CANNES JEUNESSE PLONGEE Physique Physiologie N I V E A U II Accidents Réglementation Tables Matériel Animations sous PPT XP moins bien sous PPT 2000 CANNES JEUNESSE PLONGEE Paul Franchi Février 1997 – révisé Nov 2002

Pourquoi un cours théorique ? Quel est le seul équipement dont le plongeur ne peut pas se passer ? Couches hautes: Savoir acquis par la formation théorique Situations inhabituelles Situations habituelles Couches basses: Réflexes conditionnés par l’entraînement pratique Physique - Physio - Accidents - Tables - Matériel - Réglementation

Pressions Physique Flottabilité Physiologie Compressibilité Accidents Pressions Partielles Réglementation Dissolution Tables Optique Matériel Acoustique N I V E A U II Physique

Application aux pressions: Les Pressions Définition: La Pression est le résultat de l’application d’une Force sur une Surface P = F / S m2 bar cm2 Pascal Newton Kg bar: 1 bar = 105 Pa = 1000 HPa = 1,020 Kg/cm2 1 bar = 1000 mb ≈ 1 kg/ cm2 Pascal: 1 Pa = 1 N/m2 1 HPa= 100 Pa Application aux pressions:  atmosphérique (baromètre)  des blocs (manomètre)  hydrostatique (détendeur)  artérielle (tensiomètre) Physique

Clou, Aiguille,Piston hydraulique Les Pressions Expériences: Pour une même Force, la Pression est d’autant plus petite que la Surface de contact est plus grande: Ski, Surf, raquettes Pour une même Force, la Pression est d’autant plus forte que la Surface de contact est plus petite: Clou, Aiguille,Piston hydraulique Exemple: Un surfeur pèse 80 kg tout équipé, il se tient debout: sur ses chaussures dont la surface de contact avec la neige est 400 cm2: P = 80/400 =0,2 kg/ cm2 ≈ 0,2 bars sur son surf dont la surface de contact avec la neige est 0,4 m2 = 4000 cm2: P = 80/4000 =0,02 kg/ cm2 ≈ 0,02 bars Physique

La Pression Atmosphérique Définition: C’est la pression que nous subissons dans l’air. Cette pression est due au poids de l’air de l’atmosphère terrestre; elle diminue donc avec l’altitude. Pression Atmosphérique au niveau de la mer PAtm = 1,013 bar = 1013 millibars ≈ 1 bar ≈ 1 kg/ cm2 Variation avec l’altitude: Entre Cannes et Isola 2000, il y a une différence de pression de 200 millibars (env.) due au poids de 2000 m d’air 2000 m 800 mb 1013 mb 0 m Physique

La Pression Atmosphérique Expérience de Torricelli: La pression atmosphérique au niveau de la mer est celle exercée par une hauteur de 76 cm de mercure. Poids de la colonne de mercure sur 1 cm2: 76cm * 1cm2 * 13,59 g/cm3 = 1033 g PAtm = 1033 / 1020 = 1013 millibars Pression presque nulle (vapeur de mercure) On prend 1 bar 1013 mb 76 cm Physique

La Pression Relative augmente de 1kg/cm2 (1 bar environ) tous les 10 m Pression dans l’eau Tout corps immergé subit une pression Hydrostatique due au poids de la colonne d’eau située au dessus de lui; cette pression (dite Relative) augmente donc avec la profondeur. Poids d’une colonne de 10 m d’eau: 1000 cm x 1cm2 x 1 g/cm3 = 1 kg 1 cm2 La Pression Relative augmente de 1kg/cm2 (1 bar environ) tous les 10 m 10 m La Pression Absolue est la somme des pressions Atmosphérique et Hydrostatique P.Abs = PAtm + P. Rel. P.Abs (bar) = 1 + Prof.(m) / 10 air La Pression s’exerce perpendiculairement sur toute les surfaces d’un corps immergé, eau Physique

Calculs de Pression dans l’eau Pression Relative et Absolue en plongée ? P.Abs (bar) = 1 + Prof.(m) / 10 Prof(m) P Rel(b) P Abs(b) 3 10 15 20 25 30 Prof(m) =(P.Abs(bar)-1) *10 Profondeur pour une pression donnée ? P Abs(b) 1,2 2,5 3,5 4,8 5 Prof(m) Physique Physique Physique

Principe d’Archimède Flottabilité Poids apparent Flottabilité Lestage Poumon- Ballast Relevage d’objets Physique

Théorème d’Archimède Tout corps plongé dans un fluide reçoit de la part de celui une poussée (force) verticale dirigée de bas en haut, égale au poids du volume de fluide déplacé Cette force s’exerce sur le centre de carène de l’objet (centre de gravité du volume immergé) PArchim = VOLimmergé *  fluide Masses volumiques  eau douce = 1 Kg/l  eau de mer = 1,025 Kg/l  air (niveau mer) = 1,293 g/l Physique

Archimède:La preuve par la pression La différence de pression hydrostatique entre les 2 faces haute et basse est égale au poids du volume de liquide déplacé Physique

Poids apparent & Flottabilité Un objet de poids apparent positif coule  flottabilité négative Un objet de poids apparent nul est en équilibre  flottabilité neutre Un objet de poids apparent négatif flotte  flottabilité positive Physique

Poids Apparent = Poids Réel - Poussée Archi. Flottabilité Poids Apparent = Poids Réel - Poussée Archi. PArchi > Préel PArchi = Préel - Poids App air Flottabilité + eau PArchi < Préel neutre Préel - plomb Préel + Préel Physique

Lestage Physique Lestage Un plongeur doit avoir une flottabilité neutre (gilet vide) à 3m (en fin de plongée). Poids Réel Poussée Archimède Poids Apparent Flottab. Plongeur 65 +Combin +3 +8 (à 3 m) Bloc Gilet Equip. +17 +14 Lest P.Archi(Plong.+ Combi + Equip.) = P.Réel(Plong.+ Combi+ Equip.) + Lest Physique

Applications d’Archimède - I Poumon Ballast: un plongeur est équilibré en immersion. S’il expire son volume diminue => sa P.Archi. Diminue => son P.App. augmente => sa flottabilité devient négative => il coule (descend) S’il inspire son volume augmente => sa P.Archi. augmente => son P.App. diminue => sa flottabilité devient positive => il remonte Equilibrage au Gilet de Sécurité: Gonfler le gilet => augm. P.Archi. => dim. P.App Dégonfler le gilet => dim. P.Archi. => augm. P.App Relevage d’Objets: un ballon (ou parachute) permet de diminuer le poids apparent d’objets lourds en augmentant la poussée d’Archimède. Physique

Applications d’Archimède - II Poids apparent à -3 m : Un plongeur pèse 60 kg et son volume nu est de 61 litres. Il porte une combinaison dont le poids est de 3 kg et le volume de 8 litres (sous 3m d’eau). Quel est son poids apparent à -3m? Flottabilité ? Que se passe t il ? Lestage et équilibrage à - 3 m: Le reste de son équipement, hors la ceinture de plomb, a une flottabilité négative de 4 kg. Quel lest doit il porter pour avoir une flottabilité neutre à 3m? Poumon-Ballast - 1: Le même plongeur veut descendre sans lest et sans palmer. Que doit il faire? Poumon-Ballast - 2: Il descend sans lest, et à la fin de sa plongée, il a consommé 2,3 m3 d’air (= 3 kg environ). Peut il tenir le palier à 3m sans palmer ou tenir à un point fixe? Physique

Pressions Compressibilité des gaz Loi de Mariotte Equilibrage Autonomie en air Gonflage des blocs Détendeurs Barotraumatismes Physique

LOI de Mariotte (1620-1684) - Boyle(1627-1691) “A température constante, le volume d’un gaz est inversement proportionnel à la pression qu’il subit” supposé vrai en plongée air eau Descente: la pression augmente, le volume diminue Remontée: la pression diminue le volume augmente Physique

LOI de Mariotte : Calculs Les formules de Mariotte Constante P x V = Cte P. Abs. Volume P1 x V1 = P2 x V2 = Cte Prof(m) P(b) V(l) Cte 1 12 5 10 20 30 V(l) Cte 6 Physique

Mariotte- Barotraumatismes Alvéoles pulmonaires, Dents,Sinus, Oreilles Estomac, intestins Cavité fermée explosion déformation tympan, jupe du masque prés de la surface (0-10m), les variations de pression sont plus rapides succion Placage de Masque, Dents implosion Sinus, Oreille Physique

Mariotte & Archimède: Equilibrage Equilibrage: sans utiliser un gilet, il n’est pas possible d’avoir une flottabilité neutre à toutes les profondeurs. Un plongeur descend, certains volumes diminuent: combinaison, gilet, etc => son poids apparent augmente. S’il remonte, certains volumes augmentent => son poids apparent diminue. Equilibrage (dynamique) au Gilet: Gonfler => montée lente => flottablité augm. => montée rapide Dégonfler => descente lente => flottablité dim. => descente rapide => affiner le réglage d’équilibre avec Poumon-Ballast Remontée:de plus en plus rapide remontée assistée flottablité neutre Relevage d’Objets: pendant la remontée, le ballon ne cesse d’augmenter son volume. Avant la profondeur où l’ensemble Objet-Ballon atteint une flottabilité neutre, il faut assister la remontée. Après cette profondeur, l’ensemble remonte seul de plus en plus vite. Physique

Mariotte - Calculs d’autonomie en air Capacité des blocs: Un bloc de12l gonflé à 200 bars est vidé à la pression absolue PA: si PA=P.Atm=1b => V= si PA=P-30m= 4b => V= (12l x 200b) = (12l x PA) + (V x PA) Air utilisable Le Bloc Plein Fermé Le Bloc vide Ouvert Calcul de consommation d’air Un plongeur respire sur le rythme de 20 l / min. Son bloc est un 12 litres gonflé à 200 bars. Combien de temps peut il rester à 20 m, s’il veut garder 50 bars de réserve ? (12l x 200b) = (12l x 50b) + (V x 3b) V à 20 m = Temps à 20 m = Le Bloc Plein Fermé Le Bloc sur réserve Air utilisable à 20m Physique

Calcul d’autonomie en air 1800 litres P1 x V1 = P2 x V2 Prof (m) Pabs (bar) PV du bloc Réserve Air dispo (en l) Cons (l/min) Durée (min) 200x12 50x12 12 10 20 40 360 litres Physique

Mariotte- Matériel Physique Détendeurs: Pour diminuer la pression d’un air comprimé, il suffit d’augmenter son volume (Détente) à l’aide d’un piston ou d’une membrane et d’une chambre. Premier étage: de la Haute à la Moyenne pression Second étage: de la Moyenne à la Pression Ambiante Compresseurs: Pour obtenir de l’air sous fortes pressions, il suffit de diminuer son volume (Compression). Dans les compresseurs, on réalise cette opération en plusieurs fois (étages en série), en utilisant des pistons ou des membranes. Physique

Pressions Pressions Partielles Composition de l’air Pression Partielle Loi de Dalton Toxicité des gaz Physique

Pressions partielles Physique Composition de l’air: % exact % arrondi Oxygène O2 : 20,9 % 21 % Azote N2 : 79 % 79 % Gaz Carbonique CO2 : 0,03 % 0 % Gaz rares : néon, argon, ... 0,07 % 0 % Intoxications En plongée, les pressions partielles des gaz augmentent, ce qui peut provoquer des intoxications. Oxygène hyperbare A l’inverse, dans les caissons hyperbares, on utilise l’oxygène sous de fortes pressions pour ses vertus thérapeutiques Physique

LOI de Dalton (1766-1844) Définition : la pression partielle d’un gaz G dans un mélange M est égale à la pression qu’il aurait s’il occupait seul tout le volume occupé par M. Loi: PPG : Pression Partielle de G PM : Pression de M %G : Quantité de G / Quantité de M Physique

Pour les dyslexiques de la règle de trois Moyen facile de se rappeler des formules: Pp = Pa * % Pa = Pp / % % = Pp / Pa * Physique

Et pour tous les NITROX Un autre Dalton La somme des pressions partielles des composants d’un mélange est égale à la pression du mélange. Pour l’Air PAbs = PPN2 + PPO2 Et pour tous les NITROX Physique

Dalton coupable ? Toxicité des gaz Hyperoxie et hypoxie: PPO2 (essoufflement) Hypercapnie: PPCO2 Narcose: PPN2 Empoisonnement par un polluant: PPCO Obligation d’utiliser dans un compresseur des huiles qui ne vont pas carboniser aux PPO2 rencontrées Physique

Toxicité des gaz Physique Profondeur limite et toxicité des gaz: . Pour l’oxygène, le risque de toxicité devient élevé si on excède 1,6 b Palier à l’O2 pur Profondeur maximum => Limite juridique de la plongée à l’air Profondeur limite => Physique

Pressions Dissolution des gaz Loi de Dalton Loi de Henry Saturation Tables ADD Physique

Une dissolution virtuelle saturation sous-saturation sur-saturation critique saturation 1 b 1 b 1b 1b 1b 1b 1b 3 b 3 b 3 b Après l’appui, le piston descend d’abord seul (une nouvelle quantité de gaz se dissous) puis se stabilise: c’est un état de saturation Un relâchement rapide de la pression, fait apparaître des bulles dans le liquide Physique

LOI de Henry (1797-1878) Au bout d’un certain tps, à l’équilibre “A température constante, la quantité de gaz dissous, à saturation, dans un liquide est proportionnel à la pression du gaz au dessus de ce liquide” supposé vrai en plongée Azote Tissus Pp Dissolution: Un liquide peut dissoudre une quantité maximum Q de gaz qui dépend: Facteurs En plongée la nature du Gaz Azote la nature du Liquide Tissus (Compartiments) la Température Température du corps si T Q la Pression Profondeur si P Q la durée de contact Temps de plongée la Surface de contact Tissus + ou - vascularisés Agitation Q Attention aux efforts Physique

Profil de plongée et saturation en azote SUR-SAT SAT ++ 1 b + Chaque correspond à une PpN2 de 0,8 b + SUR-SAT SUR-SAT +++++ +++ ++ ADD Palier de désaturation SUR_SAT CRITIQUE ++++ Vitesse excessive 3 b ++ +++ SUR-SAT SOUS-SAT SAT Vitesse <15m/min ++++ +++++ 5 b SOUS-SAT SAT Physique

Sur & Sous saturation T ----- < Sc P Physique Tension: C’est la pression d’un gaz dissous dans un liquide (ex: TN2 la tension d’Azote dans le sang). Saturation: C’est l’état (d’équilibre) d’un liquide quand la Tension = Pression Partielle Ambiante Désaturation: c’est le moyen de « rendre » l’azote dissous, pendant la remontée, Pour l’azote à saturation => TN2 = PPN2 en sous-saturation => TN2 croît vers PPN2 en sur-saturation => TN2 décroît vers PPN2 en sur-saturation critique => TN2 > P.Abs >> PPN2 le coefficient de sursaturation critique Sc donne la valeur maximale de la Tension pour un Tissu à une pression absolue P: T ----- < Sc P Physique

Henry et les tables de plongée Compartiments: un modèle mathématique pour représenter les parties du corps humain possédant le même comportement vis à vis de la dissolution de l’azote, en particulier le même coefficient de sursaturation critique. cette classification n’est pas directement associée à celle des tissus anatomiques: sang, os, muscle, graisse, ... 12 compartiments pour la table MN90 La loi de Henry permet de calculer des temps de remontée de façon que les compartiments chargés en azote puissent désaturer sans jamais être en sursaturation critique. Vitesse maximun de remontée Paliers de désaturation Tension d’azote dissous (reliquat) due aux plongées précédentes. Les accidents de décompression (ADD) sont dus à une désaturation trop brutale Physique

Optique sous l’eau - I Physique Absorption lumineuse: Intensité lumineuse: Disparition des couleurs 0m 100% 5m 40% 15 m 14% 25m 7% 60m 1,5% 400m 0% Les principaux effets: LOUPE: plus gros, plus proche OEILLERES: le champs de vision rétrécit LE GRAND BLEU: plus on descend, plus on perd les couleurs TROUBLE: la visibilité diminue Diffusion : Effet du à la réfraction et à la réflexion des rayons lumineux sur les particules en suspension dans l’eau. Physique

Optique sous l’eau - II 48° maxi Plus gros (Taille x 4/3) Réflexion et Réfraction: à la surface air-eau (donc le masque), les rayons lumineux: rebondissent (10%) sur la surface avec un angle égal à l’angle d’incidence (réflexion) pénètrent (90%) la surface avec un angle inférieur à l’angle d’incidence (réfraction) 48° maxi Plus gros (Taille x 4/3) Plus proche (Dist. x 3/4) Physique

Acoustique sous l’eau Physique Ce n’est pas “Le Monde du Silence”: bulles et détendeurs hélices et moteurs animaux: oursins, baleines, langoustes, etc. crier, rire dans l’embout choc sur le bloc, shaker pétard de rappel Vitesses du son: dans l’air : 330 m/sec dans l’eau : 1500 m/sec Communications entre plongeurs Direction des sons dans l’eau, il est très difficile de localiser l’origine d’un son, car les ondes sonores arrivent presqu’en même temps aux deux oreilles (perte de l’effet stéréo). Absorption: dans l’eau, les sons sont rapidement atténués avec la distance, et les aigus plus vite que les graves. On entend un HB à quelques dizaines de mètres, et un cargo à quelques milles. Physique