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LOIS PHYSIQUES
F. BURTHERET / HCM 12-2017
F. BURTHERET / HCM 12-2017
Physique appliquée à la plongée
• La flottabilité (principe d’Archimède)
• Les pressions
• La compressibilité des gaz (loi de Boyle-Mariotte)
• Les pressions partielles (loi de Dalton)
• La dissolution des gaz (loi de Henry)
Ces lois et principes sont importants pour vous car ils vont vous permettre de comprendre les prochains cours sur
•les accidents biochimiques,•les barotraumatismes,•l’utilisation des tables.
F. BURTHERET / HCM 12-2017
La Flotabilité
Dans l’eau des objets coulent, d’autres flottent, d’autres restent entre 2 eaux.Etudions un plongeur et son matériel (on fera abstraction du PMT) :
Le poids réel et le volume s’opposent.
Le poids réel nous fait couler.Le volume nous fait flotter, c’est la poussée d’Archimède.
Enoncé de la loi d’Archimède :Tout corps plongé dans un fluide, reçoit de la part de celui-ci une poussée verticale de bas en haut égale au poids du volume de fluide déplacé.
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La Flotabilité
Nous flottons Si Poussée d’Archimède > Poids Flottabilité positive
Nous coulons Si Poussée d’Archimède < Poids Flottabilité négative
Nous sommesen équilibre
Si Poussée d’Archimède = Poids Flottabilité neutre
De par la poussée d’Archimède, le poids d'un corps immergé dans l'eau est donc inférieur à son poids réel : c'est le poids apparent.
Calcul du poids apparent :
Papp = Préel - PArchiPapp = Poids apparent en kg
Préel = Poids réel en kgPArchi = Poussée d’Archimède en kg
Si Papp > 0 ⇒ le corps couleSi Papp < 0 ⇒ le corps flotteSi Papp = 0 ⇒ le corps est en équilibre
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La FlotabilitéExercices :Un plongeur équipé a un volume de 100 l et un poids de 98 kg.Quel est son poids apparent ? Que se passe-t-il ?
Un plongeur équipé a un volume de 75 l et un poids de 78 kg.Quel est son poids apparent ? Que se passe-t-il ? Que peut-on lui conseiller ?
Réponses :1) Papp = 98 -100 = -2 ⇒ Il flotte. Il doit rajouter 2 kg de lest.2) Papp = 78 - 75 = 3 ⇒ Il coule. Il doit enlever du lest.
La flottabilité dépend du volume et du poids réel.En tenant compte de ces éléments là, le plongeur peut donc agir sur sa flottabilité par différents moyens à l’aide :•du gilet,•du poumon ballast (deux moyens actifs) et•du lestage.
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Les Pressions
La pression est une force qui s'exerce perpendiculairement à une surface plane.
En plongée, on utilise le bar (b) comme unité. 1 bar correspond à une force de 1kg par cm2 (= le poids d'une colonne d'eau de 10 m / cm2).
La pression est utilisée dans différentes lois et nombreux calculs.
En plongée, nous allons nous intéresser à la pression atmosphérique, hydrostatique et absolue.
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Les Pressions
La pression atmosphérique :
La terre est entourée d’une couche d’air : l’atmosphère. Cet air possède un poids, la pression exercée par cet air est appelée pression atmosphérique.
Plus on monte en altitude, plus la couche d’air au dessus de nous diminue, donc la pression diminue.
Au niveau de la mer la valeur de la pression atmosphérique est de 1 bar.
La valeur de la pression atmosphérique diminue de 0,1 bar tous les 1000 mètres.
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Les Pressions
La pression hydrostatique :
Pression exercée par l’eau sur un corps immergé.
C’est l’ensemble des pressions exercées sur un corps immergé.
La pression absolue (ou totale) :
Pression absolue = pression atmosphérique + pression hydrostatique
Pression hydrostatique = profondeur/10.La pression hydrostatique augmente de 1 bar tous les 10 m.
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La Compressibilité des gaz (Boyle-Mariotte)La pression a des effets en plongée sur les gaz.Les gaz sont compressibles et en plongée ils se compriment à la descente (la pression augmentant) et se dilatent à la remontée (la pression diminuant).Prenons un ballon de 12 l en surface et immergeons le. On constate qu’à 10 m il ne fait plus que 6 l et à 20 m 4 l. Le volume est donc inversement proportionnel à la pression. Plus la pression augmente, plus le volume diminue.Loi de Boyle-Mariotte :A température constante, le volume d’un gaz est inversement proportionnel à la pression qui s’exerce sur ce gaz.Formule :
P x V = ConstanteP1 x V1 = P2 x V2 = ..... = Constante
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La Compressibilité des gaz (Boyle-Mariotte)
Exercices :1. Un plongeur a des poumons d’une contenance de 6l.Combien d’air aura-t-il dans ses poumons si subitement il remonte de 20m à la surface en bloquant sa respiration ?
Réponse :P1 = 3 b V1 = 6lP2 = 1 b V2 = y⇒ 3 x 6 = y x 1 ⇒ y = 18 ⇒ Surpression pulmonaire
2. Un plongeur consomme en surface15 l/min. Il plonge à 20 m avec un 12 l gonflé à 200 b. Au bout de combien de temps sera-t-il sur réserve (50b) ?
Réponse :200-50 = 150 150x12 = 1800 1800 / (15x3) = 40Il sera sur réserve au bout de 40 mn.
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Les Pressions Partielles (Dalton)
En plongée, nous respirons de l’air comprimé qui est composé de plusieurs gaz qui à partir d’une certaine pression peuvent devenir toxiques. Il faut savoir calculer la pression partielle de ces gaz (calcul d’une profondeur limite, utilisation du nitrox,...). Pour celà, nous appliquons la loi de Dalton.
Mise en évidence
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Les Pressions Partielles (Dalton)
Enoncé de la loi :La pression d’un mélange gazeux est égale à la somme des pressions partielles qu’aurait chacun des gaz s’il occupait seul le volume total.Dans un mélange gazeux la pression partielle de chaque composant égale la pression qu’aurait chacun des composants s’il occupait seul le volume total.
Formules :
Pabs = ∑ PpPression absolue d’un mélange = somme des pressions partielles de chaque composant
Pp gaz = Pabs x % gazPression partielle d’un gaz = Pression absolue x % du gaz dans le mélange
Composition de l’air :Azote (N2) 80 %Oxygène (O2) 20 %
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Les Pressions Partielles (Dalton)
Exercices :1. Nous respirons de l’air en surface. Quelle est la pression partielle d’O2 et de N2 ?On considèrera que l’air est composé de 80% de N2 et 20% de O2.Réponse :PpN2 = 1 x 80% = 0,80 bPp02 = 1 x 20% = 0,20 b ⇒ contrôle PpN2+ Pp02 = 0,80 + 0,20 = 1 = Pabs
2. Quelles sont les pressions partielles d’O2 et de N2 pour de l’air respiré à 20 m de profondeur ?Réponse :PpN2 = 3 x 80% = 2,40 bPp02 = 3 x 20% = 0,60 b ⇒ contrôle PpN2+ Pp02 = 2,40 + 0,60 = 3 = Pabs
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La Dissolution des gaz (Henry)Les gaz se dissolvent dans le liquide. Pour nous, plongeurs, c’est la dissolution de l’azote qui nous intéresse. En effet, ce gaz est à l’origine de l’accident de décompression.C’est la loi de Henry qui nous aide à comprendre ce phénomène.Mise en évidence
Equilibr
Déséquilibre
⇒ Gaz dissout dans l’eau
Eau
Eau
Enoncé de la loi :À température constante et à saturation, la quantité de gaz dissout dans un liquide est proportionnelle à la pression partielle qu'exerce ce gaz sur le liquide.
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Conclusion
tout est question de logique !!!
Ne vous méprenez pas, il n’est pas nécessaire d’être physicien pour faire un bon plongeur,
Bonnes plongées !
