nautile plongee physique 1 et 2

NAUTILE PLONGEE
PHYSIQUE 1 ET 2
Préambule.
En plongée sous marine, notre organisme est soumis à quelques modifications physiques. Même si ces
modifications ne sont pas visuellement apparentes, elles n’en sont pas moins dangereuses. Il est à noter que
certaines de ces modifications sont à l’origine des accidents de plongée.
Le rôle de ce cours est de vous sensibiliser en vous faisant comprendre de quelle manière la physique agit sur
l’organisme d’un homopalmus normal lors de ses innombrables incursions dans le grand bleu.
Ainsi avec votre nouveau savoir, vous serez armés pour parez tous les caprices de la dite physique.
PHENOMENES PHYSIQUES ETUDIES.
I. Notion de pression.
II. La compressibilité des gaz. (La loi de MARIOTTE)
III. La flottabilité. (Le théorème d’ARCHIMEDE)
IV. La composition de l’air.
V. Les pressions partielles : La loi de DALTON.
VI. La dissolution des gaz. (La loi de HENRY)
VII. La température
VIII. L’optique.
IX. L’acoustique..
X. Rappels
I. NOTION DE PRESSION.
Observations :
Poids 10 k g
Poids 10 k g
Cas 1 : La planche ne s’enfonce
pas dans le sable.
Cas 2 : La tige s’enfonce dans
le sable.
Cette observation est appliquée
à la montagne, on ne marche
pas dans la neige fraîche en
chaussure mais avec des
raquettes.
Dans les deux cas présentés, la même force est développée à la surface du sable : soit 10 Kg.
Cas n°1 : La surface d’appui est grande, la pression est donc faible.
Cas n°2 : La surface d’appui est faible, la pression est donc plus forte.
Définition de la pression :
Une pression est le résultat d’une force appliquée sur une surface.
P( Kg/cm2 ou bar ) = F (Kg)
S (cm2)
D’ou, 1 Bar est le résultat d’une force de 1 Kg sur une surface de 1 cm2.
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A/La pression atmosphérique.
Le poids d’1 litre d’air est de : 1.293 grammes.
La terre est entourée d’une couche d’air, qui sous l’effet de la gravité terrestre est dense vers l’écorce terrestre,
et de moins en moins dense plus on se rapproche de « l’espace » pour arrivé enfin au vide : l’espace.
On observe donc une variation de la pression suivant l’altitude.
Le poids de cette couche d’air exerce une pression sur tous les éléments présents sur notre planète.
PRESSION FAIBLE = ALTITUDE
( Poids de la colonne d’air)
PRESSION FORTE = NIVEAU DE LA MER
« espace » = vide
Terre
Atmosphère = air
La pression atmosphérique au niveau de la mer est de 1.013 Bars ou 760 mm de mercure (Hg) ou
1.033 kg/cm2 ou 10.33 m d’eau pure. Et par convention en plongée : 1 bar = 1 kg/cm2 = 10 m d’eau pure.
Variation de pression en fonction de l’altitude :
Niveau de la mer : pression = 1.00 bar
Altitude à 2000 m : pression = 0.76 bar
Altitude à 5000 m : pression = 0.50 bar
Pour passer d’une pression atmosphérique en bar alors que celle ci est exprimée en mm de Hg, il suffit de la
diviser par 760 :
Pression atmosphérique en bar = Pression en mm de Hg
760
Exemple : Pression atmosphérique = 673 mm de Hg quelle est sa pression en Bar ???
Patmo (en bar) = 673 = 0.88 bar
760
Pour les non matheux, ceci n’est qu’une simple règle de trois :
Pour les non matheux, ceci n’est qu’une simple règle de trois :
Affirmation : 1 bar
=
760 mm de mercure
Question : ? de bars
=
673 mm de mercure
Réponse :
(1 x 673) / 760 = 0.88 bar
B/ La pression dans l’eau / pression hydrostatique ou pression relative.
2000 mètres
MONTAGNE
F AIR
200 m
VALLÉE
PLAGE niveau 0 = 0 mètre P=1 bar
Pr1=1 bar
-10 mètres
F EAU
Pr2 = 2 bars-20mètres
ÉCORCE TERRESTRE
Pr3= 4 bars -40 mètres
Un corps plongé dans l’eau, va subir une pression égale au poids de la colonne d’eau située au dessus de lui =
PRESSION HYDROSTATIQUE ou RELATIVE
Un tube d’une section de 1cm2 de surface mesurant 10 mètres de haut (soit 1000 X 1cm 3) occupe un
volume de 1litre (1cm3 X 1000 = 1000 cm3 soit 1 dm3 soit 1 litre soit 1 kg d’eau douce et 1,026 d’eau de
mer) d’ou une force de 1kg/cm2 soit pour nous plongeur, 1 bar de pression.
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Cette pression relative varie donc avec la profondeur. Pr1 < Pr2 < Pr3
On remarque qu’une colonne d’eau de 10 mètres de haut et de 1 cm2 de surface à sa section, a un volume de 1
litres ou 1000 cm3 ou ou 1 dm3 ce qui représente une masse de 1 kg exprimée en eau douce ou 1.026 kg
d’eau de mer.
Exemple de calcul de la pression relative :
10 mètres de profondeur : 10 m x 1 cm3 = 1000 cm3 = 1 dm3 = 1 litre = 1 kg = 1 bar
20 mètres de profondeur : 20 m x 1 cm3 = 2000 cm3 = 2 dm3 = 2 litres = 2 kg = 2 bars
etc.….
En résumé, on observe qu’il y a deux pressions qui peuvent s’exercer sur les corps terrestres.
LA PRESSION ATMOSPHERIQUE
LA PRESSION HYDROSTATIQUE ou RELATIVE
La somme de ces deux pressions est appelée : PRESSION ABSOLUE
PRESSION ABSOLUE = PRESSION ATMOSPHERIQUE + PRESSION RELATIVE
NIVEAU DE LA MER : P atmo = 1 bar ; P relative = 0 bar ; P absolue = 1 bar
A 10 m de profondeur : P atmo = 1 bar ; P relative = 1 bar ; P absolue = 2 bars etc.….
II. La compressibilité des gaz : La loi de Mariotte.
Les solides et les liquides sont pratiquement incompressibles. En revanche, les gaz eux sont compressibles
d’ou la loi de Mariotte.
Nous avons vu au paragraphe précédent, que l’eau peut exercer une pression ( pression relative ) , par
conséquent, l’eau va pouvoir comprimer les gaz.
1/1
1/1
V= 10 litres
air
V= 10 litres
air
1/2
1/2
P atmo= 1 bar
P relative = 0
Niveau de la mer
altitude 0
V = 5 litres
air
V = 5 litres
eau
V = 5 litres
air
V = 5 litres
eau
P atmo= 1 bar
P relative = 1 bar
P absolue = 2 bars
10 mètres
1/4
V = 2,5 litres
V = 7,5 litres
eau
EAU
P atmo= 1 bar
P relative = 3 bars
P absolue = 4 bars
30 mètres
Observation et conclusion : Le volume d’un gaz est inversement proportionnel à la pression qu’il reçoit .(
LOI DE MARIOTTE )
Expression mathématique de la loi : P = V
P x V = P’x V’= Constante
P’ V’
Vérifions cette application.
On gonfle un ballon avec 5 litres d’air. Donc : P atmo = 1 bar et V = 5 litres
Immergeons ce ballon à 10 mètres de profondeur.
Donc : P’ = 1 bar atmo + 1 bar pression relative = 2 bars de pression absolue
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P x V = P’ x V’
1 x 5 = 2 x V’
V’ = 1 x 5 = 2.5 litres
2
On remonte le ballon au niveau de la mer : P = 2 bars ; V = 2.5 litres ; P’ = 1 bar ; V’ = ???
P x V = P’ x V’
2 x 2.5 = 1 x V’
V’ = 2 x 2.5 = 5 litres
1
Dans les deux cas on observe qu’il y a conservation P x V = 2 x 2.5 = 5 litres
P’ x V’= 1 x 5 = 5 litres
III. La flottabilité : Le théorème d’ARCHIMEDE
- Si le cube est plus léger que la quantité d’eau ayant le même volume que lui, il flotte.
- Si le cube a le même poids que la quantité d’eau ayant le même volume que lui, il reste entre deux eaux.
- Si le cube est plus lourd que la quantité d’eau ayant le même volume que lui, il coule
La loi d’Archimède : Tout corps plongé dans un liquide, reçoit de la part de celui ci une poussée verticale
dirigée de bas en haut, égale au poids du volume du liquide déplacé.
Appelons Poids réel, le poids du corps dans l’air et Poids apparent le poids du corps dans l’eau.
P apparent = P réel – Poussée d’Archimède
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Si P réel < P archi
le corps flotte
Si P réel = P archi
le corps reste entre deux eaux
Si P réel > P archi
le corps coule
Applications en plongée : poumon ballaste, combinaison, plombs, stab ou gilet, planche etc.….
Exemple plus complexe, faisant intervenir à la fois la loi de Mariotte et le théorème d’Archimède.
Un plongeur découvre une ancre a 30 mètres de fond qui pèse 40 kg, et présente un volume de 10 dm3.
Pour la remonter, il dispose d’un grand parachute qu’il attache à l’ancre. Le parachute et sa corde ont une
densité égale à 1, donc une flottabilité nulle.
Le plongeur introduit 27 litres d’air dans le parachute, que va-t-il se passer ?
Voyant cela, le plongeur aide l’ancre à se décoller du fond en palmant. L’air contenu dans le parachute va se
dilater au fur et à mesure de la remontée, puisque la pression absolue va diminuer.
Quand le volume d’air sera-t-il suffisant pour faire monter l’ancre sans que le plongeur ait besoin de la
porter ?
REPONSE:
P réel = 40 kg ; Poids apparent = ? P app = P réel – P archi
P app = 40 – 10 = 30 kg pour l’ancre seule
Introduction de 27 litres d’air, donc, augmentation de la poussée d’Archimède.
Cela induit un nouveau poids apparent.
Nouveau poids apparent (ancre + air du parachute) = P réel + P archi
Nouveau poids apparent (ancre + air du parachute) =30 – 27 = + 3 kg
Le parachute reste encore au fond.
P x V=P’x V’
P= 4 bars ; V= 27 litres ; P’ = ??? ; V’= 30 litres
4 x 27 = P’ x 30
P’ = 4 x 27 = 3.6 bars
30
3.6 bars de pression absolue = 1 bar atmosphérique + 2.6 bars hydrostatique
2.6 bars hydrostatique = 26 mètres de profondeur.
IV. La composition de l’air.
Azote (N2) = 79.00% - Oxygène (O2) = 20.90% - Gaz carboniqueCo2=0.03 % - Gaz rares 0.07 %
Pour tous les problèmes de plongée, on simplifie par : N2 = 79 % et O2 = 21 %
V. Les pressions partielles : La loi de Dalton.
VI.
+
N2 = 0,5 bar
=
O2 = 0,5 bar
N2 + O2 = 1 bar
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A température donnée, la pression d’un mélange gazeux est égale à la somme des pressions qu’aurait chacun
des gaz si il occupait seul volume total.
La pression d’un gaz correspond aux chocs des molécules le constituant sur les parois du contenant. exemple :
bouteille de plongée
Exemple en plongée :
A 40 mètres un plongeur respire de l’air comprimé.
La pression est de 4 + 1 = 5 bars
L’air est composé de 21 % d’O2 et de 79 % d’N2
L’O2 occupe 21 % du volume total
L’N2 occupe 79 % du volume total
Pression partielle d’O2 à 40 m soit 5 bars : 21 x 5 = 1.05 bar PPO2
100
1.05 + 3.95 = 5 bars
Pression partielle d’N2 à 40 m soit 5 bars : 79 x 5 = 3.95 bar PPN2
100
PP d’un gaz = % du gaz x Pression absolue
100
Pression absolue = PP d’un gaz x 100
% du gaz
Exercice
1 : Quelle est la pression partielle de l’O2 a 60 mètres ???
2 : Sachant que la toxicité de l’O2 est de 1.6 bar de pression partielle, quelle est la profondeur maximum que
peut théoriquement éteindre un plongeur à l’air ????
Réponse détaillée pour les non matheux :
1 : O2 = 21% Soit 21(gr, kg, litres, bars…) pour 100 (gr, kg, litres, bars…)
60 mètres = 7 bars de pression absolue (6 + 1)
Affirmation : 21 bars d’O2 dans 100 bars d’air
Question :
? Bars d’O2 dans 7 bars d’air
Réponse :
(21 x 7) / 100 = 1.47 bar
2 : O2 = 21% Soit 21(gr, kg, litres, bars…) pour 100 (gr, kg, litres, bars…)
Affirmation : 21 bars d’O2 dans 100 bars d’air
Question : 1.6 bars d’O2 dans ? bars d’air
Réponse :
(1.6 x 100) / 21 = 7.62 bars soit (7.62-1 = 6.62) 66.2 mètres
VII. La dissolution des gaz : La loi de Henry.
En plongée la température et la pression sont des facteurs favorisants la dissolution des gaz dans l’organisme du
plongeur. Pour un plongeur la température du corps est à 37°C. Dans des conditions normales de plongée, on considère
cette température comme constante pendant toute la plongée. Attention au froid !!!
A la pression atmosphérique, les liquides (plongeurs) sont saturés par les différents gaz. Dessin N° 1.
Au cours de la plongée, la pression absolue augmente et le liquide va se sursaturer la pression partielle aura donc une
nouvelle valeur (dessins N° 2, 3, 4, et 5). A la remontée, la pression diminuant, les tissus seront sursaturés en gaz. Il
devra donc s’éliminer pour atteindre sa valeur d’équilibre à la pression considérée, c’est à dire à la surface de l’eau, la
pression atmosphérique (dessins N° 6 et 7). En fait si l’on fait cette expérience avec des instruments de laboratoire
permettant des mesures précises, on voit que la quantité de gaz dissout à saturation dans un liquide est Q pour une
pression P, cette quantité de gaz dissout sera 2Q pour une pression 2P , 3Q pour une pression 3P etc.…
C’est la loi de Henry : A température donnée, la quantité de gaz dissout à saturation dans un liquide est proportionnelle
à la pression du gaz au dessus de ce liquide.
Cette loi très importante pour le plongeur est à l’origine des accidents de décompression.
A la pression atmosphérique, le sang et tous les tissus sont saturés en azote (0.80 bar).Mais Le plongeur respire de l’air à
une pression supérieure à la pression atmosphérique. Le sang et les tissus absorbent donc plus d’azote (car PPN2
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augmente ) et ce jusqu'à une nouvelle saturation, proportionnelle à la profondeur atteinte. Puis quand le plongeur
remonte, la pression diminue. Ses tissus sont en état de sursaturation et l’azote en excèdent reprend sa forme gazeuse. Si
le plongeur remonte suffisamment lentement, cet azote peut être éliminé à chaque expiration. Par contre si ce dernier
remonte trop vite, l’azote ne peut s’échapper totalement par les poumons. Des bulles d’azote se forment dans le sang et
les tissus. Et comme la pression diminue, le volume de ces bulles augmente, provoquant ainsi des accidents graves,
pouvant même être mortels. La saturation ne se fait pas immédiatement. Un liquide est saturé par un gaz d’autant plus
rapidement que la surface de contact entre le liquide et le gaz est grande, et que l’agitation du liquide est forte.
Réciproquement, le gaz dissout ne reprend pas en totalité sa forme gazeuse dés que la pression diminue. Ce temps est le
même que celui qui a été nécessaire à la saturation. C’est pourquoi les paliers que le plongeur doit respecter en
remontant sont fonction non seulement de la profondeur, mais aussi du temps qu’il a passé à cette profondeur. Les
paliers sont des arrêts obligatoires qui permettent au plongeur d’éliminer l’azote qui est dissout dans ses tissus pendant
la plongée.
1
3
5
7
Surface
à 10 mètres
à 40 mètres
Surface
P = 1 bar
P= 2 bars
P= 5 bars
P = 1 bar
P= 1 bar
P= 2 bars
P= 5 bars
P= 1 bar
PPO2=1,05bar
PPN2=3,95bar
PPO2=0,21bar
PPN2=0,79bar
Gaz
Liquide
PPO2=0,21bar
PPN2=0,79bar
PPO2=0,42bar
PPN2=1,58bar
2
4
6
Liquide : Dans l’organisme, le liquide est représenté par les tissus (sang, muscles, graisses etc.…)
Gaz : Dans l’organisme, le gaz est l’air respiré par le plongeur.
VIII. La température.
Température de l’eau < température du corps ( ceci pour toutes les eaux Européennes )
La température superficielle du corps est de 30 °C.
Neutralité thermique : 34°C dans l’eau et 25°C dans l’air
L’homme se refroidit plus vite dans l’eau que dans l’air car la conductibilité de l’eau est supérieure à celle de
l’air.
IX. L’optique .
La luminosité diminue avec la profondeur. La lumière naturelle est constituée d’un spectre lumineux de 7
couleurs : violet, indigo, bleu, vert, jaune, orange et rouge.
Le rouge est la première couleur a disparaître : vers 10 mètres. Seul le bleu et le vert subsistent au delà de 30
mètres. A 40 m le corail est gris noir. Ce dernier reprend sa couleur rouge si il est éclairé par la lampe d’un
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plongeur. La vision dans l’eau dépend : De la quantité de lumière (soleil, nuages), de la profondeur, de la
transparence de l’eau (particules en suspension).
A l’œil nu, la vision dans l’eau est floue, les indices de réfraction de l’eau de mer et des tissus de l’œil par
rapport à l’air sont voisins, donc la convergence diminue et l’image se forme en arrière de la rétine, comme
pour un hypermétrope. C’est pourquoi le plongeur utilise un masque qui isole l’œil de l’eau.
Mais si ce masque permet une vision nette, il présente trois inconvénients : le champ de vision diminue, le
diamètre apparent des objets augmente de 1/3, les objets sembles plus proches (la distance apparente est égale
aux ¾ de la distance réelle).
X. L’acoustique .
Vitesse du son : 1500 m/s dans l’eau et 330 m/s dans l’air
Rappels
MESURES METRIQUES
1 mètre = 10 décimètre = 1000 cm
MESURES DE SURFACES
Un carré de 10 cm de coté a une surface de 10 cm x 10 cm = 100 cm2 soit 1 dm2 = 0.1 m2
Un carré de 1 m de coté a une surface de 1 m x 1 m = 1 m2 soit 10 dm2
MESURES VOLUMIQUES
un cube de 10 cm de coté et 10 cm de haut à un volume de 1 litre ou 1dm3
soit 10 cm x 10 cm x 10 cm = 1000 cm 3 = 1 dm3 = 1 litre = 10 décilitres
MESURES DE PRESSION
1 Bar = 760 mm Hg (mercure)
LES POUCENTAGES
Si 5 % de la population fait de la plongée sous marine, cela veut dire que sur un échantillon de 100 personnes
5 pratique la plongée sous marine et 95 ne pratique pas ce sport.
REGLE DE TROIS OU PROPORTION
Un exercice donne toujours une information importante et nécessaire à la résolution de sa question.
Exemple : la Livry compte 34000 habitants dont 5 % pratique la plongée sous marine. Combien de personnes
pratique la plongée à Livry ?
Les affirmations :
5
La question :
(?) combien de personnes plonges à Livry si 34000 habitants
La réponse :
personnes
sur
100 habitants de Livry plonges
(5 x 34000) / 100 = 1700 personnes plonges à Livry
D’ou : 5 x 34000 = 100 x (?)
Donc 5 x 34000 = ( ?) = 1700
100
Si A x B = C x D
Donc A = C x D
B
A
Si
----------
ou
B=CxD
A
ou
C = A x B ou
D
D=AxB
C
B=AxD
C
ou
C = A x D ou
B
D=BxC
A
C
=
-----------
B
D
donc A = B x C
ou
D
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