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Physique appliquée à la Plongée Pressions Les variations de volumes La consommation dair La flottabilité La Vision LAcoustique La composition de lair La.

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Présentation au sujet: "Physique appliquée à la Plongée Pressions Les variations de volumes La consommation dair La flottabilité La Vision LAcoustique La composition de lair La."— Transcription de la présentation:

1 Physique appliquée à la Plongée Pressions Les variations de volumes La consommation dair La flottabilité La Vision LAcoustique La composition de lair La dissolution de lair

2 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

3 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 m 3 = 1 L. Pression relative = Pression exercée par la colonne d'eau Pression absolue = Pression relative + Pression atmosphérique PRESSION ATMOSPHERIQUE PRESSION RELATIVE OU HYDROSTATIQUE PRESSION ABSOLUE

4 surface - 10 m -20 m - 30 m 2000 m 0.8 b 1 b Pression 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

5 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).

6 Les variations de volume La loi de Boyle Mariotte peut sécrire 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 Cest à dire :

7 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.

8 Les variations de volume : application Nous plongeons avec un Bloc de 12L court à 200 bars : Combien cela ferait-il de volume dair 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 dair dans un 12L long ? non Y a-t-il plus dair dans un 15L gonflé à 160 bars ?

9 La consommation dair 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. deux fois A 10 mètres de profondeur, l'air est deux 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. homme essoufflé consomme 80 à 100 L par minute Un homme essoufflé consomme 80 à 100 L par minute 4 à 5 fois plus Faites le calcul…

10 La consommation dair : 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.

11 La consommation dair : applications D'autres paramètres influent sur la consommation d'air du plongeur, et donc sur son autonomie : Le niveau de stress Le niveau de stress, généré par exemple par des conditions de plongée difficiles (faible visibilité, courant, luminosité). Le froid Le froid. L'équipement L'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 physique L'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 physiologique Le facteur physiologique : chaque individu à une consommation "de base" qui lui est propre (différence entre homme et femme).

12 La réserve Il convient de calculer son autonomie en tenant compte de la marge de sécurité. réserve Tout plongeur doit amorcer sa remontée en ayant conservé 50 bars dans sa bouteille : c'est ce qu'on appelle communément la réserve. 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.

13 La flottabilité Pourquoi le plongeur N2 doit-il sintéresser à la poussée dArchimède? contrôler La pratique de lautonomie impose de contrôler 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 remontée

14 La flottabilité Lorsquun plongeur s'immerge, cela met en jeu 2 forces qui s'opposent : le poids réel le poids réel, qui a tendance à le faire couler, la poussée d'Archimède la poussée de l'eau, aussi appelée la poussée d'Archimède. poids apparent Il en résulte un poids apparent. POIDS REEL Profondeur POUSSEE ARCHIMEDE

15 La poussée dArchimède 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'Archimède POUSSEE ARCHIMEDE Volume fluide (eau) = 80L = 80kg = 75kg POIDS REEL

16 La poussée dArchimède En plongée, 3 situations : Poids Apparent négatif POUSSEE ARCHIMEDE POIDS REEL P REEL < PA On monte Poids Apparent positif POUSSEE ARCHIMEDE POIDS REEL P REEL > PA On coule Poids Apparent = 0 POUSSEE ARCHIMEDE POIDS REEL P REEL = PA On séquilibre

17 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 léquilibre Il coule Il remonte Il est à léquilibre Il coule 15 Litres dair à 200 bars pèsent 4 kg en surface. Quel est le poids apparent du bloc plein ? 7 kg - 1 kg 4 kg

18 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. oAinsi 1 litre d'eau douce pèse 1 kg, o1 litre d'eau de mer Atlantique environ kg o1 litre d'eau de mer à forte salinité (Mer Rouge) kg. o1 litre d'eau de mer à très forte salinité (Mer Morte) kg.

19 La vision La vision sous marine subit des modifications liées à la différence dindice de réfraction entre lair contenu dans le masque et leau, ainsi que par labsorption sélective de la lumière et la diffusion due aux particules de leau grossissement (dun facteur 4/3 ) rapprochement (facteur ¾)

20 Labsorption est due à leau. Lintensité lumineuse diminue et les couleurs disparaissent au fûr et à mesure de la profondeur. La vision

21 Lacoustique La vitesse de propagation dun son dépend de la densité du milieu : lair330 m/s –Dans lair environ 330 m/s leau1500 m/s –Dans leau environ 1500 m/s –Dans leau 4,5 fois plus rapide que dans lair Conséquences : – La localisation des sons dans leau impossible. – Tour dhorizon

22 Composition de lair 78 % dazote N 2 21 % doxygène O 2 1 % dautres gaz (Argon, Krypton, CO 2, CO…) Pour des raisons de commodités on "simplifie" souvent en disant que l'air se compose de : - 80 % d'azote - 20 % d'oxygène

23 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 lair : Pabs = Pression partielle N 2 + Pression partielle O 2 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 = P absolue x Pourcentage Gaz A la surface : Pp O 2 = 1 x 0,2 = 0,2 A 20 m : Pp O 2 = 3 x 0,2 = 0,6 Pp P abs %

24 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 lair : Loxygène est toxique au-delà de 70m Lazote est toxique au-delà de 30m (narcose) Le CO 2 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...).

25 Cest bientôt fini La dissolution de lair

26 dissout Lorsqu'un gaz est mis en contact avec un liquide, une partie de ce gaz se dissout dans le liquide. PressionTemps Différents facteurs influencent le degré de cette dissolution, en particulier la Pression et le Temps. 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 quil subit en immersion est directement affecté. La dissolution de lair

27 En plongée la valeur de dissolution de l'azote est déterminée en fonction de la variation de pression et du temps dexposition dans l'organisme. Équilibre Saturation Sous SaturationSursaturation La dissolution de lair

28 De nombreux facteurs influent sur la quantité de gaz absorbé par un liquide : LA PRESSION LA DUREE LA TEMPERATURE LAGITATION DU GAZ ET LIQUIDE LA SURFACE DE CONTACT LA SOLUBILITE DU GAZ LA NATURE DU LIQUIDE Le plongeur immergé en profondeur La dissolution nest 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 lair

29 vitesse de remontée paliers de décompression toute sécurité Ainsi quand le plongeur respecte la vitesse de remontée adéquate et les paliers de décompression, l'azote est évacué, l'organisme retrouve l'état de saturation et la remontée peut se faire en toute sécurité. accidents de décompression 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 décompression. La dissolution de lair : applications

30 Conclusion Un petit Quizz pour la semaine prochaine Prochain cours : 9 décembre : Le matériel


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