Notions de physique en plongée - Codep 89 "FFESSM" IV...des lois qui le régissent. Importance des phénomènes physiques - Comprendre pour réagir plus efficacement - Ne pas se mettre

Physique et plongée

Formation GP – CODEP 89 – 2011 – Benoît Herr

Notions de physique en Notions de physique en plongéeplongée

Flottabilité, compressibilité, optique et Flottabilité, compressibilité, optique et acoustiqueacoustique



Au programmeAu programme

Introduction

Quelques rappels

Flottabilité

Optique

Acoustique

Compressibilité des gaz



Pourquoi ?Pourquoi ?

Physique (définition) :

Science correspondant à l'étude du monde qui nous entoure et des lois qui le régissent.

Importance des phénomènes physiques

- Comprendre pour réagir plus efficacement- Ne pas se mettre en situation de danger, ni soi-même ou sa palanquée- Être autonome- Prendre plaisir à plonger en toute connaissance de cause



PrérequisPrérequis

Notions physiques simples permettant de comprendre les effets du milieu, les principes de fonctionnement du matériel, l'autonomie en air, la flottabilité.



Connaissances théoriques Connaissances théoriques nécessaires au GPnécessaires au GP

- Flottabilité : Poids réel, poids apparent, problemes de relevage en association avec la loi de Mariotte. Densité et masse volumique.

- Compressibilité des gaz : maîtrise des problemes de tampon. La température : loi de Charles. Consommations, relevages.

- Pression partielle : regles de Dalton : toxicité des gaz. Notions sommaires sur les Nitrox.

- Dissolution de N2 dans le corps : loi de Henry. Connaissance du modele de Haldane : notion de compartiment. Connaissance tres succincte de l’existence d’autres modeles : diffusion, bulles circulantes,...

- Optique et acoustique : absorption, réflexion, réfraction,




Introduction

Quelques rappels

Flottabilité

Optique

Acoustique




Quelques rappelsQuelques rappels

Notions d'algebre

A + B = C On cherche A<=> A + B - B = C - B <=> A = C - B

A x B = C On cherche A<=> A x B / B = C / B <=> A = C / B

A / B = C On cherche A<=> (A / B) x B = C x B <=> A = C x B = B x C




Grandeurs physiques- Force : se caractérise par son intensité, sa direction, son sens. S'exprime en newton (N)

- Poids : force verticale dirigée vers le bas, due à la pesanteur

- Masse : quantité de matiere. S'exprime en kilogramme (kg)

P = M x g où g = 9,81 m/s2 (arrondi à 10, soit 2% d'approximation)

g étant pratiquement constant (à la surface de la terre), on s’autorise à assimiler les forces à des masses et à les exprimer en kg




Grandeurs physiques

- Masse volumique : ρ = M / V. S'exprime en kg/m3

<=> M = ρ x V

- Densité : rapport de la masse volumique à celle de l'eau douce

d = ρ / ρ0

(Pas d'unité, c'est un rapport)




Quelques densités




Unités usuelles

- Volume : 1 m3 = 1000 l1 l = 1000 cm3 = 1 dm3

- Force : 1 kgf = 9,81 N(par souci de simplification, on utilise le kg)

- Pression : 1 bar = 100 000 Pa1 mbar = 100 Pa = 1 hPa1 atm = 1013 hPa = 1,013 bar = 760 mmHg

1 kg/cm2 = 0,981 bar1 bar = 14,5 PSI Donc 200 bar ≈ 3000 PSI




Introduction

Quelques rappels

Flottabilité

Optique

Acoustique




FlottabilitéFlottabilité

Définition :Rapport entre poids et volume immergé Rappel : 1 litre d’eau pure = 1 dm3 = 1 kg

Principe d'Archimède

Tout corps plongé dans un fluide subit de la part de celui-ci une poussée verticale dirigée de bas en haut, d'intensité égale au poids du fluide déplacé

Fluide = milieu matériel parfaitement déformable. Gaz (fortement compressible) et liquides (peu compressibles)

Poids apparent = poids réel – poussée d'Archimede













Type de bouteille Poids apparent à vide en eau de mer

12 litres acier 2 à 2,5 kg

15 litres acier 2,5 à 3,5 kg

Aluminium -1 à -2 kg

Type de combinaison Volume indicatif en surface

Shorty < 1 litre

Monopiece 4 mm 4 à 5 litres



Deux pieces 6 mm 6 à 7 litres

Deux pieces 7 mm 6 à 8 litres




Exercice

Correctement équilibré en Atlantique (densité 1,02) avec deux kg de lest, vous allez plonger en Mer Rouge (densité 1,03) avec le même équipement et à volume constant (90 litres).Devez-vous modifier votre lestage ?Si oui, comment ?




Exercice

La poussée d'Archimede en Atlantique est de

90 x 1,02 : 91,8 kg

En Mer Rouge, elle passe à 90 x 1,03 = 92,7 kg

Soit 1 kg environ de plus.D'où nécessité de rajouter 1 kg



Techniques de relevageTechniques de relevage

Exemple de l'ancre en panne

- Ce n'est pas un parachute de palier (20, 40 ou 100 l, voire plus) et beaucoup plus solides, avec sangles

Précautions à prendre : - s'assurer que toutes les palanquées sont remontées- ne pas plonger seul- vérifier son air (attention aux paliers)

Pendant l'opération :- Ne pas faire d'effort- Ne pas se mettre sur la trajectoire de l'ancre- Ne pas rester sous l'ancre







Il est donc nécessaire :- de connaître la profondeur de l'ancre- d'être en mesure d'évaluer ses paliers- d'évaluer la quantité d'air qui sera nécessaire au relevage de l'ancre

Exemple :- Poids apparent de l'ancre = 30 kg

Quelle est la poussée d'Archimede que le parachute devra exercer ?




En admettant que l'ancre soit coincée par 20m :- Combien de litres d'air seront nécessaires pour soulever l'ancre ?

- Quel pourcentage de votre bloc de 12l cela représente-t-il ?

- Quid des pertes d'air ? Des approximations ? De vos paliers ?

Attention donc :- A ne pas rester sur la trajectoire ascendante ou descendante de l'ancre- A ne pas tomber en panne d'air




Introduction

Quelques rappels

Flottabilité

Optique

Acoustique




Le spectre lumineuxLe spectre lumineux



Changement de milieuChangement de milieu

La vie d'un rayon lumineux dans l'eau

- Réflexion : partie qui ne pénetre pas- Réfraction : déviation du rayon- Absorption : production de chaleur- Diffusion : dû à la présence de particules



Couleurs et chaleurCouleurs et chaleur

Absorption des couleurs

- Rouges disparaissent tres vite (vers 5 m)- Orangés : 10 à 15 m- Jaunes : 20 m- Verts : vers 40 m

Apres, il ne reste plus que les bleus... d'où le terme "descendre dans le bleu"



Couleurs et chaleurCouleurs et chaleur

Conséquences en plongée

- Une lampe peut être utile même de jour !

- Bien choisir son ampoule et sa lampe en fonction de l'IRC (Indice de rendu des couleurs) :

- Incandescence : faible rendement mais lumiere chaude

- Halogene : lumiere plus blanche- HID (High Intensity Discharge) : tres blanche- LED (diode électroluminescente) : blanche et

faisceau étroit, mais tres faible consommation



Anatomie de l'œilAnatomie de l'œil

Macula



Vision sans masqueVision sans masque

Dans l'air, l'image se forme sur la macula.

- Image en avant = myope- Image en arriere = hypermétrope

Dans l'eau, l'image se forme derriere la rétine : l'œil est hypermétrope



Vision avec un masqueVision avec un masque

- La lumiere traverse 3 milieux

=> Agrandissement par ouverture de l'angle (4/3)

=> Réduction de l'angle de champ, d'où rapprochement des objets



Conséquences en Conséquences en plongéeplongée

S'ajoute à ces phénomenes optiques un rétrécissement du champ visuel (de l'ordre de 50 à 70% : de 180° à 120-90°) dans toutes les dimensions, lié à la jupe du masque

Comportement du chef de palanquée- Prendre en compte tous ces phénomenes, surtout avec des débutants- Se positionner dans le champ visuel des plongeurs, notamment pour faire les signes – diriger sa lampe vers le plongeur (de jour)- S'adapter aux conditions de visibilité- Prendre en compte les perturbations perceptives des débutants- Bien connaître son matériel pour accéder aux purges etc. sans recourir à la vision




Introduction

Quelques rappels

Flottabilité

Optique

Acoustique




AuditionAudition

- Vibration du milieu sur le tympan

- Transmission à la fenêtre ovale via la chaîne marteau-enclume-étrier

- Vibration du liquide cochléaire transmise au cerveau via le nerf cochléaire

- Évacuation de l’onde de pression cochléaire dans l’oreille moyenne via la fenêtre ronde



AuditionAudition

L'audition se fait aussi par d'autres biais de :- Transmission osseuse (processus mastoïde de l'os temporal) - Transmission par vibration du squelette entier (basses fréquences)

Notions physique :- Vitesse du son dans l'air à 15°C : 341 m/s- Vitesse du son dans l'eau douce : 1435 m/s- Vitesse du son dans l'eau de mer : 1500 m/s

=> l'onde sonore est différente, d'amplitude moindre et de plus grande longueur. Sa vitesse est liée à la densité du milieu.

L'audition sous-marine s'effectue principalement par voie osseuse



AuditionAudition

La stréréophonie

Rendue possible car les 2 oreilles ne sont pas à la même distance de la source → le cerveau analyse le déphasage entre les 2 oreilles et détermine la direction de la source

Si la vitesse du son augmente, le déphasage diminue et devient imperceptible pour le cerveau → perte de la stéréophonie

Le cerveau humain est adapté à une audition stéréophonique aérienne, pas à audition stéréophonique sous-marine=> sous l'eau, on perd la directionnalité des sons



AcoustiqueAcoustique

Conséquences en plongée

La vitesse du son étant 4,5 fois plus grande que dans l’air, le décalage de réception entre les 2 oreilles est compris entre 1/8000 et 1/10000eme de seconde (au lieu de 1/2000eme), ce que le cerveau humain ne peut plus décrypter.

Lors de la remontée, il est donc primordial d'effectuer un tour d'horizon à 3 à 5m afin de vérifier l'absence de tout obstacle en surface (bateau etc.)



En résuméEn résumé




Introduction

Quelques rappels

Flottabilité

Optique

Acoustique




Compressibilité des gazCompressibilité des gaz



RappelRappel

Loi de Mariotte

A température constante, la pression d'un gaz est inversement proportionnelle à son volume

P1 x V1 = P2 x V2 = constante



Application au gonflage Application au gonflage des blocsdes blocs

2 systèmes:- bloc (avec un certain volume et une certaine pression)- compresseur + tampons (avec un certain volume et une

certaine pression)- tampons = bouteilles de gros volume (50 litres en

général) reliées au compresseur et pouvant être gonflées jusqu'à 300 bars

→ pour gonfler les blocs, on met ces 2 systemes en communication pour qu'ils n'en fassent plus qu'un. La pression s'équilibre alors dans le volume total blocs + tampons.

→ on peut aussi gonfler directement avec le compresseur, si on ne dispose pas de tampons ou si les tampons sont vides




ApplicationCombien de temps faut-il à un compresseur débitant 60 m3/h pour gonfler 12 bouteilles tampon de 50 l à 300 bars ?

Q = 12 x 50 x 300 = 180000 l soit 180 m3

Débit du compresseur = 60 m3/h

Temps nécessaire = 180/60 = 3h



















ApplicationOn doit gonfler 4 blocs de 12 l contenant encore chacun 50 bars à l'aide d'un 1 tampon de 50 l gonflé à 300 barsQuelle sera la pression d'équilibre apres gonflage des blocs ?

V total des 4 blocs = 4 x 12 l = 48 litresSoit 48 x 50 = 2400 l

V total d'air disponible a 1bar dans le système global :(2400 + 15000) x 1bar = 17400 litres V total du système global = 48 + 50 = 98 l

V1 x P1 = P2 x V2→ P1 = (P2 x V2)/V1 = (1 x 17400)/98 = 177,55 bars




ApplicationOn dispose de deux bouteilles tampons de 100 l chacune, gonflées respectivement à 180 et 260 bars.

Chaque tampon est controlé par un robinet, et il est possible de mettre en communication les deux tampons, ou bien de les utiliser indépendamment pour le gonflage.On dispose d’une rampe de gonflage pour 5 blocs. On se propose de gonfler 5 blocs de 12l contenant 30 bars chacun.

1/ On met en communication les deux tampons, puis les 5 blocs de 12l. Quelle pression d'équilibre obtient-on ?

2/ On gonfle dans une premiere phase les 5 blocs en utilisant le tampon gonflé à 180 bars. Une fois l’équilibre des pressions atteint, on isole le tampon, et on ouvre le tampon à 260 bars.Quelle pression obtient-on ainsi ? Conclusion ?




Solution

1/ P1V1 + P2V2 + P3V3 = P(V1+V2+V3) P = ((30 x 5 x 12) + (180 x 100) + 260 x 100)) / ((12 x 5) + 200)) P = 176 bars

2/ Phase 1 :

P1V1 + P2V2 = P x ∑V P = ((30 x 12 x 5) + (180 x 100)) / ((12 x 5) + 100)) P = 123 bars

Phase 2 : P = ((5 x 12 x 123) + (260 x 100)) / ((5 x 12) + 100)) P = 208 bars



Application au calcul de Application au calcul de l'autonomiel'autonomie

Profondeur Pression abs. (bars)

Consommation équivalente surface (l)

Autonomie (min)

Surface 1 20 120

10m 2 40 60

20m 3 60 40

40m 5 100 24

Avec 1 bloc de 12 l gonflé à 200 b (2400 l d'air disponibles)et une consommation théorique de 20 l / mn



Gestion de l'airGestion de l'air

Vous consommez 20 litres d’air par minute en surface.

Quelle est votre consommation d'air détendu à 1 bar à 60 metres ?

Quelle est dans ces conditions votre autonomie avec un bloc de 15 litres gonflé à 200 bars, avant de tomber sur réserve ?

- Pression absolue = 7 bars - Consommation : 7 x 20 = 140 litres d’air à 1

bar par minute- Bloc de 15 litres à 200 bars = 3000 litres- Réserve : 15 x 50 = 750 litres- 3000 – 750 = 2250 litres

d’air disponible avant d’être sur réserve

Soit 16 minutes d'autonomie



Gestion de l'airGestion de l'air

Vous êtes équipé d’un bloc de 15 litres gonflé à 200 barsVous vous immergez avec votre équipier à 10h00Vous descendez à 60 metres et restez à cette profondeur durant 10 minutesDe quelle quantité d’air avez-vous besoin ?

10 minutes à 60 metres :7 x 10 x 20 = 1400 litres5 minutes de remontée de 60 à 6 metres à une profondeur moyenne de 33m :4,3 x 5 x 20 = 430 litres2 minutes à 6 metres :1,6 x 2 x 20 = 64 litres6 minutes à 3 metres :1,3 x 6 x 20 = 156 litres

1400 + 430 + 64 + 156= 2050 litres




Loi de Charles

À volume constant, la pression d’un gaz est proportionnelle a sa température

(P x V)/T= Constante

T est exprimé en Kelvin

Or, le volume d'un bloc de plongée(acier ou alu) est constant. La lois'applique et seule la pressionvarie lorsque latempérature varie




Application

Une bouteille gonflée à 200 bars monte à 50°C. Quelle sera la pression une fois la température revenue à 15 degrés ?

P1/T1 = P2/T2

=> 200/323 = P2/288

=> P2 = (200 x 288)/323 = 178 bars




ApplicationOn plonge maintenant à 40 m dans une eau à 5°C avec

ce bloc. Comment évolue sa pression ?Qu’en déduisez vous ?

P1/T1 = P2/T2

=> 178/288 = P2/278

=> P2 = (178 x 278)/288 = 171,8 bars



ConclusionConclusionNotre perception est altérée en milieu aquatique, milieu dont les propriétés physiques sont différentes de notre milieu habituel, l'air : il faut prendre ces modifications en compte pour plonger et faire plonger sa palanquée.

C'est grâce à la compressibilité des gaz que nous pouvons emporter une réserve d'air suffisante pour plonger.



Merci de votre attention

Vos questions sont les bienvenues

Documents

Notions de physique en plongée - Codep 89 "FFESSM" IV...des lois qui le régissent. Importance des phénomènes physiques - Comprendre pour réagir plus efficacement - Ne pas se mettre