CONTEXTE : La plongée, un sport dangereux !

Le nombre d’accidents de plongée admis dans les centres hyperbares français est d’environ 350 par an (avec une dizaine

de cas mortels), soit 1 accident pour 6 000 plongées. La majorité des accidents survient sur la côte méditerranéenne

principalement l’été, avec des pics en mai (reprise de la plongée, week-end prolongé, mauvaise météo…), en juillet-août

(pic de fréquence) et en septembre (fin de saison, fatigue, période de formation…).

Les accidents constatés sont pour la plupart la conséquence des surpressions

rencontrées en profondeur.

Pour le plongeur, il est donc essentiel de connaître la profondeur à laquelle il se

trouve et quelle est la pression qu’il subit. C’est le rôle du profondimètre, sorte de

montre portée par le plongeur indiquant la pression, la profondeur et la durée de la

plongée.

Problème : Comment fonctionne le profondimètre ?

Document 1 : les dangers de la plongée sous-marine :

La pression exercée sur un plongeur augmente avec la profondeur d’immersion.

Lors de plongée à grande profondeur,il faut être très vigilent :

- Aux risques liés à une surpression : une pression élevée des gaz dans le corps peut conduire à des œdèmes pulmonaires et des hématomes dans l’estomac.

- À une dépressurisation trop rapide lors de la remontée. A forte pression, les gaz se dissolvent bien dans le sang :

lors de la plongée, l’air contenu dans les poumons

(surtout le diazote) se dissout bien dans l’organisme et

passe dans le sang. Lors d’une remontée trop rapide,

comme la pression diminue, ce gaz forme des bulles dans

le sang provoquant des embolies et des lésions plus ou

moins grave (avec un risque de décès élevé).

Le plongeur évite l’embolie gazeuse en observant des

paliers de décompression lors de la remontée qui

permettent une adaptation progressive du corps humain

(voir dessin ci-contre).

Document 2 :la loi fondamentale de la statique des fluides

La loi de la statique des fluides permet de relier la variation de pression entre deux points A et B à la variation

d’altitude entre ces deux points :

PB − PA = ρ × g × (zA − zB )

Avec :

- P : la pression, exprimée en Pascal (Pa) - z : l’altitude, exprimée en mètre (m) - : la masse volumique, exprimée en kg/m3 - g = 9,81 Newton par kilogramme (N/kg)

Description d’un fluide au repos

Tp 15 La loi fondamentale de la statique des fluides

Mouvement et interaction Séquence 8

Exemple d’une plongée effectuée à 41 m de

profondeur avec la durée et la position des paliers

à respecter.

Profondimètre

A

B

z

zA

ZB

0

fluide

1) Les dangers de la plongée

Expérience 1 : effet d’un changement de pression sur le volume des gaz

Plaçons un ballon de baudruche faiblement gonflé dans une cloche à vide. Aspirons l’air dans la cloche.

Qu’observe-t-on ?

a) Compléter le dessin et expliquez le changement de volume observé pour le ballon de baudruche.

b) Dans le cas d’une plongée en eau profonde, le même phénomène s’observe-t-il plutôt lors de la descente ou lors de la remontée ?

La diminution de pression externe se fait lors de la remontée ; c'est

donc lors de cette phase que ce phénomène est observé.

c) Expliquer pourquoi les plongeurs doivent expirer de l’air très fréquemment comme sur l’image ci-contre.

Contrairement au ballon, le plongeur ne peut augmenter le volume de

ses poumons ; le seul moyen dont il dispose est de diminuer la quantité

d'air contenue dans ses poumons ; pour cela il doit l'évacuer en

l'expirant (présence de bulles) et équilibrer ainsi les pressions.

Expérience 2 : effet de la pression sur la solubilité des gaz .

Plaçons un verre contenant une boisson gazeuse dans une cloche à vide. Aspirons l’air de la cloche.

a) Qu’observe-t-on ? Compléter le dessin et interpréter le phénomène.

Les forces des 2 schémas ne sont pas

représentées avec la même échelle.

Dans le verre de départ la pression du

gaz dissous dans l'eau est égale à la

pression de l'air.

La pompe à vide aspire l'air ; la

quantité de molécules composant l'air

diminue entrainant une baisse de la

pression externe :

(pression externe < pression interne).

Il en résulte : Fp-interne > Fp-externe ; les pressions interne et externe doivent s'équilibrer ; le gaz dissous se libère

provoquant une effervescence jusqu'à ce que Pinterne = Pexterne d’où Fpressante-interne = Fpressante-externe.

Faire des bulles en plongée !

F2 pressante-interne

F2 pressante-externe F2pressante-interne = F2pressante-externe

Air

Air

Vide

Les forces des 2 schémas ne sont pas représentées avec la même échelle.

La pompe à vide aspire l'air ; la quantité de molécules composant l'air diminue entrainant une baisse de la pression externe

(pression externe < pression interne).

Il en résulte : F1pressante-interne > Fpressante-externe ; les pressions interne et externe du ballon doivent s'équilibrer ; le ballon étant

hermétiquement fermé, le seul moyen qu'il a de faire diminuer la pression interne est d'augmenter son volume et ainsi

augmenter sa surface (P = F / S : si S augmente P diminue) ; le ballon gonfle jusqu'à ce que : P2interne = P2externe d’où

F2pressante-interne = F2pressante-externe.

F pressante-interne

F pressante-externe

Fpressante-interne

= Fpressante-externe

Effervescence ; dégagement

du gaz dissous dans l'eau

Air

Air

Vide

Eau

gazeuse

F1 pressante-interne

F1 pressante-externe

F1pressante-interne = F1pressante-externe

b) Dans le cas d’une plongée en eau profonde, le même phénomène s’observe-t-il plutôt lors de la descente ou lors de la remontée ?

La diminution de pression externe se fait lors de la remontée ; c'est donc lors de cette phase que ce phénomène

est observé.

c) Quels sont les risques de ce phénomène pour le plongeur ? Que doit-il faire pour s’en protéger ?

Les bulles de gaz dissous dans le sang vont augmenter de volume lors de la

remontée et provoquer des oblitérations des vaisseaux ou des compressions

sur les organes.

L'accident de décompression survient en cas de non-respect des procédures

de désaturation. L'embolie gazeuse se forme à la suite de la désaturation

brutale des différents tissus de l'organisme, qui ont préalablement accumulé

du gaz dissous en quantité directement en rapport avec la quantité de gaz

dissous dans le sang. Ces gaz forment alors des bulles qui s'évacuent dans le

circuit veineux.

Il faut lors de la remontée faire des paliers de décompression comme

l'indique la table ci-contre.

DTR (Durée Totale de Remontée) : C’est la durée minimale qui permet au

plongeur de remonter à vitesse contrôlée (en moyenne 10m/mn) jusqu’à la

surface en réalisant la totalité des paliers nécessaires = Temps de remontée +

Temps paliers

La colonne GPS (Groupe de Plongée Successive) sera utilisée avec les

tableaux secondaires 2 et 3 pour calculer les paliers à effectuer en cas de

plongée successive.

2) Le principe du profondimètre

Expérience : vérification de la loi fondamentale de la statique des fluides

Protocole : Remplir d’eau une éprouvette. A partir de la surface de l’eau (tous les 5 cm), plonger le tuyau du

pressiomètre dans l’eau et mesurer les pressions pour ces positions.

D'après la formule établie (PB - PA) = k.( ZA - ZB)), la loi fondamentale de la statique des fluides est vérifiée.

Pression en fonction de la profondeur

y = 86,429x + 1014,3

1010

1015

1020

1025

1030

1035

1040

1045

0 0,1 0,2 0,3 0,4

Profondeur en m

Pre

ss

ion

en

hP

a

Pression en hPa

Linéaire (Pression en hPa)

On obtient donc une droite qui a pour équation :

P = 86,43 ×h + 1014,3 soit : P - 1014,3 = 86,43 × h

La pression P est exprimée en hPa = 100 Pa

1014,3 correspond à la pression à la surface soit Patmosphérique.

h correspond à la différence de profondeur : ZA - ZB (on descend).

Soit P - Patm = k.( ZA - ZB)

eau = 1 000 kg.m-3

; g = 9,81 N.Kg-1

.

eau × g = 1 000 × 9,81 = 9810

Coefficient directeur de la droite : 86,43 × 100 = 8643

Avec les erreurs de mesure et des appareils, on peut considérer

que nous sommes dans le même ordre de grandeur. %erreur = (9810 - 8643) / 9810 = 0,12 soit 12%

Résolution du problème :

a) Expliquer le principe de fonctionnement du profondimètre en indiquant quel type de capteur contient cet appareil.

Le profondimètre mesure donc la pression et calcule la profondeur sachant que PA = Patm et ZA = 0 m

(surface) : ZB = (PB - PA) / k.

b) Pour une plongée à 41 m de profondeur comme dans le document 1, quelle pression (en pascal et en bar) va être mesurée par le profondimètre.

On considère : Patm = 1013 hPa ; ZA = 0 m et ZB = 41 m.

P = 9810 × 41 + 101300 = 503 510 Pa => P = 5 bar.

La pression en plongée augmente de 1 bar tout les 10 m de profondeur.

Donnée :La bar est une unité de pression. Un bar correspond à la pression atmosphérique normale.

1 bar = 105 Pa