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Plongée sous marine cours de physique Niveau 2 Hippocampe Club : 13 01 2010.

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2 Plongée sous marine cours de physique Niveau 2 Hippocampe Club :

3 Quatre « lois » physiques : Archimède (flottabilité) rappel sur la pression Mariotte (compressibilité des gaz) Henry (dissolution des gaz) Dalton (pression des mélanges) elles sont présentées de par leurs applications directes à la plongée

4 Principe dArchimède La flottabilité

5 Principe dArchimède Tout corps plongé dans un fluide reçoit, de la part de celui-ci, une poussée verticale, dirigée du bas vers le haut, égale à la masse du volume de fluide déplacé. Notion de poids apparent Poids apparent = Poids réel – Poussée dArchimède (Papp = Pre – Parchi) P app < 0 lobjet flotte P app = 0 lobjet reste en équilibre dans leau P app > 0 lobjet coule

6 Notion de flottabilité Un objet plongé dans leau peut : Soit flotter (flottabilité positive) Soit rester en équilibre (flottabilité neutre) Soit couler (flottabilité négative) Ceci est dû au principe dArchimède

7 Notion de flottabilité Un objet plongé dans leau peut : Soit flotter (flottabilité positive) Papp < 0 lobjet flotte Cas du baigneur avec sa bouée

8 Notion de flottabilité Un objet plongé dans leau peut : Soit rester en équilibre (flottabilité neutre) Papp = 0 lobjet reste en équilibre dans leau Plongeur équilibré

9 Notion de flottabilité Un objet plongé dans leau peut : Soit couler (flottabilité négative) Papp > 0 lobjet coule Plongeur vidant son gilet ou ses poumons (poumon ballast)

10 Application à la plongée LEST En plus de son équipement classique (palmes, masque, tuba) le plongeur porte sur lui: Une combinaison de plongée Un gilet de sécurité Une bouteille Équipé de la sorte, le plongeur flotte, le poids apparent de la combinaison, du gilet de sécurité et de la bouteille est négatif. Le plongeur devra prendre une ceinture du plomb avec lui pour pouvoir descendre, et être en flottabilité nulle en fin de plongée POUMON BALLAST GILET STABILISATEUR PARACHUTE (de palier, de relevage)

11 Exercice : Un plongeur équipé a un volume de 100 litres et une masse de 100 kg. quel est son poids apparent dans leau douce (mv = 1 kg/l) et dans leau de mer (mv = 1,03 kg/l). Coule - t - il ou flotte - t - il ? Eau douce : Poussée dArchimède =100 litres x 1 kg/l = 100 kg Poids apparent = Poids réel – poussée dArchimède Poids apparent = 100 kg – 100 kg = 0 kg(flottabilité neutre) Eau de mer : Poussée dArchimède = 100 litres x 1,03 kg/l = 103 kg Poids apparent = Poids réel – poussée dArchimède Poids apparent = 100 kg – 103 kg = - 3 kg(flottabilité positive) On lui rajoute une ceinture de 4 kg de plomb : - 3 kg + 4 kg = + 1 kg (flottabilité négative)

12 La Pression et les Volumes lors de la plongée

13 Rappel sur la Pression La pression est une force exercée sur une surface Lunité couramment employée est le bar (b) Le bar correspond environ à une force exercée par une masse de 1 kg sur une surface de 1 cm2 La pression atmosphérique, due au poids de l air, est d environ 1 bar au niveau de la mer La pression relative, due au poids de l eau, varie de 1 bar tous les 10 m Pression absolue = Pression atmosphérique + Pression relative

14 La pression atmosphérique La terre est entourée dune couche dair. Le poids de cet air exerce une pression sur tous les corps. Plus nous montons en altitude, plus la couche dair est faible et plus la pression diminue. Cest la pression atmosphérique. Au niveau de la mer, la pression atmosphérique est sensiblement de 1 bar, à 2000 m daltitude elle est de 0,8 bar. La pression relative Un corps plongé dans leau subit une pression égale au poids de la colonne deau située au dessus de lui. Cette pression varie donc avec la profondeur. Cest la pression relative. Elle augmente de 1 bar tous les 10 m. La pression absolue La somme de la pression atmosphérique en un lieu et de la pression relative est la pression absolue. Cest la pression qui sexerce sur tout corps immergé dans leau.

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16 Les effets de la pression sur les gaz

17 Mariotte effet de la pression sur les gaz Les gaz sont compressibles : exemple : une pompe à vélo Lorsque la pression augmente, le volume du gaz enfermé dans un récipient souple diminue Lêtre humain respire de lair, le plongeur va évoluer dans un milieu où la pression évolue, les volumes dair respiré vont varier

18 Loi de Mariotte A température constante, le volume dun gaz est inversement proportionnel à la pression quil subit. Pression x Volume = Constante Lors dune variation : P1 x V1 = P2 x V2 = Pn x Vn = Cte

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21 Applications à la plongée Le relevage de charges La consommation dair lors de limmersion La variation de la pression absolue et la compressibilité des gaz sont à lorigine des accidents que lon appelle accidents mécaniques ou barotraumatiques. Tous ces accidents peuvent être graves mais il très facile de les éviter. Pour cela il suffit de: bien comprendre et connaître leur prévention Thème du cours du 20 février

22 Exercice : Une amphore a un poids de 35 kg, un volume de 5 l, elle est sur un fond de 20 m Quel est son poids apparent, On la relève avec un parachute de 30 l dans le quel on introduit 20 l dair au fond que se passe-t-il au fond ? À partir de quelle profondeur lamphore associée au parachute aura un poids apparent nul ? Poids apparent = poids - poussée dArchimède P app = 35 – 5 = 30 kg Au fond la poussée du parachute est de20 kg le poids apparent de 30 kg, lensemble représente un poids apparent de 10 kg Au fond P1 V1 = 3 * 20 = 60 Si le poids apparent est nul cela veut dire que V2 = 30 l P1 V1 = P2 V2 > 60 = 30 * P 2 >> P 2 = 60/30 = 2 bar La profondeur où se situe léquilibre est de 10 m

23 La consommation en immersion Lêtre humain consomme environ 20 litres dair par minute. Le plongeur garde pendant la plongée un rythme respiratoire voisin : même nombre de cycle inspiratoire par minute (7 à 10) Pendant la plongée la consommation dair dépendra de la profondeur

24 Exercice : Un plongeur consomme 20 litres d air par minute en surface. Il utilise un bloc de 12 litres gonflé à 200 bars. 1 - De quel quantité dair dispose-t-il ? 2 - En conservant une réserve de sécurité de 50 bars, quelle est son autonomie en air à 20 m ? 1 - P x V = 12 x 200 = 2400 litres d air 2 - On enlève 50 b de réserve. Il reste : = 150 bars Il reste donc : 12 x 150 = 1800 litres d air A 20 m la pression P = 3 b. Sa consommation sera de 20 x 3 = 60 litres d air Son autonomie sera de 1800 / 60 = 30 minutes

25 Loi de HENRY A température donnée, la quantité de gaz dissous, à saturation, dans un liquide est proportionnelle à la pression du gaz au-dessus de ce liquide. Loxygène est consommé par lorganisme Mais lazote se dissout à saturation selon la loi de Henry Attention :

26 Dissolution des gaz loi de Henry Les gaz se dissolvent dans les liquides : La quantité de gaz dissoute dépend de la pression (partielle) de ce gaz au niveau de la surface déchange La dissolution nest pas instantanée, un certain temps est nécessaire pour laisser pénétrer le gaz (ou le laisser échapper) avant datteindre léquilibre : la saturation Lêtre humain respire de lair (azote, oxygène), le poumon est une surface déchange entre lair et le sang, le sang véhicule les gaz dans lensemble de lorganisme. Le plongeur va évoluer dans un milieu où la pression varie, les quantités de gaz dissoutes vont varier

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28 Applications à la plongée La vitesse de remontée Les paliers de décompression Laccident de décompression La dissolution des gaz est à lorigine des accidents que lon appelle accidents de décompression. Tous ces accidents peuvent être graves mais il très facile de les éviter. Pour cela il suffit de: bien comprendre et connaître leur prévention Thème du cours du 27 février

29 Loi de Dalton A température donnée, la pression dun mélange gazeux est égale à la somme des pressions quaurait chacun des gaz sil occupait seul le volume total. A température donnée : P absolue dun mélange = somme des P partielles de chaque composant P partielle dun gaz = P absolue x % du gaz dans le mélange

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31 Exercice : Sachant que lair contient approximativement 20 % doxygène et 80 % dazote, calculez la pression partielle de ces gaz à la pression absolue de 5 bars. Pp oxygène = 5 x 0,2 = 1 bar Pp azote = 5 x 0,8 = 4 bars * ( On retrouve : = 5 bars de pression absolue )

32 Exercice : Lair devient toxique si on le respire à une pression partielle en oxygène égale à 2 bars (destruction des poumons). A quelle profondeur cette pression correspond - t - elle ? P partielle dun gaz = P absolue x % du gaz dans le mélange Soit : P absolue = P partielle doxygène / % doxygène P absolue = 2 / 0,2 = 10 bars Soit 90 m * Rappel : Interdiction de faire une plongée sportive > 60 mètres

33 Résumé Quatre lois physiques Archimède (flottabilité) Mariotte (compressibilité des gaz) Henry (dissolution des gaz) Dalton (pression partielle) Des applications lors de la plongée sous-marine Uniquement de la prévention à mettre en œuvre

34 Questions ?


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