Physique ( Niveau 2 ) Jean-Luc Largeau Jl.largeau@libertysurf.fr 2006

Introduction Plusieurs lois de la physique trouvent leur champ d’application dans le milieu aquatique. La compréhension de ces lois permet de mieux expliquer le fonctionnement et l’utilisation du matériel en immersion ainsi que de mieux d’appréhender les accidents de plongée et leur prévention. JL Largeau 02/2006

Plan du cours 1/3 Quelques rappels Optique Acoustique Définitions La pression Optique La lumière et les couleurs Le masque Distances & volumes Acoustique La vitesse du son Provenance du son JL Largeau 02/2006

Plan du cours 2/3 Archimède Loi de Mariotte Le principe Flottabilité et lestage Eau de mer / eau douce Loi de Mariotte Le principe La consommation d’air JL Largeau 02/2006

Plan du cours 3/3 Saturation / Désaturation Loi de Dalton Le principe Le principe, la pression partielle Toxicité de l’O2 et profondeur limite JL Largeau 02/2006

Quelques rappels : Définitions La masse : Quantité de matière d’un 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) F s JL Largeau 02/2006

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 l’attraction terrestre est égale à : g = 9,81 N/Kg JL Largeau 02/2006

Quelques rappels : Définitions (3/3) Le poids : Le poids d’un corps est le résultat du produit de la gravité et de la masse de ce dernier. Le poids se mesure en Newton (N). P = m x g m = 2Kg P = 2 x 9,81 = 19,62 N JL Largeau 02/2006

= F F La Pression FORCE PRESSION SURFACE Atmosphère ( Atm ) mm Mercure (mmHg) Pascal ( P ) Hectopascal ( Hp ) Bar ( b ) MiliBar ( mb ) 1 760 101 325 1013,25 1,01325 JL Largeau 02/2006

Pression Atmosphérique La Pression Pression Atmosphérique Vide Poids de l’air 760 mmHg = 1 Atm Pression atmosphérique est égale à 760 mmHg ou 1 Atm ou 1,013 Bar au niveau de la mer. Mercure (Hg) JL Largeau 02/2006

Pression hydrostatique La Pression Pression hydrostatique PRESSION FORCE SURFACE = Colonne d’eau . .. . . .. . . . .. . . 1cm2 10m Pression = 1 bar JL Largeau 02/2006

P absolue = P Hydrostatique + P atmosphérique La Pression Pression absolue P absolue = P Hydrostatique + P atmosphérique À 0m P abs = 0 + 1 = 1 bar À 10m P abs = 1 + 1 = 2 bar À 20m P abs = 2 + 1 = 3 bar À 25m P abs = 2,5 + 1 = 3,5 bar JL Largeau 02/2006

P absolue = Profondeur / 10 + P atmosphérique La Pression Résumé FORCE = PRESSION En Bar SURFACE Pression atmosphérique est égale à 760 mmHg ou 1 Atm ou 1,013 Bar au niveau de la mer. P absolue = Profondeur / 10 + P atmosphérique JL Largeau 02/2006

Optique Dans l’eau notre œil n’est plus capable de faire la mise au point. Le masque permet de compenser cet effet d’optique. Cependant, les rayons lumineux subissent une déviation à leur arrivée dans le masque induisant une déformation des volumes et des distances. JL Largeau 02/2006

Optique V x 4/3 V réel d x 3/4 d réelle JL Largeau 02/2006

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 JL Largeau 02/2006

Optique Au contact de la surface les rayons sont en partie réfléchis… … puis déviés, atténués et filtrés par l’eau. JL Largeau 02/2006

Les couleurs chaudes disparaissent rapidement. Optique Avec la profondeur, les couleurs disparaissent petit à petit. 0m 10m 20m 30m 40m 50m 60m Les couleurs chaudes disparaissent rapidement. JL Largeau 02/2006

Optique Les volumes augmentent des 4/3 Résumé Les volumes augmentent des 4/3 On perçoit seulement 3/4 des distances La lumière est réfléchie et atténuée Les couleurs sont filtrées JL Largeau 02/2006

Acoustique Sous l’eau la vitesse du son est plus rapide que dans l’air. Il est difficile de déterminer l’origine d’un son. JL Largeau 02/2006

Acoustique Sous l’eau la vitesse du son est multipliée par 4,5 JL Largeau 02/2006

Acoustique Le son semble être à la verticale du plongeur JL Largeau 02/2006

Acoustique Résumé Le son se déplace dans l’eau 4,5 fois plus vite que dans l’air L’origine d’un son est difficile à déterminer sous l’eau, il semble provenir de la verticale JL Largeau 02/2006

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 l’ensemble ainsi constitué. Plus l’ensemble sera volumineux, plus la poussée d’Archimède sera importante. La flottabilité (poids apparent) et le lestage du plongeur vont dépendre de l’importance de cette poussée et donc du volume déplacé. JL Largeau 02/2006

Archimède et la flottabilité 14,5 kg Immergé, le bloc ne pèse plus que 2,5 kg Bloc de 12 l / 14,5 kg 2,5 kg Eau 12 Kg 12 l JL Largeau 02/2006

Archimède et la flottabilité V = 4 l Un ballon immergé de 4 l subit une poussée d’Archimède égale au poids de son volume en eau soit 4 kg Parchi = 4 kg JL Largeau 02/2006

Archimède et la flottabilité P : Poids réel du plongeur et de son équipement Parchi : égale au poids du volume d’eau déplacé par le plongeur et son équipement P Poids apparent = Poids réel - Parchi P > Parchi Poid app > 0 Coule P = Parchi Poid app = 0 stabilisé P < Parchi Poid app < 0 Flotte PArchi JL Largeau 02/2006

Archimède et la flottabilité Lors de son immersion, un plongeur va purger son gilet et vider ses poumons réduisant ainsi son volume et par conséquent son poids apparent P Le lestage va venir s’ajouter afin d’augmenter le poids réel. PArch JL Largeau 02/2006

Archimède et la flottabilité Plus l’eau est salée, plus le poids apparent est faible, adaptez votre lestage. Attention : Le volume du parachute une fois gonflé va augmenter la poussée d’Archimède. Le changement d’épaisseur de la combinaison va faire varier le volume, il faudra donc corriger son lestage en conséquence. JL Largeau 02/2006

Archimède et la flottabilité Au fond, la pression comprime l’air du gilet et écrase la combinaison diminuant ainsi leur volume et par conséquent la poussée d’Archimède 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 s’équilibrer à nouveau dès que l’on descend. JL Largeau 02/2006

Archimède et la flottabilité Résumé Poids apparent = Poids réel – P. Archimède Poids apparent > 0 Je coule ! Poids apparent = 0 Je suis équilibré ! Poids apparent < 0 Je flotte ! JL Largeau 02/2006

Exercice 1 Mon phare de plongée mesure 30cm. Quelle taille semblera t-il faire sous l’eau ? 30cm x 4 / 3 = 120 / 3 = 40cm JL Largeau 02/2006

Exercice 2 Sous l’eau, j’aperçois un requin pèlerin qui me semble mesurer 4m. Quelle est sa taille réelle ? 4m x 3 / 4 = 12 / 4 = 3m JL Largeau 02/2006

Exercice 3 Je rejoins le mouillage que j’aperçois à 6 m de moi. Quelle est la distance réelle ? 6 m x 4 / 3 = 24 / 3 = 8 m JL Largeau 02/2006

Exercice 4 Mon parachute à un bout de 12 m de long à l’extrémité duquel est accroché un petit plomb. Si je regarde mon plomb sous l’eau une fois le bout déroulé, combien de mètres me séparant de ce dernier vais-je percevoir ? 12m x 3 / 4 = 36 / 4 = 9 m JL Largeau 02/2006

Poids apparent < 0 donc il flotte 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 JL Largeau 02/2006

Exercice 6 On largue un bloc de secours d’un 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 l’autre extrémité. Quel doit être le volume minimum de la bouée si l’on veut que l’ensemble 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 JL Largeau 02/2006

La sécu surface à entendu le son : 4,5 * 2 = 9 secondes après le tir. Exercice 7 Lors d’une 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 l’explosion 2 secondes après le tir. La sécurité de surface a-t-elle entendu le tir avant les plongeurs ? Au bout de combien de seconde l’ont 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. JL Largeau 02/2006

Mariotte 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. JL Largeau 02/2006

Mariotte P x V = Cte P1xV1 = P2xV2 P x 2 V / 2 P x 3 V / 3 P x 4 V / 4 P x n V / n V / 5 3 2 4 V / 4 V / 3 1 5 V / 2 Bar V P x V = Cte P1xV1 = P2xV2 JL Largeau 02/2006

Mariotte Pabs = 1b Vol = 12 l Pabs = 2b Vol = 6 l Pabs = 3b Vol = 4 l JL Largeau 02/2006

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 % ) JL Largeau 02/2006

Mariotte calcul d’autonomie En surface, combien de litre d’air contient un bloc de 12 l gonflé à 200 bar ? Appliquons la formule P1 x V1 = P2 x V2 Pabs à 0m 200 b x 12 l = 1 b x V2 V2 = ( 200 x 12 ) / 1 V2 = 2400 l à 1 bar JL Largeau 02/2006

Mariotte calcul d’autonomie A 20 m, combien de litre d’air contient un bloc de 12 l gonflé à 200 bar ? Appliquons la formule P1 x V1 = P2 x V2 Pabs à 20m 200 b x 12 l = 3 b x V2 V2 = (200 x 12) / 3 V2 = 800 l à 3 bar JL Largeau 02/2006

Mariotte calcul d’autonomie A 40 m, combien de litre d’air contient un bloc de 12 l gonflé à 200 bar ? Appliquons la formule P1 x V1 = P2 x V2 Pabs à 40m 200 b x 12 l = 5 b x V2 V2 = 200 / 5 x 12 V2 = 480 l à 5 bar JL Largeau 02/2006

Mariotte et calcul d’autonomie 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 JL Largeau 02/2006

Mariotte et calcul d’autonomie A 20 m quelle sera la quantité d’air 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 Pabs à 20m A 20 l/min il peut donc respirer sur son détendeur pendant une durée égale à : 800 / 20 = 40 minutes JL Largeau 02/2006

Mariotte et calcul d’autonomie A 40 m quelle sera la quantité d’air 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 Pabs à 40m A 20 l/min il peut donc respirer sur son détendeur pendant une durée égale à : 480 / 20 = 24 minutes JL Largeau 02/2006

Mariotte et calcul d’autonomie A 40 m quelle sera la quantité d’air 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 Pabs à 40m A 20 l/min il peut donc respirer sur son détendeur pendant une durée égale à : 360 / 20 = 18 minutes JL Largeau 02/2006

Mariotte et calcul d’autonomie Résumé ( P. Bloc – Rés ) x Vol. Bloc Autonomie = Consommation x P.absolue L’autonomie en air diminue avec la profondeur. JL Largeau 02/2006

Exercice 8 Un litre d’air 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 d’air. 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 l’air consommé. JL Largeau 02/2006

Exercice 9 Une équipe archéologique souhaite remonter une caisse de porcelaine d’une épave coulée sur un fond de 40 m. La caisse pèse 100 kg pour un volume de 80 l. Un plongeur met 18 l d’air dans un parachute de levage pour l’aider à remonter la caisse. A partir de quelle profondeur le parachute sera-t-il assez gonflé pour remonter à lui seul la caisse ? JL Largeau 02/2006

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 JL Largeau 02/2006

Saturation/Désaturation L’organisme du plongeur est saturé lorsque qu’il ne peut plus assimiler d’Azote. La quantité d’azote (N2) dissoute à saturation dans notre organisme est proportionnelle à la pression ambiante. Les gaz se déplacent toujours d’une concentration forte vers une faible concentration. JL Largeau 02/2006

Saturation / Désaturation Contrairement à l’O2 et au CO2, L’Azote n’est pas combiné lors des échanges gazeux, il se contente d’être stocké par l’organisme Au cours de la plongée, les tissus vont tendre à se saturer en azote proportionnellement à la pression ambiante. JL Largeau 02/2006

Saturation / Désaturation Lors de la remontée, la pression diminuant, l’organisme va être sursaturé. Il va donc évacuer l’azote en surplus. La vitesse de remontée doit permettre l’évacuation de l’azote sans que la sursaturation n’atteigne un seuil critique pour le plongeur. JL Largeau 02/2006

Saturation/Désaturation JL Largeau 02/2006

Saturation / Désaturation JL Largeau 02/2006

Dalton, pression partielle L’air est composé de : 79,00 % d’azote (N2) 20,90 % d’oxygène (O2) 0,03 % de gaz carbonique (CO2) 0,07 % de gaz rares Par simplification des calculs, admettons : 80 % d’azote (N2) 20 % d’oxygène (O2) Ces différents gaz auront une action sur l’organisme suivant la pression à laquelle ils sont respirés. JL Largeau 02/2006

Dalton, pression partielle John DALTON (1766 – 1844) a formulé en 1801 la loi d’addition des pressions partielles dans les mélanges gazeux 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 JL Largeau 02/2006

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 JL Largeau 02/2006

Dalton, pression partielle Ouvert 1 litre à 1bar 1 litre à 1 bar O2 N2 1 litre à 1bar 1 litre à 1 bar Fermé La pression n’a 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 JL Largeau 02/2006

Dalton, pression partielle A température donnée, la pression d’un mélange gazeux est égale à la somme des pressions qu’auraient chacun de ces gaz s’ils occupaient seuls le volume total. Pt = P1 + P2 + P3 +… La pression partielle d’un gaz dans un mélange est obtenue par la formule : Pp gaz d’un mélange = Pabs mélange x % du gaz dans le mélange. Pp = Pabs x ( X / 100 ) JL Largeau 02/2006

Dalton, pression partielle JL Largeau 02/2006

Exercice 10 Dans notre vie de tous les jours : L’air 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) 0,80 + 0.20 = 1b JL Largeau 02/2006

Exercice 11 En plongée à 40m calcul des pressions partielles respirées pour un mélange d’air 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 JL Largeau 02/2006

Exercice 11 Sachant que la Pp maxi admissible de l’O2 est de 1,6b, calculer la profondeur maxi pour une plongée à l’O2 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) JL Largeau 02/2006

Exercice 11 Sachant que la Pp maxi admissible de l’O2 est de 1,6 b, calculer la profondeur maxi pour une plongée à l’air. 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 l’air) JL Largeau 02/2006