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Physique appliquée à la Plongée
• Pressions• Les variations de volumes• La consommation d’air • La flottabilité• La Vision• L’Acoustique• La composition de l’air• La dissolution de l’air
Objectif
Être capable de comprendre les notions physiques simples qui interviennent en plongée :
les effets du milieu, les principes de fonctionnement du matériel, l'autonomie en air, la flottabilité.
Tous ce qui est indispensable pour votre autonomie
Les pressions
Sur une surface de 1 cm² une colonne d'eau
de 10m de hauteur exercera une pression
de ~ 1 bar.
• 1 m3 = 1000 L • 0,01m X 0,01m X 10m = 0,001 m3 = 1 L.
Pression relative = Pression exercée par la colonne d'eau
Pression absolue = Pression relative + Pression atmosphérique
PRESSION ATMOSPHERIQUE
PRESSION RELATIVE OU HYDROSTATIQUE
PR
ES
SIO
N
AB
SO
LU
E
surface
- 10 m
-20 m
- 30 m
2000 m 0.8 b
1 bPression
Atmosphérique
1 b
2 b
3 b
Pression Hydrostatique
Pression Hydrostatique
Pression Hydrostatique
Pabs = Patm + PHydro
Pression Absolue=
2 Bars
Pression Absolue=
3 Bars
Pression Absolue=
4 Bars
La pression absolue
Les variations de volume
La loi de Boyle Mariotte décrit les effets de la pression 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).
On immerge à 50 mètres de profondeur un ballon contenant un certain volume de gaz (5L).
Les variations de volume
La loi de Boyle Mariotte peut s’écrire de la manière suivante :
P x V = constante ou encore
P1 x V1 = P2 x V2 = P3 x V3 …Volume
1 x 30 = 30
2 x 15 = 30
3 x 10 = 30
4 x 7,5 = 30
5 x 6 = 30
6 x 5 = 30
C’est à dire :
Les variations de volume
Les conséquences de la loi de Boyle Mariotte en plongée sont nombreuses :
accidents barotraumatiques :accidents barotraumatiques : la compression ou la décompression de l'air dans l'organisme peut entraîner des accidents (volume qui double entre 10m et 0m).
effets sur la consommation d'air :effets sur la consommation d'air : l'air étant comprimé en profondeur, pour un même volume d'air inspiré la quantité d'air consommée augmente avec la profondeur. effets sur l'équipement :effets sur l'équipement : utilisation du gilet stabilisateur, compression de la combinaison.
Les variations de volume :application
Nous plongeons avec un Bloc de 12L court à 200 bars :
• Combien cela ferait-il de volume d’air à 1 bar ?
15 L x 160 bars = 2400 L à 1 bar
pas de différence
12 L x 200 bars = 2400 L à 1 bar• Y a-t-il plus d’air dans un 12L long ?
non• Y a-t-il plus d’air dans un 15L gonflé à 160 bars ?
La consommation d’air
La ventilation de l'Homme en surface (pression = 1 bar) lors d'un effort modéré est d'environ 15 à 20 litres d'air par minute.
A 10 mètres de profondeur, l'air est deux foisdeux fois plus dense. Donc lorsqu'un plongeur respire 1 litre d'air à cette profondeur, cela correspond à 2 litres d'air en surface.Un plongeur ayant une autonomie d'air de 2
heures en surface verra cette autonomie être divisée :
par 2 à 10 mètres 1 heure, par 3 à 20 mètres 40 minutes, par 4 à 30 mètres 30 minutes, par 5 à 40 m 24 minutes.
Un homme essoufflé consomme 80 à 100 L par homme essoufflé consomme 80 à 100 L par minuteminute
4 à 5 fois plus Faites le calcul…
La consommation d’air :applications
Exemple : calculons l'autonomie à 30 mètres de profondeur d'un plongeur respirant 15 litres d'air par minute et disposant d'un bloc de 12 litres à 200 bars.
Deux méthodes peuvent être utiliser pour connaître son autonomie :
Les 2400 litres d'air disponibles en surface dans le bloc correspondent à :2400 / 4 = 600 litres d'air à 4 bars.Le plongeur consommant 15 litres d'air par minute, on obtient une autonomie de 600 / 15 = 40 minutes.
Méthode 1 : calculer sa consommation en litres équivalent surface à la profondeur donnée. Une consommation de 15 litres d'air à 30 mètres (4 bars) par minute correspond à :15 x 4 = 60 litres d'air par minute en équivalent surface. Il suffit alors de diviser le volume d'air disponible en surface par 60 soit :(12x200)/60 = 2400/60 = 40 minutes. Le plongeur pourra rester 40 minutes. Méthode 2 : calculer le volume d'air disponible à la profondeur donnée.
La consommation d’air :applications
D'autres paramètres influent sur la consommation d'air du plongeur, et donc sur son autonomie :
Le niveau de stressLe niveau de stress, généré par exemple par des conditions de plongée difficiles (faible visibilité, courant, luminosité).
Le froidLe froid. L'équipementL'équipement : un lestage mal adapté, une combinaison ou un
gilet stabilisateur trop serré. Le courant :Le courant : il faut toujours partir à contre-courant, pour revenir
dans le courant. L'entraînement physiqueL'entraînement physique : une bonne hygiène de vie, un
entraînement régulier en mer ou en piscine. Un comportement "nerveux"Un comportement "nerveux" : palmage inefficace ou rapide,
mouvements de bras... Le facteur physiologiqueLe facteur physiologique : chaque individu à une consommation
"de base" qui lui est propre (différence entre homme et femme).
La réserve
Il convient de calculer son autonomie en tenant compte de la marge de sécurité.
Tout plongeur doit amorcer sa remontée en ayant conservé 50 bars dans sa bouteille : c'est ce qu'on appelle communément la réserveréserve.
Il convient donc de retirer de la pression initiale de la bouteille les 50 bars de la réserve.
Le volume d'air disponible en surface pour un bloc de 12 litres gonflé à 200 bars est alors de :(200-50)x12 = 1800 litres d'air.
On obtient alors les calculs d'autonomie suivants :• Méthode 1 : Le plongeur consomme 60 litres d'air par minute à 30 m
en équivalent surface. Son autonomie est de 1800 / 60 = 30 minutes.• Méthode 2 : Les 1800 litres d'air disponibles en surface correspondent
à 1800 / 4 = 450 litres à 30 mètres. Le plongeur consomme 15 litres d'air par minute, son autonomie est donc de 450 / 15 = 30 minutes.
La flottabilité
Pourquoi le plongeur N2 doit-il s’intéresser à la poussée
d’Archimède? La pratique de l’autonomie impose de contrôlercontrôler à tout instant dans la plongée sa flottabilité. Cela suppose de bien choisir et bien utiliser son équipement pour :
– maîtriser son immersion– maîtriser sa stabilité– maîtriser sa remontéemaîtriser sa remontée
La flottabilité
Lorsqu’un plongeur s'immerge, cela met en jeu 2 forces qui s'opposent :
le poids réelle poids réel, qui a tendance à le faire couler, la poussée de l'eau, aussi appelée la poussée d'Archimèdela poussée d'Archimède.
Il en résulte un poids apparentpoids apparent.
POIDS REEL
Pro
fond
eur
POUSSEE ARCHIMEDE
La poussée d’Archimède
Tout corps plongé dans un fluide subit de la part de celui-ci une
poussée verticale dirigée de bas en haut égale au poids du volume du
fluide déplacé.
Poids apparent = -5
Poids apparent = Poids réel - poussée d'ArchimèdePoids apparent = Poids réel - poussée d'Archimède
POUSSEE ARCHIMEDE
Volume fluide (eau) = 80L = 80kg
= 75kgPOIDS REEL
La poussée d’Archimède
En plongée, 3 situations :
Poids Apparentnégatif
POUSSEE ARCHIMEDE
POIDS REEL
P REEL < PAOn monte
Poids Apparent
positif
POUSSEE ARCHIMEDE
POIDS REEL
P REEL > PA On coule
Poids Apparent
= 0
POUSSEE ARCHIMEDE
POIDS REEL
P REEL = PAOn s’équilibre
Un bloc vide d'une contenance de 15 litres pèse 18 kg en surface.
Quel est son poids apparent une fois qu'il est immergé ? 3 kg 0 Kg -3 kg
La flottabilité : applications
Il remonte Il est à l’équilibre Il coule
Il remonte Il est à l’équilibre Il coule
15 Litres d’air à 200 bars pèsent 4 kg en surface.Quel est le poids apparent du bloc plein ?7 kg- 1 kg4 kg
La flottabilité
Le plongeur jouera sur différents éléments pour faire varier sont poids apparent et ainsi s'équilibrer dans l'eau :
- Le lestage- Le gilet stabilisateur- Le poumon ballast - Le poids de la bouteille (à noter que le poids réel de la
bouteille diminue au cours de la plongée (consommation d'air),
- La combinaison (à noter que le volume de la combinaison diminue avec la profondeur.
- La différence carrière / mer (sel). L'eau de mer est plus lourde que l'eau douce, la poussée d'Archimède est donc plus importante en mer.
o Ainsi 1 litre d'eau douce pèse 1 kg, o 1 litre d'eau de mer Atlantique environ 1.024 kg o 1 litre d'eau de mer à forte salinité (Mer Rouge) 1.044 kg. o 1 litre d'eau de mer à très forte salinité (Mer Morte) 1.275 kg.
La vision
La vision sous marine subit des modifications liées à la différence d’indice de réfraction entre l’air contenu dans le masque et l’eau, ainsi que par
l’absorption sélective de la lumière et la diffusion due aux particules de l’eau
grossissement (d’un facteur grossissement (d’un facteur 4/3 )4/3 )
rapprochement (facteur ¾)rapprochement (facteur ¾)
L’absorption est due à l’eau. L’intensité lumineuse diminue et les couleurs disparaissent au fûr et à
mesure de la profondeur.
La vision
L’acoustique
La vitesse de propagation d’un son dépend de la densité du milieu :– Dans l’airl’air environ 330 m/s330 m/s– Dans l’eaul’eau environ 1500 m/s1500 m/s – Dans l’eau 4,5 fois plus rapide que dans l’air
Conséquences :– La localisation des sons dans l’eau impossible.– Tour d’horizon
Composition de l’air
78 % d’azote N2
21 % d’oxygène O2
1 % d’autres gaz (Argon, Krypton, CO2, CO…)
Pour des raisons de commodités on
"simplifie" souvent en disant que l'air se
compose de :- 80 % d'azote- 80 % d'azote
- 20 % d'oxygène- 20 % d'oxygène
Les pressions partielles:loi de Dalton
A température donnée, la pression d'un mélange gazeux (pression absolue) est égale à la somme des pressions partielles des gaz qui le composent.
Autrement dit dans l’air :
Pabs = Pression partielle NPabs = Pression partielle N22 + Pression partielle O + Pression partielle O22
La pression partielle d'un gaz dans un mélange est égale au pourcentage de ce gaz dans le mélange multiplié par la pression absolue :
Pression Partielle = PPression Partielle = Pabsolueabsolue x Pourcentage Gaz x Pourcentage Gaz
A la surface : Pp O2 = 1 x 0,2 = 0,2
A 20 m : Pp O2 = 3 x 0,2 = 0,6
Pp
P abs %
Les pressions partielles: applications
En effet la tolérance de l'organisme à divers gaz varie selon la nature des gaz et la pression à laquelle ils sont respirés.
Ainsi à l’air : L’oxygène est toxique au-delà de 70m L’azote est toxique au-delà de 30m (narcose) Le CO2 est toxique en trop grande quantité (essoufflement)
En conséquence la loi de Dalton est utilisée pour calculer la profondeur limite de plongée à l'air, la mise au point des tables de plongée et la préparation des plongée aux mélanges (Nitrox, Trimix...).
C’est bientôt fini
La dissolution de l’air
Lorsqu'un gaz est mis en contact avec un liquide,
une partie de ce gaz se dissoutdissout dans le liquide.
Différents facteurs influencent le degré de cette
dissolution, en particulier la PressionPression et le TempsTemps.
Le corps humain étant composé à 70 % d'eau il s'effectue des échanges entre les mélanges gazeux
contenu dans les poumons et les tissus humains.
Le plongeur par la pression qu’il subit en immersion est directement affecté.
La dissolution de l’air
En plongée la valeur de dissolution de l'azote est déterminée en fonction de la variation de pression et du temps d’exposition dans
l'organisme.
ÉquilibreSaturation Sous Saturation Sursaturation
La dissolution de l’air
De nombreux facteurs influent sur la quantité de gaz absorbé par un liquide :
LA PRESSION
LA DUREE
LA TEMPERATURE
L’AGITATION DU GAZ ET LIQUIDE
LA SURFACE DE CONTACT
LA SOLUBILITE DU GAZ
LA NATURE DU LIQUIDE
Le plongeur immergé en profondeur
La dissolution n’est pas immédiate, agit donc sur le temps de plongée
La dissolution des gaz augmente quand la température diminue
Effort important en plongée augmente la dissolution des gaz
Les poumons du plongeurs
Dissolution de l'azote est différent suivant le tissu organique : muscle, graisse, os, ...
En plongée, Azote se dissout de manière importante
La dissolution de l’air
Ainsi quand le plongeur respecte la vitesse de vitesse de remontéeremontée adéquate et les paliers de décompressionpaliers de décompression, l'azote est évacué, l'organisme retrouve l'état de saturation et la remontée peut se faire en toute toute sécuritésécurité.
A l'inverse, en cas de remontée rapide ou de non respect des paliers, la sur-saturation sera trop importante et les bulles ne pourront pas être éliminée par les poumons. Ces bulles seront alors acheminées vers les différents organes et, comme la pression baisse, leur taille augmente. Ces bulles, en obstruant les vaisseaux sanguins sont alors à l'origine des accidents de décompressionaccidents de décompression.
La dissolution de l’air :applications
Conclusion
Un petit Quizz pour la semaine prochaine
Prochain cours : 9 décembre : Le Prochain cours : 9 décembre : Le matérielmatériel
