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La physique Les bases théoriques pour bien comprendre la plongée.

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1 La physique Les bases théoriques pour bien comprendre la plongée

2 Sotiris Vlachos IR RABA no 602 Ne jamais croire mais seulement comprendre Je nai jamais vu un texte de physique (de tout niveau !) sans aucun faute ! Il faut donc oublier toute notion de livre de référence ou de texte dexpert Trouver lerreur cest comprendre !

3 Sotiris Vlachos IR RABA no 603 La masse et le poids Un objet a Une masse: F = m * g Une propriété de la matière qui est lorigine de linertie (se mesure en kilos) Un poids: la force dattraction de la terre (se mesure en Nw) Aussi un poids apparent

4 Sotiris Vlachos IR RABA no 604 Quelle est la différence? 2 phénomènes – 2 formules – 2 moyens de mesure On mesure des Forces … donc exprimes en Newton (9.8Nw = 1 Kgf) (g =9.8 !) (Kgf = kilogramme-force pour simplicité: kilogramme!) Ex: un objet, un objet immergé avec un ballon dair, un bateau

5 Sotiris Vlachos IR RABA no 605 La DTH Appliquons ces principes a lexercice de la DTH Stabilisation avant de partir: A. plongeur lourd + air dans la stab B. plongeur leger sans air dans la stab CONCLUSION ?

6 Sotiris Vlachos IR RABA no 606 La pression Cest quoi? Une force sur une surface Merci mais quelle force ?????

7 Sotiris Vlachos IR RABA no 607 Pression hydrostatique La force est le poids de la colonne deau entre un objet et la surface La même définition pour la pression atmosphérique Mais la pression dans une bouteille de plongée?

8 Sotiris Vlachos IR RABA no 608 Exemple pour le tableau. Dans un fond de -20m on ferme un profondimètre dans une boite hermétique et solide mais aussi transparente. 1. Quelle est la pression dans la boite? 2. Quel profondeur montra-t-il? 3. Si on remonte la boite en surface quel profondeur montra-t-il?

9 Sotiris Vlachos IR RABA no 609 La DTH (bis) Faut-il créer des bulles daprès le « les bulles nous tirent vers le haut » ? A. un milieu a densité 0.9 B. une colonne a densité 0.9 (tableau….) (Demo: verre deau + corps immergé en équilibre + injection des bulles par le bas)

10 Sotiris Vlachos IR RABA no 6010 Attn : Lair en mouvement ! Page précédente : air statique En réalité lair monte vers la surface : Dynamique des fluides La bulle cèdera une partie de son impulsion au corps solide ! Et elle le fera remonter !! (le courant deau crée par les bulles participera également a cette remonté)

11 Sotiris Vlachos IR RABA no 6011 Archimede Lexplication … au tableau

12 Sotiris Vlachos IR RABA no 6012 Un bateau dans une piscine ! Vous vous trouvez dans un (petit) bateau au milieu dune (grande) piscine. Vous avez avec vous une pierre lourde. Vous jetez la pierre dans leau … et elle coule immédiatement au fond! Comment évolue le niveau deau de la piscine ?

13 Sotiris Vlachos IR RABA no 6013 …. Archimède ……………. La pierre dans le bateau: Le bateau flotte (!) => Poids = force(Archimède) => Vol. x dens. = Vol. deau x 1 => volume deau déplacé: volume de la pierre x sa densité La pierre au fond: elle déplace un volume deau égal à son volume SI densité > 1 : le niveau baisse !

14 Sotiris Vlachos IR RABA no 6014 La pression des gaz Les molécules du gaz sont en libre mouvement et frappent les parois de la bouteille avec une certaine force…. PV=nRT !!!!!!! Le modèle des gaz idéaux (!?): P1V1=P2V2 ~ la quantité de gaz (nombre des molécules!) reste invariable

15 Sotiris Vlachos IR RABA no 6015 La température En physique il y a seulement une unité de température: Le degré Kelvin !!!! X Celsius = Y Kelvin

16 Sotiris Vlachos IR RABA no 6016 La quantité de gaz PV = nRT, n = le nombre de molécules! => PV ~ quantité de gaz ! On peut donc définir une nouvelle unité pour cette quantité: Le litre*bar

17 Sotiris Vlachos IR RABA no 6017 La conservation de la masse On ne peut ni produire ni détruire de la masse (des molécules) La quantité de gaz reste alors invariable (même si on change la pression, la température ou le volume !) Les quantités de gaz peuvent alors être additionnées ou soustraites

18 Sotiris Vlachos IR RABA no lt a 4b ont 48lt.b de gaz ! Une bouteille de 12 lt a 4bar de pression contient léquivalent de 48lt.bar de gaz (Cest le calcul habituel quand on ramène le contenu dune bouteille a la pression de 1 bar) Tous les problèmes sont faciles si on travaille avec les quantités de gaz…….

19 Sotiris Vlachos IR RABA no 6019 Une molécule de gaz ne voie jamais les autres Ex. Lois de Dalton (citez-le svp!) Les limites de cette théorie se trouvent au delà de b pour des gaz standard en température ambiante. Au delà il faut prendre en compte les interactions entre molécules:

20 Sotiris Vlachos IR RABA no 6020 Lois de Van-der-Waals

21 Sotiris Vlachos IR RABA no 6021 Le neoprene (!!!) Le néoprène nest pas un gaz idéal ! P1*V1 = z*P2*V2 (si 1 en surface et z~0.5)

22 Sotiris Vlachos IR RABA no 6022 La combi en néoprène Un homme ~ 1.8 m2 7mm de néoprène Volume de la combi =1.8 *0.007 = m3 = (12.6/4=3.15, =9.45 lt de flot. Neg) En réalité ~ 12.6*1=0.5*4*V2 … V2= = 6.3 de flot. Neg)

23 Sotiris Vlachos IR RABA no 6023 Aussi une bulle nest pas un gaz idéal On ne peut pas en réalité appliquer PV=const. a une bulle dans un corps (surtout humain !) : Elle nest pas aussi compressible a cause de la résistance des parois (tension de surface). Le modèle RGBM prends en considération cet élément.

24 Sotiris Vlachos IR RABA no 6024 La pression partielle Une exercice dun livre standard pour faire un mélange nitrox Ou est le problème?

25 Sotiris Vlachos IR RABA no 6025 Un livre standard ! Une bouteille dair de 12lt a 140b se mets en equilibre avec une bouteille O2 de 12lt a 200b. Calculer le melange dans la bouteille dair: (12*140+12*200)/24 = 170 De 140 a 170 il manque 30b. 30*12=360 lt.b dO2 sont donc rajoutes. => O2 total *140*0.2=696 % O2 = 696/(12*170) = %

26 Sotiris Vlachos IR RABA no 6026 …Dalton Chaque gaz doit etre traite comme si il occupait seul tout le volume disponible … Nitrox 67/33 ! (faites le calcul)

27 Sotiris Vlachos IR RABA no 6027 Les limites du PV=nRT Description dun (mélange de) gaz en EQUILIBRE

28 Sotiris Vlachos IR RABA no 6028 Et pour y arriver? Diffusion de gaz dun compartiment a lautre Lois de Fick : La vitesse de diffusion est proportionnelle a la différence de pression et la surface de linterface mais inversement proportionnelle au longueur de cet interface Formule et Exemple….

29 Sotiris Vlachos IR RABA no 6029 Un mélange Nitrox Dp pour lO2 ~ 190b Dp pour lN2 ~ 40b et Donc lOxygène de diffuse 5 fois plus vite!

30 Sotiris Vlachos IR RABA no 6030 La diffusion des différents gaz Lois de Graham: v1/v2 = sqrt(m2/m1) v = vitesse de diffusion m = mass atomique….

31 Sotiris Vlachos IR RABA no 6031 He vs N2 He m=2 N2 m=28 Le quel se diffuse plus vite? Et donc si on respire le quel il faut faire plus de paliers….?

32 Sotiris Vlachos IR RABA no 6032 Les autres pressions Pression relative (par rapport a quoi?, la pression en surface) Pression absolue (la pression totale sur un objet) Pression lue manomètre ! (Pabs-1=Prel au niveau de la mer!)

33 Sotiris Vlachos IR RABA no 6033 Et pour les calculs Les lois physiques sen servent de la Pabs. Dans les cas déquilibrage des bouteilles on peut sen servir de la Prel (voir tableau): (P1+1)V1 + (P2+1)V2 = (P3+1)V3 V1+V2=V3 => P1V1 +P2V2 = P3V3

34 Sotiris Vlachos IR RABA no 6034 Air disponible Noubliez pas que au fond pas tout lair contenu dans la bouteille nest disponible: Si la pression dans la bouteille est < Pabs on ne peut plus respirer!

35 Sotiris Vlachos IR RABA no 6035 La pression dans un détendeur Noublier pas la moyenne pression (=10b + Pamb) Clapet amont vs clapet aval !!

36 Sotiris Vlachos IR RABA no 6036 Le problème xxxx Dans un lac de montagne au-dessus duquel la pression atmosphérique est 608mmHg on effectue une plongée une bouteille gonflée a 165 bars. Quelle est la pression lue au manomètre a la profondeur de 42 mètres? !

37 Sotiris Vlachos IR RABA no 6037 La composition de lair La réalité: Azote 78.03% Oxygène 20.95% Argon 0.93% (propriétés similaires a lAzote vis-à-vis sa dissolution dans leau et lhuile) Approximation #1 Azote 79%, Oxygène 21% Approximation #2 Azote 80%, Oxygène 20% CO2 0.03%

38 Sotiris Vlachos IR RABA no 6038 Lois dHenry « A température donnée, la quantité de gaz dissous a saturation dans un liquide est proportionnelle a la pression du gaz au- dessus de ce liquide » Ou Pourquoi être obese en plongée ! Cest FAUX !!!!!!!

39 Sotiris Vlachos IR RABA no 6039 Lois dHenry (bis) « A température donnée, la CONCENTRATION de gaz dissous a saturation dans un liquide est proportionnelle a la pression du gaz au-dessus de ce liquide » Q/V = a*P => Q/a = PV

40 Sotiris Vlachos IR RABA no 6040 La tension dun gaz Q/a = Tension dun gaz dans un liquide définition conventionnelle, commode pour pouvoir dire que: En équilibre T = P La tension en soi nest pas observable…. (mais seulement la concentration des molécules du gaz dans le liquide)

41 Sotiris Vlachos IR RABA no 6041 Coefficient de saturation et formation des bulles Cs = T_p(N2)/P_p(N2) Cs sous-saturation Cs = 1 => saturation Cs > 1 => sursaturation Formation des bulles: sursaturation critique si T_p(N2)/Pabs > Sc dun compartiment….

42 Sotiris Vlachos IR RABA no 6042 La décompression selon Haldane Compromis entre Diminution au max de la P_p(N2) pour accélérer la desaturation Tf = T0+(Tf-T0)(1-0.5**(t/T)) Diminution au min de la Pabs pour ne pas favoriser la formation des bulles.

43 Sotiris Vlachos IR RABA no 6043 Le calcul de decompression MN90 MN90 5, 7, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 120 (Tn = Tn-1 * sqrt(2)) Périodes et courbe hors accidents => Sc (pour chaque comp. Calculer la PpN2 pour chaque point sur la curbe; Sc=max(Pp))… voir tableau… Les compartiments courts ont un Sc plus élevé, les gaz sont moins solubles dans celles-ci (donc ils se saturent vite avec peu de molécules de gaz ….)

44 Sotiris Vlachos IR RABA no 6044 RGBM

45 Sotiris Vlachos IR RABA no 6045 Loptique La forme dun objet vu dans leau a travers un masque….. (ex. pour le tableau !) Démo: un poisson dans un aquarium carré …

46 Sotiris Vlachos IR RABA no 6046 Un laser à travers un verre deau Que attendez vous voir? Démonstration Vue de coté : Réfraction (lois de snell)

47 Sotiris Vlachos IR RABA no 6047 Une paille dans un verre deau Que attendez vous voir? Démonstration (Phys. Ed. 3/2006, p ): Vue de coté : une ligne droite ! la lumière transverse linterface eau-air +- à la perpendiculaire (face avant du verre carre) Vue de haut : paille déformé vers la surface de leau réfraction de la lumière de la paille immergé !

48 Sotiris Vlachos IR RABA no 6048 Et le laser ? Vu du haut: Une ligne droite !!!! Réfraction de la « ligne laser » = - Réfraction de la lumière depuis le laser vers lœil !

49 Sotiris Vlachos IR RABA no 6049 Les sons Le son est une onde donc on a des phénomènes de propagation, diffraction et réflexion +- comme pour la lumière La sonde ultra-sons : Formation decho a cause de la réflexion des sons sur le fond ou les objets immergées Leffet doppler : Détection des autres fréquences générées par des objets en mouvement

50 Sotiris Vlachos IR RABA no 6050 La perte dénergie thermique en plongée Conduction Convection Rayonnement Respiration dair froid (25%) Evaporation deau dans les poumons (15%) Contact avec le milieu des parties très irrigues (tête !) (40%)

51 Sotiris Vlachos IR RABA no 6051 La Démonstration (!!!!!) Mise en évidence: On sen sert dune éprouvette graduée dans la quelle coulisse un piston. On place un manomètre gradue en pression absolue. La température est maintenue constante. La pression augmente a mesure que le volume diminue. Le produit de la pression par l e volume reste lui constant. Lois de Boyle-Mariotte: A température constante, le volume dune masse gazeuse est inversement proportionnel a la pression quelle subit. !!!!!!!!


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