Plongée Niveau II La Physique en plongée S. Barros 2008-2009

Physique en plongée Les pressions Pressions – volumes : La loi de Mariotte Poids apparent : Le principe d'Archimède Pressions partielles : La loi de Dalton Dissolution des gaz : La loi d'Henry

Si la force est avec toi .. la pression sera au bar … La pression est une force sur une surface F = force, exprimée en Kg S = surface, exprimée en cm2 Pression : P = F / S, exprimée en Kg /cm2 L'unité légale est le bar : 1 bar = 1 Kg / cm2.

Les pressions du milieu La pression Atmosphérique Poids de la colonne d'air s'exerçant sur 1 cm2 de surface Un litre d'air pèse 1,293 gramme Au niveau de la mer : 1 bar Quel est la hauteur de la colonne d’air équivalente ?? 1 bar = 1kg/cm² 1 litre = 1000cm3 = 1000cmxcm² = 10m x 1 cm² 10m ~ 1,293 gramme 7730m ~ 1 kg Diminue avec l’altitude (ou dans les avions) Moins 1000 m => moins 0,1 bar => Patm = 0,9 bar Cf. les accidents et les tables de décompression

Les pressions du milieu La pression Hydrostatique Poids de la colonne d’eau s'exerçant sur 1 cm2 de surface Quelle hauteur d’eau douce pour 1 bar ? 1 litre = 1 kg 1 litre = 10m x 1 cm² 10 m d’eau douce => 1 bar Eau de mer : 1 litre = 1, 03 kg. Négligé dans les calculs Pression Hydrostatique = Pression relative Patm + Phyd = Pression absolue

Pressions : A retenir En surface : 1 bar En immersion : +1 bar tous les 10m 10 : 2 bars 20 : 3 bars … 0 à 10 m : Pabs doublée (de 1 à 2 bar) 10 à 20 m : +50% (de 2 à 3 bar) 20 à 30 m : +25% (de 3 à 4 bar) Cf accidents : la zone de danger pour la pression est prés de la surface !!

Pressions – Volume : Mariotte Le volume d'un gaz est inversement proportionnel à la pression qu'il subit P x V = constante Vrai à t° constante Attention aux bouteilles chaudes (gonflage / soleil) Pression faussée (supérieure à la pression à froid, dans l’eau) !!

Mariotte en pratique Le volume d'un ballon en surface = 12 litres Quelle sera son volume à 10 mètres ? Surface : 1 bar x 12l A 10m : Pabs = 2 bar V2 = (1 x 12) / 2 = 6 litres

Mariotte en plongée Flottabilité Gonflage des bouteilles Pression augmente = volume gaz diminue Gilet / Combi : plein d’air = volume diminue Donc volume du plongeur diminue Cf. Archimède (plus loin) pour les effets Gonflage des bouteilles Bloc de 12l à 200 bar = 12 x 200l à 1 bar

Mariotte en plongée Surpression pulmonaire Volume d’air dans les poumons augmente quand la pression absolue (Pabs) diminue Laisser échapper de l’air pour diminuer la pression dans les alvéoles : Expirer à la remontée Rappel : la zone de danger est près de la surface. Pas de variation brusque de profondeur dans la zone des 10 m et encore moins dans la zone des 3 m

Mariotte en plongée Vitesse de remontée Consommation Augmentation de la taille des bulles d’azote à la remontée Vitesse de remontée calculée pour permettre de les évacuer (cycle sanguin et ventilatoire) avant qu’elles ne grossissent trop Consommation Principe du détendeur Pression en sortie 2ème étage (dans la bouche) = Pression absolue « locale » Varie avec la profondeur Volume des poumons constant

Consommation : 2 manières de calculer En « volume équivalent en surface » Bloc de 12 litres gonflé à 180 bars Volume d’air disponible (moins 50 bars de réserve) P1bloc V1bloc = 130 x 12 = 1560 litre à 1 bar Consommation d’air : 16 litres par minute A 20m, Pabs = 3 bars Par minute : 16 litres à 3 bars = 16 x 3 litres à 1 bar Autonomie : 1560 / (16 x 3) = 32 minutes Autonomie en surface : 1560/16 = 1h37

Consommation : 2 manières de calculer En « volume équivalent à la pression locale » Bloc de 12 litres gonflé à 180 bars Volume d’air disponible (moins 50 bars de réserve) P1bloc V1bloc = 130 x 12 = 1560 litre à 1 bar A 20m : P1 V1 = P2 V2 => V2 = 1560/3 = 520 litres à 3 bar Consommation d’air : 16 litres par minute Par minute : 16 litres à 3 bars Autonomie : (1560 / 3) / 16 = 32 minutes

Poids apparent : Archimède Tout corps plongée dans l’eau Ressort mouillé Reçoit une poussée orientée de bas en haut et égale au poids du volume d’eau déplacée Poids apparent = Poids absolu - Poussée d’archimède

Flottabilité si P. app > 0 si P. app = 0 si P. app < 0 flottabilité négative => ça coule Plus lourd que le volume d’eau déplacée (plus lourd que l’eau) si P. app = 0 flottabilité nulle => équilibre si P. app < 0 flottabilité positive => remonte

Flottabilité en pratique Quel est le poids apparent d'une ancre pesant 32 kg pour un volume de 15 dm3 ? Poids abs : 32kg Poussée Arch : 15 dm3 d’eau douce => 15kg Papp = 32 - 15 = 17 kg, donc elle coule Si on veut la faire remonter, il faut au moins annuler sa flottabilité, en ajoutant une poussée d’Arch de 17kg, donc en rajoutant un volume de 17 litres (dans un parachute d’ancre) Un boîtier de caméra pèse 4 kg et a un volume de 5 dm3. Quel poids doit-on ajouter à l'intérieur pour l'équilibrer dans l'eau ? Poids apparent = 4 - 5 = - 1 kg. On doit ajouter 1 kg pour annuler sa flottabilité

Flottabilité en pratique Exercice en eau douce (densité eau = 1) Une personne pèse 75 kg, en maillot et flotte en piscine On en conclue que Parchi = 75 kg ( équilibre Papp = 0) Donc Volume = 75 litres ou 75 dm3 – Équipement du plongeur Bloc de 15 l ; poids Pbloc = 18 Kg. Parchi = 15 kg Combinaison: Volcombi = 5 l ; poids Pcombi négligeable ; Parchi = 5kg – Bilan des forces

Flottabilité en pratique Exercice en mer (densité eau = 1,03) Volume toujours de 75 litres On en conclue que Parchi = 75 * 1,03 = 77,2 kg ( surflottabilité Papp = -2,2) – Équipement du plongeur Bloc de 15 l ; poids Pbloc = 18 Kg. Parchi = 15 x 1,03 = 15,5kg Combinaison: Volcombi = 5 l ; poids Pcombi négligeable ; Parchi = 5 x 1,03 = 5,15kg – Bilan des forces

Flottabilité en plongée Poumon ballast Variation de volume = variation de poussée d’Archimède A chaque inspiration normale, 0,5 l d’air entre dans les poumons. Le volume d’air qui pénètre « en plus » au cours d’une inspiration forcée est de 2,5 à 3 l. En fin d’expiration normale, on peut encore « chasser en plus » 1 l d’air : on effectue alors une expiration forcée. En fin d’expiration forcée, il reste encore 1,5 l d’air dans les poumons ; on ne peut donc jamais les vider complètement. Volume « utile » pour le poumon ballast : 1 à 2 litres, donc variation de flottabilité de 1 à 2 kg Attention à la surpression pulmonaire : pas sur plusieurs metres ni près de la surface Utilisation du gilet de stabilisation Cf. Mariotte : volume du plongeur diminue avec la profondeur (combi / stab) Penser à gonfler en descendant (sinon vitesse de descente augmente) Et à dégonfler en montant !! (maitrise de la vitesse). Levages de charges Utilisation de parachutes de levage d’encre

Flottabilité en plongée Calculs de lestages Attention : Dépend de la combi (neuve ou pas, épaisseur) Dépend du bloc (volume apparent 12l <> 15l, blocs acier ou alu, type d’acier du bloc, …) Dépend du liquide (eau de mer, lac, …) Varie au cours de la plongée (consommation de l’air dans le bloc) Penser que l’équilibre doit être tenu au palier Quelle flottabilité à l’immersion ? Pallier : Quand le bloc est vide, donc moins lourd. Donc Poids absolu inférieur au début, donc Papp inférieur, donc flottabilité supérieure qu’à l’immersion. Donc surlestage à l’immersion : 1560 litres (12l à 180 bars) à 1,29g/l => 2 kg

Pressions partielles : Dalton Composition de l’air (dans un bloc, donc « filtré » et relativement pur) Oxygène (O²) : 20,9 % Azote (N²) : 79 % Dioxyde de carbone (Co²) : 0,03 % Gaz rares : néon, crypton, argon... : 0,07 % On retiendra pour les calculs : 20% d’O² et 80% d’azote

Pp = (P absolue) X (% du gaz) Loi de Dalton la pression partielle d'un gaz dans un mélange est la pression qu'aurait ce gaz s'il occupait seul tout le volume du mélange. Dans un mélange gazeux, la somme des pressions partielles des composants de ce mélange est égale à la pression du mélange. La pression partielle d'un gaz dans un mélange est obtenue par la formule suivante : Pp = (P absolue) X (% du gaz)

Dalton en plongée L’O² et l’azote ont des effets sur l’organisme dépendant de leur pression partielle (Pp) Pp 0² > ~1,6 bar: hyperoxie (cf. accidents) Convulsions, brulures pulmonaires, .. Pp : 1,6 bar, Air à 20% d’O², quelle Pabs / quelle profondeur ? 1,6 / 0,2 = 8 bars => 70 m Cf. réglementation : plongée a l’air limitée à 60m Pp N² > ~ 4 bars: narcose (cf. accidents) Pp : 4 bar, Air à 80% d’N², quelle Pabs / quelle profondeur ? 4 / 0,8 = 5 bars => 40 m Cf. réglementation : limite des plongées encadrées Car l’encadrant aussi peut narcoser !!

Dalton en plongée Utilisation de mélanges différents de l'air (nitrox, trimix) Variation du % d’un gaz change sa Pp pour une même profondeur Moins de N², moins de pb de décompression Mais augmentation de O² limite la profondeur max

Dissolution des gaz : Henry Au dela d’une pression partielle donnée, un gaz peut se dissoudre dans un liquide Dépend du couple gaz / liquide Dans un gaz, on parle de Pression Dans un liquide, on parle de Tension du gaz dissout Si Pp > T : le gaz se dissout. Durant la plongée, N² se dissout dans l’organisme (le sang et les différents tissus composés d’eau)

Décompression Si Pp < T : mécanisme inverse, le liquide libère le gaz Si baisse faible de la Pp (remontée lente) Peu d’écart entre Pp et T : restitution lente Evacuation des bulles dans le sang et la respiration via les poumons Si baisse importante de la Pp Pp << T : effet Coca cola (restitution anarchique) Bulles se forment un peu partout dans les tissus Les palliers sont déterminés pour limiter les écarts entre Pp et T (seuil de sous-saturation critique)

Loi de Henry A température donnée et à saturation, la quantité de gaz dissoute dans un liquide est proportionnelle à la pression partielle du gaz au dessus du liquide. La dissolution du gaz n’est pas immédiate Si Pp > T : le gaz se dissout, et T augmente Quand Pp = T : équilibre (= état de saturation) La dissolution de N² dépend donc : De la profondeur (Pp augmente) De la durée jusqu’à saturation, plusieurs heures pour certains tissus De la température Si t° diminue, la dissolution augmente => risque d’accident de décompression plus important