Département de Seine et Marne Session Nord 2011-20112Samuel Viollin MF1Thierry Paire MF1

PRÉPARATION DU NIVEAU 4ÉLÉMENTS DE PHYSIQUE APPLIQUÉS À LA PLONGÉEOPTIQUE , ACOUSTIQUE , TRANSMISSION DE CHALEUR

• Introduction : Pourquoi étudier les aspects physiques liés à notre

milieu de plongeur ? Certainement pas pour faire de nous des physiciens théoriques !

• Il s'agit de comprendre comment nos perceptions et notre métabolisme se trouvent modifiés.

• Votre rôle à venir de guide de palanquée implique une bonne appréhension du milieu aquatique afin d’adapter votre comportement et les décisions prises en plongée .

• LA VISION

La vision subaquatique est différente de la vision aérienne : on voit les objets plus gros et plus proches. Le champ de vision est rétréci, il fait plus sombre, les couleurs disparaissent.1) La vision aquatique est perturbée par la position horizontale du plongeurLa vision terrestre est basée sur une position verticale et la perception globale de l’environnement est facilitée par l’articulation de la tête. En plongée la position horizontale liée au déplacement favorise une vision vers le bas ou latérale. Toute vision vers le haut ou vers l’arrière nécessite un retournement.

Éléments d'optique:2) Phénomène de réfractionDans un milieu homogène, la lumière se propage en ligne droite à une vitesse qui dépend du milieu . Pour caractériser cette qualité, on compare la vitesse "c" de la lumière dans le vide à celle observée dans ce milieu " V ". Le rapport de ces deux vitesses est appelé " indice du milieu" ou indice de réfraction. On lui attribue la lettre " n " : c: 300 000km/s (v lumière dans l’air) V : 225 000km/s (v lumière dans l’eau)

d’où neau indice de réfraction dans l’eau : 300 000 / 225 000 = 1,33Pour l'air nair=1 , pour l'eau neau=1,33

pour le verre nverre= 1,52

nair =1

neau=1,33

rayon incident

rayon réfracté

angle a

angle e

a

e

l’angle a du rayon dans l’air est lié à l’angle e du rayon dans l’eau par la relation

nair sin a = neausin e

e

a

Lorsque un rayon lumineux change de milieu, la modification de sa vitesse provoque une modification de sa direction comme l'indiquent les dessins ci dessous . Ce phénomène s’appelle la réfraction

Perception de la taille du poisson vue par le plongeur

taille réelle du poisson

ae

distance réelle

distance perçueLes rayons qui permettent de visualiser un objet dans l’eau, passent de l’eau à l’air et sont réfractés. La distance et la taille apparente de l’objet sont modifiées.

conséquences pour le plongeur : (l’épaisseur du verre du masque est négligeable ainsi que la distance entre l’œil et la vitre par rapport à la distance de l’objet) nair a = neau e donne 1 a = 1,33 e et donc angle a > angle e

La distance apparente et la grosseur auquelles sont vues les objets est modifiée :

• Un objet vu à travers le masque paraît plus près à une distance

fictive au 3/4 de la distance réelle. Ça rapproche.(Soit la distance réelle divisée par 1,33)

• Un objet plan et parallèle au verre du masque apparaît 4/3 plus

gros ( soit taille réelle X par 1,33) . Ça grossit. • Le champs de vision est rétréci par la combinaison d’un effet d’

œillères et de la réfraction.

• Conclusion : Un guide de palanquée ne doit pas se fier à sa vue pour évaluer la distance qui le sépare d’un plongeur de sa palanquée . Il faut avoir cela à l’esprit pour conserver une distance de sécurité compatible avec une intervention rapide .Il ne faut pas se fier à ses sens pour évaluer la distance qui nous sépare du fond. Souvenez vous que vos prérogatives ne vous permettent pas de d’encadrer au delà de 40 m. Une incursion en exploration sous les 40 mètres coûte cher en temps de décompression et peut engager la sécurité d’une palanquée .Bien choisir son masque ( surface vitrée importante, verres correcteurs ..) apportera plus de confort et de plaisir de découverte du milieu lors de la plongée.Ne remonter rien en surface. Une branche de corail , un coquillage dans l’eau peuvent se montrer très beaux dans l’eau et décevants à la sortie, du fait de leur petite taille. Laisser les au fond, ils y sont tellement mieux !!!!

• Exercices• Lors de votre plongée vous voyez un mérou qui vous semble

faire un bon mètre de long. N’étant pas Marseillais quelle longueur annoncez vous à votre retour sur le bateau ?

• Pour la préparation d’un examen on vous demande d’installer sur le fond 2 lests reliés chacun à une bouée par un bout à 10 m d’intervalle. Vous n’avez pas de mètre comment devez vous estimer visuellement la distance?

• Comment pouvez vous contrôler moins empiriquement la distance réelle ?

• Dans une épave vous voulez vous engager par une ouverture proche qui vous semble visuellement juste à votre taille. Est-ce une bonne idée ?

• Corrigés

• La taille réelle du mérou est de 1m / 1,33 = 75 cm.

• Il faut estimer une distance supérieure à 10 m soit : 10 X 1,33 = 13 m env.

• Il est plus fiable de se servir de la longueur de son corps (ou de l’envergure des bras étendus = longueur du corps) et de reporter environ 5 fois cette longueur sur le fond par déplacements successifs en corrigeant en plus ou en moins selon votre hauteur réelle / 2 m pour obtenir 10 m.

• Votre vision vous fait apparaitre l’ouverture plus large que la réalité. Ne pas tenter la traversée.

3 ) phénomène de diffusion :

Le faisceau d’une lampe sur un nuage de particules en suspension dans l’eau (par exemple plancton) est comparable au peu d’efficacité des phares de voiture dans le brouillard.La lumière est à la fois réfléchie et réfractée sur les particules. Il se produit un halo de lumière empêchant toute vision lointaine.

Conclusion : Un guide de palanquée ne comptera pas sur ses moyens d’éclairage en cas d’eau trouble et raccourcira les distances inter plongeurs. De plus il veillera à ce que des particules en suspension ne soit produites par un palmage inadéquat sur fond vaseux et ce plus particulièrement dans une grotte ou une épave. Dans ce cas il peut être nécessaire d’éteindre les lampes pour retrouver la sortie en repérant la lumière du jour.

4 ) phénomène de réflexion :

La lumière se propage en ligne droite selon un chemin que l’on désigne par un rayon lumineux . Lorsque les rayons lumineux frappent une surface , une partie de l’intensité lumineuse de ces rayons se trouve réfléchie tandis que l’autre partie franchit la surface.Le rayon lumineux renvoyé est dit rayon réfléchi.Le rayon lumineux qui franchit la surface est dit réfracté.

rayon incident

rayon réfracté

angle a

angle e

a

e

rayon réfléchi r

Les règles établies pour les lois de la réfraction sont simultanément vraies avec celles de la réflexion.

L’angle « r » du rayon lumineux incident par rapport à la direction perpendiculaire à la surface est égale à l’angle du rayon réfléchi «a » .

• Conséquences : La limite de réfraction est atteinte lorsque l’angle fait par le rayon réfracté est de 90 ° . Cela se produit quand le rayon incident frappe la surface avec un angle de e = 48,75°

rayon incident

rayon réfracté

angle e

angle a a

e

rayon réfléchi

rangle e = r

C’est aussi le cas si la source de lumière est dans l’eau . Les angles formés par les rayons incidents et réfléchis, par rapport à la verticale, sont égaux .

angle e

angle a a= 90° e= 48,75°

e

rangle e = r

L’angle d’incidence est à sa valeur limite pour produire un angle réfracté. Le plongeur et le faisceau de sa lampe sont difficilement vus en surface

• De nuit, la visibilité des plongeurs est meilleure à la verticale du bateau . Il ne faut pas penser que l’on est plus visible au plus près de la surface, c’est le contraire et même avec une lampe proche du bateau.

• C’est pourquoi il est le plus souvent préférable de réaliser la plongée au fond puis de remonter au mouillage sous le bateau .

Samuel

a< 90° e < 48,75°

e

Bruno

Bruno produit un rayon incident avec un angle permettant une réfraction . Il sera vu du bateau.

Ce n’est pas le cas de Samuel qui ne sera pas vu du bateau alors qu’il est moins profond .

On perd rapidement de vue un plongeur. De jour, le chapelet de bulles est bien pratique.

• 5) L’absorption :Les couleurs

10m

20m

30m

40m

50m

60m

La lumière du soleil est composée d’une infinité de nuances que l’on peut voir dans l’arc en ciel . C’est d’ailleurs grâce au phénomène de réfraction que ces couleurs sont visibles dans l’arc en ciel . On les regroupe en couleurs : rouge, orange, jaune, vert, bleu, violet.Chacune de ces couleurs pénètre dans l’eau en s’affaiblissant au fur et à mesure que la couche d’eau s’épaissit : c’est l’absorption. La profondeur de pénétration des différentes couleurs est indiquée ci contreL’absorption dépend de la couleur. Le rouge est le plus absorbé . Le bleu est le moins absorbé .

La luminosité

L’intensité lumineuse des rayons solaires est absorbée dans l’eau selon la table suivante :

0 m : 100 % de luminosité1 m : 40 %

10 m : 14 % 20 m : 7 % 40 m : 2 %

500 m obscurité totale

L’œil peut s’adapter à de grandes variations de luminosité et à 40m celle ci est encore suffisante.

• Conclusion : • Le positionnement « à vue » des membres de la palanquée doit tenir compte des

contraintes physiologiques de la position horizontale du plongeur.• La couleur rouge disparaît très vite en plongée. La dégradation de la richesse des

couleurs contribue à renseigner le plongeur sur la profondeur de la zone dans laquelle il évolue . La différence de perception entre la zone des 20 mètres, (profondeur d’évolution des N1 encadrés) et la zone des 40 mètres (profondeur d’évolution des N2 encadrés) est sensible. Cela ne peut évidemment pas remplacer les instruments !

• L’ assombrissement et la perte des couleurs nécessitent un moyen d’éclairage suffisant pour une pleine jouissance de sa plongée et pour une meilleure sécurité.

• La photographie subaquatique sans matériel performant et sans formation particulière donne des résultats décevants et ne peut en aucun cas avoir une profondeur de champs importante.

• Nous avons souvent vu des plongeurs débutants se tromper de palanquée en la confondant avec une autre sous l’eau, du fait de la perte de repères colorés pour reconnaître ses amis.

• En tant que guide de palanquée, il est maladroit de repérer ses plongeurs à partir d’indication de couleurs et en particulier le rouge ! Ces indications seront affaiblies voire inutilisables dans la zone des quarante mètres. Il est préférable de prendre des repères de formes , taille de palmes, forme du masque, plongeur équipé d’un bi etc …

• 6 ) Matériel d’aide à la vision • Masque adapté• Lampe : Peu puissant, généralement insuffisant,

à considérer plus comme élément de sécurité.• Phare : (halogène interdit en avion ) Nouvelle

génération à LED . Puissant et autonome.• Flasheurs, cyalum : Eléments de signalisation et

de sécurité

LES ECHANGES THERMIQUES

Le refroidissement du corps peut être cause d’accidents ou être un facteur déceptif au cours de la plongée.

Éléments de thermique :

• La chaleur n’est pas une substance qui s’ajouterait à un corps. C’est un

état de la matière qui est composée de grains élémentaires : les atomes.

• Les atomes ne sont pas figés, ils s’agitent autour d’une position moyenne. C’est l’amplitude de cette agitation qui fixe la chaleur d’un corps.

• Cette agitation correspond à un état énergétique de la matière.• La chaleur se transmet d’un corps à l’autre selon plusieurs modes qui

sont :le rayonnement, la conduction et la convection.

• 1) Le rayonnement : La chaleur est transmise par les ondes lumineuses de type infra-rouge et obéissent aux lois de l’optique . Nous sommes réchauffés par les rayons du soleil et nous même perdons de l’énergie par rayonnement.

rayons infra-rouge incident et réfléchis

gla-gla !!!

Les ondes infra-rouges ne pénètrent pratiquement pas notre milieu aquatique où elles sont très absorbées. C’est pourquoi il ne faut pas compter sur la chaleur des rayons solaires dans l’eau . La combinaison est indispensable.

Il faut attendre d’être sur le bateau pour se réchauffer

• Sur le bateau, en cas d’ensoleillement important la casquette est une bonne protection. Mais elle ne protège pas des rayons réfléchis par la surface de la mer. Les peaux sensibles doivent se protéger. Surtout en cas d’exposition prolongée à surveiller la surface en attente de la remontée de ses amis .

• Le guide de palanquée doit conseiller aux débutants une protection efficace.

• Température centrale du corps : 37°C Température cutanée : 33 à 34° C

• L’équilibre thermique est assuré pour un homme nu : dans de l’air à 25°C ,

• dans de l’eau à 33 – 34 °C

Couverture réfléchissant les infra-rouges

En cas d’hypothermie on utilise une couverture recouverte d’un matériaux réfléchissant les infra-rouges.

Elle bloque ainsi le refroidissement du plongeur par rayonnement. Ce type de couverture est très efficace

2) La conduction

La chaleur est un état d’agitation de la matière. Lorsque un corps chaud touche un corps froid, l’agitation du corps chaud gagne le corps froid par simple contact. Ce faisant, il y a un amortissement des mouvements thermiques dans le corps chaud dont la température diminue.

L’échange de chaleur dépend de la surface de contact et de la nature des corps.Certains acceptent facilement le changement d’état thermique. Ce sont des conducteurs

thermiques. D’autre acceptent difficilement le changement d’état thermique, ce sont les isolants thermiques.

Cette qualité est quantifiée par la conductivité thermique en W/m².C°L’eau est un bon conducteur thermique avec 0,624 W/m².C° .L ‘air est un bon isolant thermique avec 0.024 W/m².C° (26 fois moins que l’eau)

séparé en contact

Corps chaud Corps froid La chaleur se propage

Le corps chaud se refroidit

Le corps froid se réchauffe

La conduction : Conséquences

Notre métabolisme maintient la température du corps à une valeur constante. La surface de contact entre l’eau et la peau est grande. Les pertes de chaleurs sont compensées par une consommation d ‘énergie néfaste au plongeur. Pour limiter ces échanges, on place entre l’eau et le corps un isolant thermique. C’est la combinaison.Le néoprène et l’air sont de bons isolants thermiquesLe principe des combinaisons mouillées est de bloquer le film d’eau entre la peau et le néoprène. Le principe des combinaisons étanches ou semi-étanches est d’intercaler une couche d’air. Cela permet de porter un vêtement lui même isolant. L’ensemble est très efficace.

peau du

plongeur

eau

peau du

plongeur

eau

peau du

plongeur

eau

couche d’eau emprisonnéeCombinaison mouillée

La combinaison compressée par la pression est moins efficace

Combinaison étanche ou semi étanche

couche d’air emprisonnée

vêtement

3) La convection : La chaleur accroît l’état d’agitation de la matière qui à tendance à se dilater.

La même masse occupe un volume plus grand. La densité diminue.Dans les gaz et les liquides, les fluides chauds plus légers subissent la

pression d’Archimède exercée par les fluides plus froids donc plus lourds.Il se produit des courants de convections. Les fluides chauds montent alors

que les fluides froids descendent.• Conséquences : Si la combinaison mouillée

est trop large, elle favorise le refroidissement . L’eau réchauffée par conduction au contact du corps est évacuée par le haut et remplacée par de l’eau froide selon un effet de convection. Cet effet est favorisé par les mouvements du plongeur.

• Le guide de palanquée doit conseiller aux débutants une combinaison bien ajustée .

Un plongeur qui se refroidit à tendance à se désintéresser de la plongée et à se redresser C’est défavorable car la position verticale favorise la convection alors que la position horizontale la limite sur la face inférieure.

Le guide de palanquée doit rechercher l’intérêt de ses plongeurs.

Il vaut mieux réaliser un palier en position horizontale si on a froid .

Refroidissement majoré Refroidissement minoré

4) Echanges thermiques par l’air respiré Bien que l’air ait un pouvoir calo porteur moindre que celui de l’eau le fait de respirer de l’air détendu occasionne une déperdition calorique interne.Le phénomène s’accroît avec la profondeur et de plus peut entraîner un givrage du détendeur en eau froide.

5 ) Matériel de protection contre le froid

On peut distinguer 3 types de vêtements adaptés à la plongée :

– Protection légère type shorty ou gilet d’environ 2.5 mm pour eau

chaude ou piscine.– Combinaison humide de 4 à 7 mm pour eau tempérée– Combinaison sèche pour eau froide, nécessitant un apprentissage

particulier.

Détendeur spécial anti-givre.

Patch chauffantsCouverture de survie.

ACOUSTIQUE Sommes nous dans le monde du silence ?Bien que l’on enseigne aux plongeurs un moyen de communication gestuel les sons sont audibles sous l’eau : bruit de moteur du bateau, cris dans l’embout, crissement de la langouste, cliquettement du dauphin, chant des baleines, impact des vagues, roulement des galets….. Éléments d’acoustique : Le son produit une variation de pression dans un milieu . Une variation de fréquence élevée donne des sons aiguës.Une variation de fréquence basse donne les sons graves.Sa propagation et l’ absorbtion dépend de la nature de ce milieu et de la fréquence du son.Les sons aigües sont très absorbés, les sont graves sont peu absorbés.Dans l’air la propagation est lente, de l’ordre de 330m/s alors que dans l’eau la propagation est rapide 1500m/s.

Conséquences : Analyse d’un bruit dans l’eau : la perception des bruits de bateau dépend de la distance entre le bateau et le plongeur.

La manière dont évolue le niveau sonore nous renseigne sur l’éloignement ou le rapprochement du danger. Sous l’eau le son est perçu à la fois par les oreilles et par la boites crânienne.Cette dernière ne peut indiquer la direction de la source sonore, les os de la boite crânienne se comportant comme une sorte de récepteur multidirectionnel.On ne peut pas non plus compter sur les oreilles pour localiser cette source sonore :

Samuel perçoit fortement les sons graves et aiguës. Le bateau est proche VIGILANCE

Bruno ne perçoit que les sons très graves et atténués. Le bateau est loin

Difficulté de localisation : nos oreilles ne perçoivent pas en même temps l’onde sonore . Il existe un décalage d’environ 1/2000 ème de seconde dans l’air. Cela suffit pour que notre cerveau parvienne à localiser la source sonore.Dans l’eau, du fait de la vitesse de propagation, ce temps est ramené à 1/9000ème de seconde. Notre cerveau ne parvient plus à localiser la source.

L’ouie ne peut servir à localiser un danger . Sans repères visuels, il faut dans tous les cas remonter à la surface après avoir effectué une rotation de 360°. Un voilier ne génère aucun son audible par le plongeur.

?

La propagation des sons graves dans l’eau trouve des applications.

Le pétard de rappel : Le directeur de plonger peut prendre la décision d’envoyer un pétard de rappel . Le son produit est grave, puissant et diffus. L’explosion est perçue par toutes les palanquées qui doivent alors immédiatement remonter . En cas de bruit anormalement fort et grave, le guide de palanquée doit interrompre sa plongée en respectant les règles de gestion de la décompression .

Le sondeur : Une application des infra-sons non perçus par l’homme est le sondeur pour mesurer la profondeur.

Le sondeur émet un train d’ondes sonores bref. Un capteur écoute la réponse du fond. L’écart de temps entre l’émission et la réception permet de calculer la profondeur.

émission

écho

Matériels de communication acoustique : – Pétard de rappel. ( à ne pas jeter sur les bulles)– Sifflet du stab (utilisation en surface)– Avertisseur sonore relié au direct-system– Shaker (grelot sous marin)– Moyens improvisés : choc sur bouteille avec le couteau etc…

Cas particuliers La perception de bruits incongrus sous l’eau peut avoir pour origine une hallucination auditive générée par une narcose. Les explosions propagent une onde de pression fortement dommageable pour le système auditif et les organes creux du plongeur.

Exercice a) A la surface, la personne restée en sécurité sur le bateau, voit une explosion en mer se produire à distance et entend la détonation environ 30 secondes plus tard. A quelle distance se trouve le lieu de l’explosion ? b) Cela vaut il la peine d’envoyer un pétard de rappel pour signaler le danger d’une onde de choc subaquatique ?

c) Quand les plongeurs percevront ils le bruit de l’explosion ?

Réponses

a) 30 sec x 330 m/sec (vitesse du son dans l’air) = 9900 m donc environ 10Km

b) Non, les plongeurs auront perçu le son largement avant que le directeur de plongée ait eu le temps de lancer son pétard car :

c) L’explosion étant à 9 900 m / 1500 m/sec (vitesse du son dans l’eau) = 6,6 sec : temps de perception de l’explosion par les plongeurs. Nota : On considèrera que la vision de l’explosion est instantanée pour a).L’exercice ne préjuge pas de la nécessité de lancer quand même un pétard de rappel pour faire remonter les palanquées.