permanence, donc si les conditions extérieures restent stables, il s'établit entre la pression du gaz au dessus du liquide et la tension du gaz dans ce liquide un équilibre. On dit alors que le liquide est à saturation.
Loi de Henry Saturation Pression = Tension Equilibre Sous-saturation Pression > Tension Le liquide dissout du gaz pour tendre vers la saturation Sur-saturation Pression < Tension Le liquide rejette du gaz pour revenir à la saturation Le corps humain étant composé à 70 % de liquide, il s'effectue des échanges entre les mélanges gazeux contenus dans les poumons et les tissus humain (muscles, sang, os...). Donc la loi de Henry s'applique à notre organisme. - Si nous laissons trop souvent l'azote se dissoudre dans notre corps et que nous lui laissons pas assez de temps pour être éliminé «silencieusement», nous allons accumuler progressivement une tension d'azote. - Lors d'une remontée rapide (systématique en apnée), une sur-saturation critique va déclencher le dégazage anarchique de l'azote dans notre sang, sous forme de micro-bulles qui vont grossir en se regroupant et en subissant la loi de Mariotte (Prof => P => V )
Lumière L'eau est un filtre naturel de la lumière. Elle absorbe plus ou moins fortement les diverses couleurs du spectre lumineux
Lumière à Port-Cros
Lumière en carrière
Déformation des images Sensation de rapprochement difficulté à saisir ou à percevoir les distances OU Impression d'objet plus grand Ben, non, c'tait pas pas un bar d'1.5 m Ça rapproche Commission Apnée du Comité Centre ou ça grossit
Propagation du son Le son est une onde acoustique Elle se déplace rapidement : 300 m/s dans l'air 1500 m/s dans l'eau 5 km/s dans l'acier mais on y perd trop rapidement sensation quand il refroidit Le cerveau utilise la différence de temps d'arrivée du son dans l'air entre les 2 oreilles pour déterminer la direction d'arrivée d'un son, mais la différence, trop faible, dans l'eau rend ce système inopérant (avec les hors-bord, entre autres...)
Conclusion La Nature peut être décrite par la Physique et les Mathématiques. Savoir manipuler la Physique et les Mathématiques permet de prédire la nature... et vos apnées!!!
Références http://olivierlebihanbis.free.fr http://plongee.amiral.free.fr/ http://fr.wikipedia.org/wiki/portail:plongée_sous-marine http://fr.wikipedia.org/wiki/apnée_(sport) http://fr.wikipedia.org/wiki/poussée_d'archimède http://fr.wikipedia.org/wiki/loi_de_mariotte http://fr.wikipedia.org/wiki/hypoxie http://jrbarbeau.free.fr/wikini/wakka.php