Cours théorique de plongée Niveau 2 Jérôme Ceccarini 22/02/2015
Introduction 1. Flottabilité 1. Notions de base (forces) 2. Flottabilité, Archimède 3. Applications à la plongée (et exercices) 2. Compressibilité des gaz 1. Notion de pression, lien pressionprofondeur 2. Relation pression, volume, mariotte 3. Applications et exercices Conclusion Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 2
Flottabilité et Relations entre pression et volume (compressibilité des gaz) sont des notions fondamentales dans le monde de la plongée. Les applications de ces notions sont multiples et omniprésentes dans l activité d un plongeur : Exemples: Gérer sa flottabilité et son équilibre Déplacements verticaux Gestion de l air et de l autonomie Applications physiologiques (effets sur le corps) Gonflage des blocs, compresseurs, détendeurs, Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 3
Notion de force. Définition courante: degré d intensité d un agent physique (force du courant, force du vent) Définition en physique mécanique : Action susceptible de déformer un corps, d en modifier l état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme. Représentation : Exemples de forces : poids, poussée, vent/voile, pression Pour info : unité de mesure = le Newton (N) Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 4
Notion de Volume. Définition : Espace à trois dimensions occupé par un corps ou délimité par une surface. Représentations : etc. Unité de mesure : m 3, aussi le litre, 1litre = 1dm 3 = 0,001 m 3 Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 5
Le phénomène. La flottabilité d un objet dépend -du matériau dont l objet est constitué et par conséquent de son poids - De la forme, en particulier du volume, et surtout le volume immergé Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 6
Le théorème d Archimède: Tout corps plongé dans un liquide subit une force dirigée de bas en haut d intensité égale au poids du volume de liquide déplacé. Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 7
Illustration du théorème : Force d archimède 1 l Poids du volume d eau déplacé Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 8
Illustration du théorème : Force proportionelle au volume d eau déplacé Force d archimède 1 l 2 l Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 9
Exemple: force d archimède subie par un ballon d 1l plongé dans l eau douce 1l d eau douce pèse 1 kg poids du volume d eau douce déplacé = 1kg force d archimède subie par un ballon d 1l plongé dans l eau de mer (d=1,03) 1l d eau de mer pèse 1,03 kg poids du volume d eau de mer déplacé = 1,03kg Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 10
Flottabilité positive ou négative: on parle de flottabilité positive si l objet flotte, et de flottabilité négative s il coule. Dans le cas où la flottabilité est nulle, l objet se maintient à la profondeur où on le place. On parle aussi de poids apparent : Les objets apparaissent moins lourds dans l eau que dans l air. Ex: un bloc+gilet sur le bateau et une fois dans l eau. Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 11
poids apparent : Poids apparent = poids réel pression d archimède. Si pression archimède supérieure au poids réel : poids apparent négatif flottabilité positive Si pression archimède inférieure au poids réel : poids apparent positif flottabilité négative Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 12
Poids apparent : Force d archimède Force d archimède Poids de l objet Poids apparent Poids de l objet Dans ce cas, la flottabilité est positive L objet flotte Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 13
Poids apparent : Force d archimède Force d archimède Poids de l objet Poids apparent Poids de l objet Dans ce cas, la flottabilité est négatice L objet coule Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 14
Exemple: nageur de 60kg dans l eau de mer (d=1,03) avec un volume de 60 l: quel est son poids apparent? Ce nageur s équipe avec une combinaison de plongée de 2 kg d un volume de 8 l. poids apparent? Conséquences? Il rajoute maintenant son bloc équipé (gilet et détendeur) qui pèse 22 kg pour un volume de 16l. mêmes questions. Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 15
En plongée, les principaux éléments qui jouent sur notre flottabilité sont: L équipement : - La combinaison (selon son épaisseur, la flottabilité change) - Le lestage (plombs) - Le bloc (12l ou 15l, bloc acier ou bloc alu, etc ) La nature du milieu : eau douce (piscine, carrière) / eau de mer L eau de mer, salée, est plus lourde que l eau douce, donc à équipement égal, le poids du volume d eau déplacé est plus important en mer, par conséquent la force d archimède est plus importante, et le poids apparent, est donc moindre. Autrement dit, on coule plus dans l eau douce que dans l eau de mer! Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 16
Pression, définition : force appliquée sur une surface Plus précisément : le rapport entre l intensité de la force et la surface sur laquelle elle s applique 1 kg 1 cm² ~ 1 bar 1 pascal (Pa) unitié internationale de pression Pression exercée par force d 1N sur 1m² 100 Pascals = 1 hectopascal (hpa) = 1 milli bar (mb) 100 000 Pa = 1000 hpa = 1 Bar Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 18
Pression atmosphérique, poids d une colonne d air d 1 cm² de surface au sol et d une hauteur allant du sol à la limite de l atmosphère exercé sur la surface au sol de 1cm² Equivalent au poids de 76 cm de mercure, ou de 10 m d eau environ Un niveau de la mer, la force correspondant au poids de l atmosphère sur les objets varie autour de 1013 hpa ou 1,013 Bar, On retiendra 1 bar. Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 19
Si on enfonce un objet ou plutôt une surface dans l eau, Le poids de l eau située au dessus de l objet est d autant plus grand qu il y a d eau c est-à-dire d autant plus grand que l objet est profond 0 m -10m Hauteur 10m -20m Surface 1 cm² -30 m Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 20
Si on enfonce un objet ou plutôt une surface dans l eau, Le poids de l eau située au dessus de l objet est d autant plus grand qu il y a d eau c est-à-dire d autant plus grand que l objet est profond 0 m -10m -20m 1l La colonne pèse ~1kg 2 l -30 m La colonne pèse ~2kg 1 cm x 1 cm x 10 m = 0,1 dm x 0,1 dm x 100 dm = 1 dm 3 = 1l Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 21 3l La colonne pèse ~3kg
La pression exercée par la colonne d eau varie donc selon la hauteur de la colonne d eau considérée Il s agit de la pression hydrostatique 0 m -10m -20m 1 Bar 2 Bars -30 m 3 Bars Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 22
0 m -10m Quand on prend en compte l air atmosphérique au dessus de l eau, on se rend compte que les effets se cumulent Et les pressions s additionnent : P Totale = P atmosphérique + P hydrostatique 1 bar -20m 1+1=2 Bars -30 m 1+2=3 Bars 1+3=4 Bars Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 23
Effets de la pression sur un volume de gaz Plongeons un volume d air dans l eau : 0 m 12 litres à 1 bar -10m -20m 6l à 2 bars 4l à 3 bars En remontant, On retrouve bien la même quantité qu au début -30m Plus la pression augmente Plus le volume diminue 3l à 4 bars Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 24
Le produit Pression x Volume reste constant pour une quantité donnée. Cette relation physique est connue sous le nom de Loi de Mariotte. (P x V = constante) Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 25
- Stabilisation ( lors des variations de profondeurs: on joue sur l air dans le gilet pour ajuster la flottabilité ) - Gonflage des blocs -Utilisation du détendeur pour décompresser l air du bloc et l amener à la pression AMBIANTE pour respirer. - Effets de la pression sur le corps et sur les gaz qui s y trouvent Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 26
-Utilisation du détendeur pour décompresser l air du bloc et l amener à la pression AMBIANTE pour respirer. -Un plongeur respire 20l/mn en surface c est-à-dire à 1 bar -À 10m, il respire toujours 20l/mn, mais l air qu il respire est à la pression de 2 bars. -Sa consommation rapportée à la surface (1 bar), équivaut donc à 40l/mn. Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 27
Exemple: un plongeur s équilibre à 20m en injectant 2l d air dans sa stab. En remontant à 10m quel volume d air a-t-il dans sa stab? Et en surface? Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 28
Exemple: un bloc de 12l d air est gonflé à 200 bars; Quel serait le volume équivalent à 1 bar. Lorsqu on arrive sur la réserve, il ne reste plus que 50 bars dans ce bloc, quel est le volume équivalent restant alors à 1 bar. En consommant 20 l/mn, en surface, combien de temps peut-on respirer sur ce bloc de 12l gonflé à 200 bars avant d être sur réserve. à 10 m de profondeur, sachant que l on consomme 20l/mn en surface, de combien de temps dispose-t-on avant d être sur réserve (deux méthodes de calcul). Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 29
Exemple: un bloc de 12l d air est gonflé à 200 bars; Quel serait le volume équivalent à 1 bar. 12 * 200 / 1 = 2400 l Lorsqu on arrive sur la réserve, il ne reste plus que 50 bars dans ce bloc, quel est le volume équivalent restant alors à 1 bar. 12 * 50 / 1 = 600 l En consommant 20 l/mn, en surface, combien de temps peut-on respirer sur ce bloc de 12l gonflé à 200 bars avant d être sur réserve. 2400 600 = 1800 l ; 1800 / 20 = 90 mn (soit 1h30) à 10 m de profondeur, sachant que l on consomme 20l/mn en surface, de combien de temps dispose-t-on avant d être sur réserve (deux méthodes de calcul). Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 30
à 10 m de profondeur, sachant que l on consomme 20l/mn en surface, de combien de temps dispose-t-on avant d être sur réserve (deux méthodes de calcul). 1 Méthode: on ramène tout en surface (1 bar) À 10m, P tot = 2 bars On dispose de 2400-600=1800 l à 1 bar, À 10m, on consomme 20l/mn mais à une pression ambiante de 2 bars Ce qui revient à une consommation en surface de 40l/mn. On consomme donc les 1800l en 45 mn (=1800/40) 2 Méthode: on fait le calcul au fond (à la pression ambiante) 200 50 = 150 bars disponibles, donc le bloc de 12 l représente à pression ambiante de 2 bars: 12 * 150 /2 = 900l à 20l/mn, on consomme les 900l en 45 mn Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 31
Un plongeur de 60 kg en flottabilité nulle en maillot de bain, s habille avec un équipement (combinaison, bloc, gilet, etc) dont le poids total est de 15 kg pour un volume de 20l. Quel est son poids apparent dans l eau? Quelles conséquences sur son lestage? Une fois son lestage ajusté, il descend à 20m où sa combinaison, écrasée par la pression, perd 1l de volume. Quel est son poids apparent à cette profondeur? Quelles conséquences? Que doit-il faire pour être équilibré? En fin de plongée, il remonte à 5m, où l écrasement de sa combinaison est devenu négligeable, comment est sa flottabilité? Que doit-il faire pour rester équilibré? Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 32
Flottabilité Archimède Poids apparent Importance de ces notions pour le lestage, Compressibilité des gaz Relation pression volume Applications - à l autonomie en air, - au gonflage - aux variations de flottabilité en fonction de la profondeur Et à venir: influence sur les volumes gazeux dans le corps Plongée théorie N2 - Théorie de l'activité Jérôme Ceccarini - 22/02/2015 33