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Physique ( Niveau 2 ) Jean-Luc Largeau

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Présentation au sujet: "Physique ( Niveau 2 ) Jean-Luc Largeau"— Transcription de la présentation:

1 Physique ( Niveau 2 ) Jean-Luc Largeau

2 JL Largeau 02/ Introduction Plusieurs lois de la physique trouvent leur champ dapplication dans le milieu aquatique. La compréhension de ces lois permet de mieux expliquer le fonctionnement et lutilisation du matériel en immersion ainsi que de mieux dappréhender les accidents de plongée et leur prévention.

3 JL Largeau 02/ Plan du cours 1/3 Acoustique La vitesse du son Provenance du son Quelques rappels Définitions La pression Optique La lumière et les couleurs Le masque Distances & volumes

4 JL Largeau 02/ Plan du cours 2/3 Archimède Le principe Flottabilité et lestage Eau de mer / eau douce Loi de Mariotte Le principe La consommation dair

5 JL Largeau 02/ Plan du cours 3/3 Loi de Dalton Le principe, la pression partielle Toxicité de lO2 et profondeur limite Saturation / Désaturation Le principe

6 JL Largeau 02/ Quelques rappels : Définitions La masse : Quantité de matière dun objet Elle se mesure en Kg m = 1 Kg Une force : Une force est une action mécanique capable de créer une accélération, c'est à dire une modification de la vitesse d'un objet induisant un déplacement ou une déformation de l'objet. Elle se mesure en Newton (N)

7 JL Largeau 02/ Quelques rappels : Définitions (2/3) La gravité ( g ) : Attraction exercée par toutes les particules d'un astre. Parfois appelée pesanteur. La gravité est une force. A paris lattraction terrestre est égale à : g = 9,81 N/Kg

8 JL Largeau 02/ Quelques rappels : Définitions (3/3) Le poids : Le poids dun corps est le résultat du produit de la gravité et de la masse de ce dernier. Le poids se mesure en Newton (N). m = 2Kg P = 2 x 9,81 = 19,62 N P = m x g

9 JL Largeau 02/ La Pression PRESSION FORCE SURFACE = Atmosphère ( Atm ) mm Mercure (mmHg) Pascal ( P ) Hectopascal ( Hp ) Bar ( b ) MiliBar ( mb ) ,251, ,25

10 JL Largeau 02/ La Pression Pression Atmosphérique 760 mmHg = 1 Atm Poids de lair Pression atmosphérique est égale à 760 mmHg ou 1 Atm ou 1,013 Bar au niveau de la mer. Mercure (Hg) Vide

11 JL Largeau 02/ La Pression PRESSION FORCE SURFACE = cm 2 10m Colonne deau Pression = 1 bar Pression hydrostatique

12 JL Largeau 02/ La Pression Pression absolue P absolue = P Hydrostatique + P atmosphérique À 0m P abs = = 1 bar À 25m P abs = 2,5 + 1 = 3,5 bar À 20m P abs = = 3 bar À 10m P abs = = 2 bar

13 JL Largeau 02/ La Pression Résumé PRESSION FORCE SURFACE = P absolue = Profondeur / 10 + P atmosphérique Pression atmosphérique est égale à 760 mmHg ou 1 Atm ou 1,013 Bar au niveau de la mer. En Bar

14 JL Largeau 02/ Optique Dans leau notre œil nest plus capable de faire la mise au point. Le masque permet de compenser cet effet doptique. Cependant, les rayons lumineux subissent une déviation à leur arrivée dans le masque induisant une déformation des volumes et des distances.

15 JL Largeau 02/ Optique d réelle d x 3/4 V x 4/3 V réel

16 JL Largeau 02/ Optique Les rayons lumineux sont en partie réfléchis par la surface et atténués par la profondeur. Les couleurs sont filtrées au fur et à mesure que la profondeur augmente

17 JL Largeau 02/ Optique Au contact de la surface les rayons sont en partie réfléchis… … puis déviés, atténués et filtrés par leau.

18 JL Largeau 02/ Optique 10m 20m 30m 40m 50m 60m 0m Avec la profondeur, les couleurs disparaissent petit à petit. Les couleurs chaudes disparaissent rapidement.

19 JL Largeau 02/ Optique Les volumes augmentent des 4/3 Résumé On perçoit seulement 3/4 des distances La lumière est réfléchie et atténuée Les couleurs sont filtrées

20 JL Largeau 02/ Acoustique Sous leau la vitesse du son est plus rapide que dans lair. Il est difficile de déterminer lorigine dun son.

21 JL Largeau 02/ Acoustique Sous leau la vitesse du son est multipliée par 4,5

22 JL Largeau 02/ Acoustique Le son semble être à la verticale du plongeur

23 JL Largeau 02/ Acoustique Résumé Le son se déplace dans leau 4,5 fois plus vite que dans lair Lorigine dun son est difficile à déterminer sous leau, il semble provenir de la verticale

24 JL Largeau 02/ Archimède et la flottabilité En immersion, le plongeur et tout son équipement subissent une force verticale dirigée de bas en haut égale au poids en eau du volume de lensemble ainsi constitué. Plus lensemble sera volumineux, plus la poussée dArchimède sera importante. La flottabilité (poids apparent) et le lestage du plongeur vont dépendre de limportance de cette poussée et donc du volume déplacé.

25 JL Largeau 02/ Archimède et la flottabilité 12 Kg Bloc de 12 l / 14,5 kg 14,5 kg 2,5 kg 12 l Immergé, le bloc ne pèse plus que 2,5 kg Eau

26 JL Largeau 02/ Archimède et la flottabilité V = 4 l Parchi = 4 kg Un ballon immergé de 4 l subit une poussée dArchimède égale au poids de son volume en eau soit 4 kg

27 JL Largeau 02/ Archimède et la flottabilité P PArchi P : Poids réel du plongeur et de son équipement Parchi : égale au poids du volume deau déplacé par le plongeur et son équipement Poids apparent = Poids réel - Parchi P > ParchiPoid app > 0Coule P = ParchiPoid app = 0stabilisé P < ParchiPoid app < 0Flotte

28 JL Largeau 02/ Archimède et la flottabilité P PArch Lors de son immersion, un plongeur va purger son gilet et vider ses poumons réduisant ainsi son volume et par conséquent son poids apparent Le lestage va venir sajouter afin daugmenter le poids réel.

29 JL Largeau 02/ Archimède et la flottabilité Le changement dépaisseur de la combinaison va faire varier le volume, il faudra donc corriger son lestage en conséquence. Attention : Le volume du parachute une fois gonflé va augmenter la poussée dArchimède. Plus leau est salée, plus le poids apparent est faible, adaptez votre lestage.

30 JL Largeau 02/ Archimède et la flottabilité Au fond, la pression comprime lair du gilet et écrase la combinaison diminuant ainsi leur volume et par conséquent la poussée dArchimède résultante. Notre poids apparent est donc plus important au fond et notre lestage y est donc surdimensionné voire superflu ce qui explique la nécessité de séquilibrer à nouveau dès que lon descend.

31 JL Largeau 02/ Archimède et la flottabilité Résumé Poids apparent = Poids réel – P. Archimède Poids apparent > 0 Je coule ! Poids apparent < 0 Je flotte ! Poids apparent = 0 Je suis équilibré !

32 JL Largeau 02/ Exercice 1 Mon phare de plongée mesure 30cm. Quelle taille semblera t-il faire sous leau ? 30cm x 4 / 3 = 120 / 3 = 40cm

33 JL Largeau 02/ Exercice 2 Sous leau, japerçois un requin pèlerin qui me semble mesurer 4m. Quelle est sa taille réelle ? 4m x 3 / 4 = 12 / 4 = 3m

34 JL Largeau 02/ Exercice 3 Je rejoins le mouillage que japerçois à 6 m de moi. Quelle est la distance réelle ? 6 m x 4 / 3 = 24 / 3 = 8 m

35 JL Largeau 02/ Exercice 4 Mon parachute à un bout de 12 m de long à lextrémité duquel est accroché un petit plomb. Si je regarde mon plomb sous leau une fois le bout déroulé, combien de mètres me séparant de ce dernier vais-je percevoir ? 12m x 3 / 4 = 36 / 4 = 9 m

36 JL Largeau 02/ Exercice 5 Un plongeur tout équipé à un poids réel de 95kg pour un volume total de 100 litres. Quel sera son poids apparent ? Comment sera sa flottabilité ? P réel = 95 Kg Parch = 100 kg Poids apparent = 95 – 100 = -5 kg Poids apparent < 0 donc il flotte

37 JL Largeau 02/ Exercice 6 On largue un bloc de secours dun poids réel de 14,5 kg dont le volume extérieur est de 13,5 l. On accroche ce bloc à un bout avec une bouée à lautre extrémité. Quel doit être le volume minimum de la bouée si lon veut que lensemble ne coule pas au fond ? On souhaite donc avoir: Poids apparent Bloc < 0 P app = 14,5 – 13,5 = 1kg La bouée doit donc avoir un volume > 1l

38 JL Largeau 02/ Exercice 7 Lors dune plongée en carrière une palanquée entend une explosion consécutive à un tir de mine dans une autre carrière distante de quelques kilomètres. Les plongeurs ont entendu lexplosion 2 secondes après le tir. La sécurité de surface a-t-elle entendu le tir avant les plongeurs ? Au bout de combien de seconde lont il entendu ? La sécurité de surface a-t-elle entendu le tir avant les plongeurs ? Au bout de combien de seconde lont il entendu ? Les plongeurs ont entendu le tir avant la surface La sécu surface à entendu le son : 4,5 * 2 = 9 secondes après le tir.

39 JL Largeau 02/ Mariotte Contrairement aux liquides, les gaz sont quant à eux compressibles. Contrairement aux liquides, les gaz sont quant à eux compressibles. En plongée, tous les volumes gazeux vont varier en fonction de la pression et par conséquent de la profondeur. En plongée, tous les volumes gazeux vont varier en fonction de la pression et par conséquent de la profondeur.

40 JL Largeau 02/ Mariotte V / 5 V / 4 V / 3 V / 2 Ba r V P x V = Cte P x 2 V / 2 P x 3 V / 3 P x 4 V / 4 P x 5 V / 5 P x n V / n P1xV1 = P2xV2

41 JL Largeau 02/ Mariotte 10m 20m 30m 40m 0m Pabs = 1b Vol = 12 l Pabs = 2b Vol = 6 l Pabs = 3b Vol = 4 l Pabs = 4b Vol = 3 l Pabs = 5b Vol = 2,4 l

42 JL Largeau 02/ Mariotte Résumé Le volume varie inversement de la pression qui lui est appliquée et par conséquent de la profondeur. Loi de Mariotte P1 x V1 = P2 x V2 = Constante Attention : De 0 à 10 m nous avons la plus grande variation des volumes ( 100 % )

43 JL Largeau 02/ Mariotte calcul dautonomie En surface, combien de litre dair contient un bloc de 12 l gonflé à 200 bar ? Appliquons la formule P1 x V1 = P2 x V2 200 b x 12 l = 1 b x V2 V2 = ( 200 x 12 ) / 1 V2 = 2400 l à 1 bar Pabs à 0m

44 JL Largeau 02/ Mariotte calcul dautonomie A 20 m, combien de litre dair contient un bloc de 12 l gonflé à 200 bar ? Appliquons la formule P1 x V1 = P2 x V2 200 b x 12 l = 3 b x V2 V2 = (200 x 12) / 3 V2 = 800 l à 3 bar Pabs à 20m

45 JL Largeau 02/ Mariotte calcul dautonomie A 40 m, combien de litre dair contient un bloc de 12 l gonflé à 200 bar ? Appliquons la formule P1 x V1 = P2 x V2 200 b x 12 l = 5 b x V2 V2 = 200 / 5 x 12 V2 = 480 l à 5 bar Pabs à 40m

46 JL Largeau 02/ Mariotte et calcul dautonomie Un plongeur consomme en moyenne 20 litres par minute. En surface avec un bloc de 12 l gonflé à 200 b notre plongeur a donc à sa disposition : 12 x 200 soit 2400 l. A 20 l/min il peut donc respirer sur son détendeur pendant une durée égale à : 2400 / 20 = 120 minutes

47 JL Largeau 02/ A 20 m quelle sera la quantité dair disponible avec un bloc de 12 l à 200 b ? P1 x V1 = P2 x V2 200 x 12 = 3 x V2 V2 = 200 x 12 / 3 = 800 l Mariotte et calcul dautonomie A 20 l/min il peut donc respirer sur son détendeur pendant une durée égale à : 800 / 20 = 40 minutes Pabs à 20m

48 JL Largeau 02/ A 40 m quelle sera la quantité dair disponible avec un bloc de 12 l à 200 b ? P1 x V1 = P2 x V2 200 x 12 = 5 x V2 V2 = 200 / 5 x 12 = 480 l Mariotte et calcul dautonomie A 20 l/min il peut donc respirer sur son détendeur pendant une durée égale à : 480 / 20 = 24 minutes Pabs à 40m

49 JL Largeau 02/ A 40 m quelle sera la quantité dair disponible avec un bloc de 12 l à 200 b et une réserve de 50 b ? P1 x V1 = P2 x V2 ( 200 – 50 ) x 12 = 5 x V2 V2 = 150 / 5 x 12 = 360 l Mariotte et calcul dautonomie A 20 l/min il peut donc respirer sur son détendeur pendant une durée égale à : 360 / 20 = 18 minutes Pabs à 40m

50 JL Largeau 02/ Mariotte et calcul dautonomie Résumé Autonomie = ( P. Bloc – Rés ) Consommation x Vol. Bloc x P.absolue Lautonomie en air diminue avec la profondeur.

51 JL Largeau 02/ Exercice 8 Un litre dair pèse environ 1,3 g Un bloc de 12 l à 200 b contient 12 x 200 soit 2400 l. Un bloc plein a donc 2400 x 1,3 = 3,12 Kg dair. Calculez le lestage manquant en fin de plongée lorsque le bloc ne contient plus que 50 b. En fin de de plongée il reste 50 x 12 = 600 l pour un poids de 600 x 1,3 g = 780 g 3,12 – 0,78 = 2,34 kg Il manque donc 2,34 kg pour compenser le poids de lair consommé.

52 JL Largeau 02/ Exercice 9 Une équipe archéologique souhaite remonter une caisse de porcelaine dune épave coulée sur un fond de 40 m. La caisse pèse 100 kg pour un volume de 80 l. Un plongeur met 18 l dair dans un parachute de levage pour laider à remonter la caisse. A partir de quelle profondeur le parachute sera-t-il assez gonflé pour remonter à lui seul la caisse ?

53 JL Largeau 02/ Exercice 9 Poids apparent de la caisse : 100 – 80 = 20 kg La pression absolue à 40 m est de 5 b Le parachute ne contient que 18 l, calculons la profondeur à laquelle il contiendra 20 l : P1 x V1 = P2 x V2 5 x 18 = P2 x 20 P2 = 90 / 20 = 4,5 b 4,5 b correspond à une profondeur de 35 m

54 JL Largeau 02/ Saturation/Désaturation La quantité dazote (N2) dissoute à saturation dans notre organisme est proportionnelle à la pression ambiante. La quantité dazote (N2) dissoute à saturation dans notre organisme est proportionnelle à la pression ambiante. Lorganisme du plongeur est saturé lorsque quil ne peut plus assimiler dAzote. Lorganisme du plongeur est saturé lorsque quil ne peut plus assimiler dAzote. Les gaz se déplacent toujours dune concentration forte vers une faible concentration. Les gaz se déplacent toujours dune concentration forte vers une faible concentration.

55 JL Largeau 02/ Saturation / Désaturation Contrairement à lO2 et au CO2, LAzote nest pas combiné lors des échanges gazeux, il se contente dêtre stocké par lorganisme Contrairement à lO2 et au CO2, LAzote nest pas combiné lors des échanges gazeux, il se contente dêtre stocké par lorganisme Au cours de la plongée, les tissus vont tendre à se saturer en azote proportionnellement à la pression ambiante. Au cours de la plongée, les tissus vont tendre à se saturer en azote proportionnellement à la pression ambiante.

56 JL Largeau 02/ Saturation / Désaturation Lors de la remontée, la pression diminuant, lorganisme va être sursaturé. Il va donc évacuer lazote en surplus. Lors de la remontée, la pression diminuant, lorganisme va être sursaturé. Il va donc évacuer lazote en surplus. La vitesse de remontée doit permettre lévacuation de lazote sans que la sursaturation natteigne un seuil critique pour le plongeur. La vitesse de remontée doit permettre lévacuation de lazote sans que la sursaturation natteigne un seuil critique pour le plongeur.

57 JL Largeau 02/ Saturation/Désaturation

58 JL Largeau 02/ Saturation / Désaturation

59 JL Largeau 02/ Dalton, pression partielle Lair est composé de : Lair est composé de : 79,00 % dazote (N2) 20,90 % doxygène (O2) 0,03 % de gaz carbonique (CO2) 0,07 % de gaz rares Par simplification des calculs, admettons : Par simplification des calculs, admettons : 80 % dazote (N2) 20 % doxygène (O2) Ces différents gaz auront une action sur lorganisme suivant la pression à laquelle ils sont respirés.

60 JL Largeau 02/ Dalton, pression partielle John DALTON (1766 – 1844) a formulé en 1801 la loi daddition des pressions partielles dans les mélanges gazeux Dalton a précisé quelques phénomènes observés dans la vie de tous les jours tels que : Dalton a précisé quelques phénomènes observés dans la vie de tous les jours tels que : La présence d'un gaz nocif dans l'air que l'on respire peut être soit inoffensif, soit provoquer des malaises, ou même être fatale. Tout dépend de la quantité de gaz qui s'y trouve. Le fait qu'il soit mélangé à un autre gaz n'empêche pas ses effets. Un gaz exerce sa propre action comme si il était seul

61 JL Largeau 02/ Dalton, pression partielle Lorsque vous laissez échapper une petite quantité de gaz de votre gazinière, l'odeur tend à envahir toutes les pièces. Mais plus le gaz se répand, et moins son odeur est sensible car il se dilue dans une quantité d'air de plus en plus grande Le gaz envahit tout l'espace qu'il lui est offert, mais plus l'espace est large, plus la concentration est faible Le gaz envahit tout l'espace qu'il lui est offert, mais plus l'espace est large, plus la concentration est faible

62 JL Largeau 02/ Dalton, pression partielle La pression na pas changée, elle est toujours de 1 bar, mais le mélange mesuré dans chaque récipient : 50% O2 et 50% N2 On en déduit : la pression de chaque gaz représente 50% de la pression totale On dit que : La pression partielle de O2 : 50% x 1 bar = 0,5b ou : PpO2 = 0.5b La pression partielle de N2 : 50% x 1 bar = 0,5b ou : PpN2 = 0.5b O2N2 1 litre à 1bar 1 litre à 1 bar Fermé O2N2 O2/N2 Ouvert O2/N2 1 litre à 1bar 1 litre à 1 bar

63 JL Largeau 02/ Dalton, pression partielle A température donnée, la pression dun mélange gazeux est égale à la somme des pressions quauraient chacun de ces gaz sils occupaient seuls le volume total. Pt = P1 + P2 + P3 +… La pression partielle dun gaz dans un mélange est obtenue par la formule : Pp gaz dun mélange = Pabs mélange x % du gaz dans le mélange. Pp = Pabs x ( X / 100 )

64 JL Largeau 02/ Dalton, pression partielle

65 JL Largeau 02/ Exercice 10 Dans notre vie de tous les jours : Lair respiré est à 1bar, il y a : (80% N2 et 20% O2) Calculez les pressions partielles. PpN2 = 1 x 0,80 = 0,80b Azote PpO2 = 1 x 0,20 = 0,20b Oxygène On vérifie bien : Pabs = (somme des Pp) 0, = 1b

66 JL Largeau 02/ Exercice 11 En plongée à 40m calcul des pressions partielles respirées pour un mélange dair comprimé : A 40m Pression Absolue = 5b PpN2 = 5 x 0,80 = 4,00b PpO2 = 5 x 0,20 = 1,00b On vérifie bien : Pabs = PpN2 + PpO2 4,00 + 1,00 = 5b

67 JL Largeau 02/ Exercice 11 Sachant que la Pp maxi admissible de lO2 est de 1,6b, calculer la profondeur maxi pour une plongée à lO2 pur. Pp O2 maxi = 1,6 b Mélange à 100% O2 Pabs x 100/100 = 1,6 Pabs = 1,6 b Pabs 1,6 à 6m (Limite de mélange O2 pur)

68 JL Largeau 02/ Exercice 11 Sachant que la Pp maxi admissible de lO2 est de 1,6 b, calculer la profondeur maxi pour une plongée à lair. Pp O2 maxi = 1,6 b Mélange à 20% O2 Pabs x 20/100 = 1,6 Pabs = 1,6 x 100/20 = 8 b On a une Pabs = 8b à 70m (Limite de lair)


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