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La physique
Les bases théoriques pour bien comprendre la plongée
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 2
Ne jamais croire mais seulement comprendre
Je n’ai jamais vu un texte de physique (de tout niveau !) sans aucun faute !
Il faut donc oublier toute notion de ‘livre de référence’ ou de ‘texte d’expert’
Trouver l’erreur c’est comprendre !
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 3
La masse et le poids
Un objet a Une masse: F = m * g
Une propriété de la matière qui est l’origine de l’inertie (se mesure en kilos)
Un poids: la force d’attraction de la terre (se mesure en Nw)
Aussi un poids apparent
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 4
Quelle est la différence?
2 phénomènes – 2 formules – 2 moyens de mesure
On mesure des Forces … donc exprimes en Newton (9.8Nw = 1 ‘Kgf’) (g =9.8 !)
(Kgf = kilogramme-force pour simplicité: kilogramme!)
Ex: un objet, un objet immergé avec un ballon d’air, un bateau
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 5
La DTH
Appliquons ces principes a l’exercice de la DTH
Stabilisation avant de partir: A. plongeur lourd + air dans la stab B. plongeur leger sans air dans la stab
CONCLUSION ?
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 6
La pression
C’est quoi?
Une force sur une surface
Merci mais quelle force ?????
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 7
Pression hydrostatique
La force est le poids de la colonne d’eau entre un objet et la surface
La même définition pour la pression atmosphérique
Mais la pression dans une bouteille de plongée?
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Exemple pour le tableau.
Dans un fond de -20m on ferme un profondimètre dans une boite hermétique et solide mais aussi transparente
.
1. Quelle est la pression dans la boite?
2. Quel profondeur montra-t-il?
3. Si on remonte la boite en surface quel profondeur montra-t-il?
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La DTH (bis) Faut-il créer des bulles d’après le « les bulles
nous tirent vers le haut » ?
A. un milieu a densité 0.9 B. une colonne a densité 0.9
(tableau….)
(Demo: verre d’eau + corps immergé en équilibre + injection des bulles par le bas)
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 10
Attn : L’air en mouvement !
Page précédente : air ‘statique’
En réalité l’air monte vers la surface : Dynamique des fluides
La bulle cèdera une partie de son impulsion au corps solide ! Et elle le fera remonter !! (le courant d’eau crée par les bulles participera également a cette remonté)
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Archimede
L’explication … au tableau
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Un bateau dans une piscine !
Vous vous trouvez dans un (petit) bateau au milieu d’une (grande) piscine. Vous avez avec vous une pierre lourde.
Vous jetez la pierre dans l’eau … et elle coule immédiatement au fond!
Comment évolue le niveau d’eau de la piscine ?
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 13
…. Archimède …………….
La pierre dans le bateau: Le bateau flotte (!) => Poids = force(Archimède)
=> Vol. x dens. = Vol. d’eau x 1
=> volume d’eau déplacé: volume de la pierre x sa densité
La pierre au fond: elle déplace un volume d’eau égal à son volume
SI densité > 1 : le niveau baisse !
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 14
La pression des gaz
Les molécules du gaz sont en libre mouvement et frappent les parois de la bouteille avec une certaine force….
PV=nRT !!!!!!!
Le modèle des gaz idéaux (!?): P1V1=P2V2 ~ la quantité de gaz (nombre des
molécules!) reste invariable
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La température
En physique il y a seulement une unité de température:
Le degré Kelvin !!!!
X Celsius + 273 = Y Kelvin
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 16
La quantité de gaz
PV = nRT , n = le nombre de molécules!
=> PV ~ quantité de gaz !
On peut donc définir une nouvelle unité pour cette quantité: Le litre*bar
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La conservation de la masse
On ne peut ni produire ni détruire de la masse (des molécules)
La quantité de gaz reste alors invariable (même si on change la pression, la température ou le volume !)
Les quantités de gaz peuvent alors être additionnées ou soustraites
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 18
12lt a 4b ont 48lt.b de gaz !
Une bouteille de 12 lt a 4bar de pression contient l’équivalent de 48lt.bar de gaz
(C’est le calcul habituel quand ‘on ramène le contenu d’une bouteille a la pression de 1 bar’)
Tous les problèmes sont faciles si on travaille avec les quantités de gaz…….
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 19
Une molécule de gaz ne voie jamais les autres
Ex. Lois de Dalton
(citez-le svp!)
Les limites de cette théorie se trouvent au delà de 300-400b pour des gaz standard en température ambiante. Au delà il faut prendre en compte les interactions entre molécules:
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Lois de Van-der-Waals
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
pression
Mo
les
Gaz Reel (VanderWaals)
Gaz parfait
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Le neoprene (!!!)
Le néoprène n’est pas un gaz idéal !
P1*V1 = z*P2*V2
(si ‘1’ en surface et ‘2’ @-30m, z~0.5)
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 22
La combi en néoprène
Un homme ~ 1.8 m2 7mm de néoprène Volume de la combi =1.8 *0.007 = 0.0126 m3
= 12.6lt @30m (12.6/4=3.15, 12.6-3.15=9.45 lt de flot. Neg) En réalité ~ 12.6*1=0.5*4*V2 … V2=6.3
12.6-6.3 = 6.3 de flot. Neg)
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Aussi une bulle n’est pas un gaz idéal
On ne peut pas en réalité appliquer PV=const. a une bulle dans un corps (surtout humain !) : Elle n’est pas aussi compressible a cause de la résistance des parois (tension de surface).
Le modèle RGBM prends en considération cet élément.
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La pression partielle
Une exercice d’un livre ‘standard’ pour faire un mélange nitrox
Ou est le problème?
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 25
Un livre standard !
Une bouteille d’air de 12lt a 140b se mets en equilibre avec une bouteille O2 de 12lt a 200b. Calculer le melange dans la bouteille d’air:
(12*140+12*200)/24 = 170 De 140 a 170 il manque 30b. 30*12=360 lt.b d’O2
sont donc rajoutes. => O2 total 360+12*140*0.2=696 % O2 = 696/(12*170) = 34.12 %
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 26
…Dalton
Chaque gaz doit etre traite comme si il occupait seul tout le volume disponible
… Nitrox 67/33 !
(faites le calcul)
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Les limites du PV=nRT
Description d’un (mélange de) gaz en
EQUILIBRE
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Et pour y arriver?
Diffusion de gaz d’un compartiment a l’autre
Lois de Fick :La vitesse de diffusion est proportionnelle a la
différence de pression et la surface de l’interface mais inversement proportionnelle au longueur de cet interface
Formule et Exemple….
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 29
Un mélange Nitrox
Dp pour l’O2 ~ 190b Dp pour l’N2 ~ 40b
(O2@200b et air@50b)
Donc l’Oxygène de diffuse 5 fois plus vite!
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La diffusion des différents gaz
Lois de Graham:
v1/v2 = sqrt(m2/m1)
v = vitesse de diffusion
m = mass atomique….
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He vs N2
He m=2 N2 m=28
Le quel se diffuse plus vite? Et donc si on respire le quel il faut faire plus
de paliers….?
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Les autres pressions
Pression relative
(par rapport a quoi?, la pression en surface)
Pression absolue
(la pression totale sur un objet)
Pression lue manomètre ! (Pabs-1=Prel au niveau de la mer!)
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 33
Et pour les calculs
Les lois physiques s’en servent de la Pabs .
Dans les cas d’équilibrage des bouteilles on peut s’en servir de la Prel (voir tableau):
(P1+1)V1 + (P2+1)V2 = (P3+1)V3
V1+V2=V3
=> P1V1 +P2V2 = P3V3
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Air disponible
N’oubliez pas que au fond pas tout l’air contenu dans la bouteille n’est disponible:
Si la pression dans la bouteille est < Pabs on ne peut plus respirer!
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La pression dans un détendeur
N’oublier pas la moyenne pression
(=10b + Pamb)
Clapet amont vs clapet aval !!
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Le problème xxxx
Dans un lac de montagne au-dessus duquel la pression atmosphérique est 608mmHg on effectue une plongée une bouteille gonflée a 165 bars.
Quelle est la pression lue au manomètre a la profondeur de 42 mètres? !
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La composition de l’air
La réalité: Azote 78.03% Oxygène 20.95% Argon 0.93% (propriétés similaires a l’Azote vis-à-vis sa
dissolution dans l’eau et l’huile)
Approximation #1 Azote 79%, Oxygène 21%
Approximation #2 Azote 80%, Oxygène 20%
CO2 0.03%
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Lois d’Henry
« A température donnée, la quantité de gaz dissous a saturation dans un liquide est proportionnelle a la pression du gaz au-dessus de ce liquide »
Ou Pourquoi être obese en plongée !
C’est FAUX !!!!!!!
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 39
Lois d’Henry (bis)
« A température donnée,
la CONCENTRATION de gaz dissous a saturation dans un liquide est proportionnelle a la pression du gaz au-dessus de ce liquide »
Q/V = a*P => Q/a = PV
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 40
La tension d’un gaz
Q/a = Tension d’un gaz dans un liquide
définition conventionnelle, commode pour pouvoir dire que:En équilibre T = P
La tension en soi n’est pas observable…. (mais seulement la concentration des
molécules du gaz dans le liquide)
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 41
Coefficient de saturation et formation des bulles
Cs = T_p(N2)/P_p(N2) Cs < 1 => sous-saturation Cs = 1 => saturation Cs > 1 => sursaturation
Formation des bulles: sursaturation critique si
T_p(N2)/Pabs > Sc d’un compartiment….
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 42
La décompression selon Haldane
Compromis entre
Diminution au max de la P_p(N2) pour accélérer la desaturation Tf = T0+(Tf-T0)(1-0.5**(t/T))
Diminution au min de la Pabs pour ne pas favoriser la formation des bulles.
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 43
Le calcul de decompression MN90 MN90 5, 7, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 120 (Tn = Tn-1 * sqrt(2)) Périodes et courbe ‘hors accidents’ => Sc (pour chaque comp. Calculer la PpN2 pour chaque point
sur la curbe; Sc=max(Pp))… voir tableau…
Les compartiments ‘courts’ ont un Sc plus élevé, les gaz sont moins solubles dans celles-ci (donc ils se saturent vite avec peu de molécules de gaz ….)
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 44
RGBM
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 45
L’optique
La forme d’un objet vu dans l’eau a travers un masque…..
(ex. pour le tableau !)
Démo: un poisson dans un aquarium carré …
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Un laser à travers un verre d’eau
Que attendez vous voir? Démonstration
Vue de coté : Réfraction (lois de snell)
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 47
Une paille dans un verre d’eau
Que attendez vous voir? Démonstration
(Phys. Ed. 3/2006, p 103-104): Vue de coté : une ligne droite !
la lumière transverse l’interface eau-air +- à la perpendiculaire (face avant du verre carre)
Vue de haut : paille déformé vers la surface de l’eau
réfraction de la lumière de la paille immergé !
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 48
Et le laser ?
Vu du haut:
Une ligne droite !!!! Réfraction de la « ligne laser » = - Réfraction de la lumière depuis le laser vers
l’œil !
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 49
Les sons
Le son est une onde donc on a des phénomènes de propagation, diffraction et réflexion +- comme pour la lumière
La sonde ultra-sons : Formation d’echo a cause de la réflexion des sons sur le fond ou les objets immergées
L’effet doppler : Détection des ‘autres’ fréquences générées par des objets en mouvement
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 50
La perte d’énergie thermique en plongée
Conduction Convection Rayonnement
•Respiration d’air froid (25%)
•Evaporation d’eau dans les poumons (15%)
•Contact avec le milieu des parties très
irrigues (tête !) (40%)
Sotiris Vlachos IR RABA no 60 51
La Démonstration (!!!!!) Mise en évidence:On s’en sert d’une éprouvette graduée dans la quelle
coulisse un piston. On place un manomètre gradue en pression absolue . La température est maintenue constante. La pression augmente a mesure que le volume diminue. Le produit de la pression par l e volume reste lui constant.
Lois de Boyle-Mariotte: A température constante, le volume d’une masse
gazeuse est inversement proportionnel a la pression qu’elle subit. !!!!!!!!
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