Département de Seine et Marne Session Nord 2011-20112 Samuel Viollin MF1 Thierry Paire MF1 PRÉPARATION DU NIVEAU 4 ÉLÉMENTS DE PHYSIQUE APPLIQUÉS À LA.

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1 Département de Seine et Marne Session Nord 2011-20112 Samuel Viollin MF1 Thierry Paire MF1 PRÉPARATION DU NIVEAU 4 ÉLÉMENTS DE PHYSIQUE APPLIQUÉS À LA PLONGÉE OPTIQUE, ACOUSTIQUE, TRANSMISSION DE CHALEUR Introduction : Pourquoi étudier les aspects physiques liés à notre milieu de plongeur ? Certainement pas pour faire de nous des physiciens théoriques ! Il s'agit de comprendre comment nos perceptions et notre métabolisme se trouvent modifiés. Votre rôle à venir de guide de palanquée implique une bonne appréhension du milieu aquatique afin dadapter votre comportement et les décisions prises en plongée.

2 LA VISION La vision subaquatique est différente de la vision aérienne : on voit les objets plus gros et plus proches. Le champ de vision est rétréci, il fait plus sombre, les couleurs disparaissent. 1) La vision aquatique est perturbée par la position horizontale du plongeur La vision terrestre est basée sur une position verticale et la perception globale de lenvironnement est facilitée par larticulation de la tête. En plongée la position horizontale liée au déplacement favorise une vision vers le bas ou latérale. Toute vision vers le haut ou vers larrière nécessite un retournement.

3 Éléments d'optique: 2) Phénomène de réfraction Dans un milieu homogène, la lumière se propage en ligne droite à une vitesse qui dépend du milieu. Pour caractériser cette qualité, on compare la vitesse "c" de la lumière dans le vide à celle observée dans ce milieu " V ". Le rapport de ces deux vitesses est appelé " indice du milieu" ou indice de réfraction. On lui attribue la lettre " n " : c: 300 000km/s (v lumière dans lair) V : 225 000km/s (v lumière dans leau) doù n eau indice de réfraction dans leau : 300 000 / 225 000 = 1,33 Pour l'air n air =1, pour l'eau n eau =1,33 pour le verre n verre = 1,52

4 n air =1 n eau =1,33 rayon incident rayon réfracté angle a angle e a e langle a du rayon dans lair est lié à langle e du rayon dans leau par la relation n air sin a = n eau sin e e a Lorsque un rayon lumineux change de milieu, la modification de sa vitesse provoque une modification de sa direction comme l'indiquent les dessins ci dessous. Ce phénomène sappelle la réfraction

5 Perception de la taille du poisson vue par le plongeur taille réelle du poisson a e distance réelle distance perçue Les rayons qui permettent de visualiser un objet dans leau, passent de leau à lair et sont réfractés. La distance et la taille apparente de lobjet sont modifiées. conséquences pour le plongeur : (lépaisseur du verre du masque est négligeable ainsi que la distance entre lœil et la vitre par rapport à la distance de lobjet) n air a = n eau e donne 1 a = 1,33 e et donc angle a > angle e

6 La distance apparente et la grosseur auquelles sont vues les objets est modifiée : Un objet vu à travers le masque paraît plus près à une distance fictive au 3/4 de la distance réelle. Ça rapproche.(Soit la distance réelle divisée par 1,33) Un objet plan et parallèle au verre du masque apparaît 4/3 plus gros ( soit taille réelle X par 1,33). Ça grossit. Le champs de vision est rétréci par la combinaison dun effet d œillères et de la réfraction.

7 Conclusion : Un guide de palanquée ne doit pas se fier à sa vue pour évaluer la distance qui le sépare dun plongeur de sa palanquée. Il faut avoir cela à lesprit pour conserver une distance de sécurité compatible avec une intervention rapide. Il ne faut pas se fier à ses sens pour évaluer la distance qui nous sépare du fond. Souvenez vous que vos prérogatives ne vous permettent pas de dencadrer au delà de 40 m. Une incursion en exploration sous les 40 mètres coûte cher en temps de décompression et peut engager la sécurité dune palanquée. Bien choisir son masque ( surface vitrée importante, verres correcteurs..) apportera plus de confort et de plaisir de découverte du milieu lors de la plongée. Ne remonter rien en surface. Une branche de corail, un coquillage dans leau peuvent se montrer très beaux dans leau et décevants à la sortie, du fait de leur petite taille. Laisser les au fond, ils y sont tellement mieux !!!!

8 Exercices Lors de votre plongée vous voyez un mérou qui vous semble faire un bon mètre de long. Nétant pas Marseillais quelle longueur annoncez vous à votre retour sur le bateau ? Pour la préparation dun examen on vous demande dinstaller sur le fond 2 lests reliés chacun à une bouée par un bout à 10 m dintervalle. Vous navez pas de mètre comment devez vous estimer visuellement la distance? Comment pouvez vous contrôler moins empiriquement la distance réelle ? Dans une épave vous voulez vous engager par une ouverture proche qui vous semble visuellement juste à votre taille. Est- ce une bonne idée ?

9 Corrigés La taille réelle du mérou est de 1m / 1,33 = 75 cm. Il faut estimer une distance supérieure à 10 m soit : 10 X 1,33 = 13 m env. Il est plus fiable de se servir de la longueur de son corps (ou de lenvergure des bras étendus = longueur du corps) et de reporter environ 5 fois cette longueur sur le fond par déplacements successifs en corrigeant en plus ou en moins selon votre hauteur réelle / 2 m pour obtenir 10 m. Votre vision vous fait apparaitre louverture plus large que la réalité. Ne pas tenter la traversée.

10 3 ) phénomène de diffusion : Le faisceau dune lampe sur un nuage de particules en suspension dans leau (par exemple plancton) est comparable au peu defficacité des phares de voiture dans le brouillard. La lumière est à la fois réfléchie et réfractée sur les particules. Il se produit un halo de lumière empêchant toute vision lointaine. Conclusion : Un guide de palanquée ne comptera pas sur ses moyens déclairage en cas deau trouble et raccourcira les distances inter plongeurs. De plus il veillera à ce que des particules en suspension ne soit produites par un palmage inadéquat sur fond vaseux et ce plus particulièrement dans une grotte ou une épave. Dans ce cas il peut être nécessaire déteindre les lampes pour retrouver la sortie en repérant la lumière du jour.

11 4 ) phénomène de réflexion : La lumière se propage en ligne droite selon un chemin que lon désigne par un rayon lumineux. Lorsque les rayons lumineux frappent une surface, une partie de lintensité lumineuse de ces rayons se trouve réfléchie tandis que lautre partie franchit la surface. Le rayon lumineux renvoyé est dit rayon réfléchi. Le rayon lumineux qui franchit la surface est dit réfracté. rayon incident rayon réfracté angle a angle e a e rayon réfléchi r Les règles établies pour les lois de la réfraction sont simultanément vraies avec celles de la réflexion. Langle « r » du rayon lumineux incident par rapport à la direction perpendiculaire à la surface est égale à langle du rayon réfléchi « a ».

12 Conséquences : La limite de réfraction est atteinte lorsque langle fait par le rayon réfracté est de 90 °. Cela se produit quand le rayon incident frappe la surface avec un angle de e = 48,75° rayon incident rayon réfracté angle e angle a a e rayon réfléchi r angle e = r Cest aussi le cas si la source de lumière est dans leau. Les angles formés par les rayons incidents et réfléchis, par rapport à la verticale, sont égaux.

13 angle e angle a a= 90° e= 48,75° e r angle e = r Langle dincidence est à sa valeur limite pour produire un angle réfracté. Le plongeur et le faisceau de sa lampe sont difficilement vus en surface

14 De nuit, la visibilité des plongeurs est meilleure à la verticale du bateau. Il ne faut pas penser que lon est plus visible au plus près de la surface, cest le contraire et même avec une lampe proche du bateau. Cest pourquoi il est le plus souvent préférable de réaliser la plongée au fond puis de remonter au mouillage sous le bateau. Samuel a < 90° e < 48,75° e Bruno Bruno produit un rayon incident avec un angle permettant une réfraction. Il sera vu du bateau. Ce nest pas le cas de Samuel qui ne sera pas vu du bateau alors quil est moins profond. On perd rapidement de vue un plongeur. De jour, le chapelet de bulles est bien pratique.

15 5) Labsorption : Les couleurs 10m 20m 30m 40m 50m 60m La lumière du soleil est composée dune infinité de nuances que lon peut voir dans larc en ciel. Cest dailleurs grâce au phénomène de réfraction que ces couleurs sont visibles dans larc en ciel. On les regroupe en couleurs : rouge, orange, jaune, vert, bleu, violet. Chacune de ces couleurs pénètre dans leau en saffaiblissant au fur et à mesure que la couche deau sépaissit : cest labsorption. La profondeur de pénétration des différentes couleurs est indiquée ci contre Labsorption dépend de la couleur. Le rouge est le plus absorbé. Le bleu est le moins absorbé.

16 La luminosité Lintensité lumineuse des rayons solaires est absorbée dans leau selon la table suivante : 0 m : 100 % de luminosité 1 m : 40 % 10 m : 14 % 20 m : 7 % 40 m : 2 % 500 m obscurité totale Lœil peut sadapter à de grandes variations de luminosité et à 40m celle ci est encore suffisante.

17 Conclusion : Le positionnement « à vue » des membres de la palanquée doit tenir compte des contraintes physiologiques de la position horizontale du plongeur. La couleur rouge disparaît très vite en plongée. La dégradation de la richesse des couleurs contribue à renseigner le plongeur sur la profondeur de la zone dans laquelle il évolue. La différence de perception entre la zone des 20 mètres, (profondeur dévolution des N1 encadrés) et la zone des 40 mètres (profondeur dévolution des N2 encadrés) est sensible. Cela ne peut évidemment pas remplacer les instruments ! L assombrissement et la perte des couleurs nécessitent un moyen déclairage suffisant pour une pleine jouissance de sa plongée et pour une meilleure sécurité. La photographie subaquatique sans matériel performant et sans formation particulière donne des résultats décevants et ne peut en aucun cas avoir une profondeur de champs importante. Nous avons souvent vu des plongeurs débutants se tromper de palanquée en la confondant avec une autre sous leau, du fait de la perte de repères colorés pour reconnaître ses amis. En tant que guide de palanquée, il est maladroit de repérer ses plongeurs à partir dindication de couleurs et en particulier le rouge ! Ces indications seront affaiblies voire inutilisables dans la zone des quarante mètres. Il est préférable de prendre des repères de formes, taille de palmes, forme du masque, plongeur équipé dun bi etc …

18 6 ) Matériel daide à la vision Masque adapté Lampe : Peu puissant, généralement insuffisant, à considérer plus comme élément de sécurité. Phare : (halogène interdit en avion ) Nouvelle génération à LED. Puissant et autonome. Flasheurs, cyalum : Eléments de signalisation et de sécurité

19 LES ECHANGES THERMIQUES Le refroidissement du corps peut être cause daccidents ou être un facteur déceptif au cours de la plongée. Éléments de thermique : La chaleur nest pas une substance qui sajouterait à un corps. Cest un état de la matière qui est composée de grains élémentaires : les atomes. Les atomes ne sont pas figés, ils sagitent autour dune position moyenne. Cest lamplitude de cette agitation qui fixe la chaleur dun corps. Cette agitation correspond à un état énergétique de la matière. La chaleur se transmet dun corps à lautre selon plusieurs modes qui sont : le rayonnement, la conduction et la convection.

20 1) Le rayonnement : La chaleur est transmise par les ondes lumineuses de type infra-rouge et obéissent aux lois de loptique. Nous sommes réchauffés par les rayons du soleil et nous même perdons de lénergie par rayonnement. rayons infra-rouge incident et réfléchis gla-gla !!! Les ondes infra-rouges ne pénètrent pratiquement pas notre milieu aquatique où elles sont très absorbées. Cest pourquoi il ne faut pas compter sur la chaleur des rayons solaires dans leau. La combinaison est indispensable. Il faut attendre dêtre sur le bateau pour se réchauffer

21 Sur le bateau, en cas densoleillement important la casquette est une bonne protection. Mais elle ne protège pas des rayons réfléchis par la surface de la mer. Les peaux sensibles doivent se protéger. Surtout en cas dexposition prolongée à surveiller la surface en attente de la remontée de ses amis. Le guide de palanquée doit conseiller aux débutants une protection efficace.

22 Température centrale du corps : 37°C Température cutanée : 33 à 34° C Léquilibre thermique est assuré pour un homme nu : dans de lair à 25°C, dans de leau à 33 – 34 °C Couverture réfléchissant les infra-rouges En cas dhypothermie on utilise une couverture recouverte dun matériaux réfléchissant les infra-rouges. Elle bloque ainsi le refroidissement du plongeur par rayonnement. Ce type de couverture est très efficace

23 2) La conduction La chaleur est un état dagitation de la matière. Lorsque un corps chaud touche un corps froid, lagitation du corps chaud gagne le corps froid par simple contact. Ce faisant, il y a un amortissement des mouvements thermiques dans le corps chaud dont la température diminue. Léchange de chaleur dépend de la surface de contact et de la nature des corps. Certains acceptent facilement le changement détat thermique. Ce sont des conducteurs thermiques. Dautre acceptent difficilement le changement détat thermique, ce sont les isolants thermiques. Cette qualité est quantifiée par la conductivité thermique en W/m².C° Leau est un bon conducteur thermique avec 0,624 W/m².C°. L air est un bon isolant thermique avec 0.024 W/m².C° (26 fois moins que leau) séparé en contact Corps chaud Corps froid La chaleur se propage Le corps chaud se refroidit Le corps froid se réchauffe

24 La conduction : Conséquences Notre métabolisme maintient la température du corps à une valeur constante. La surface de contact entre leau et la peau est grande. Les pertes de chaleurs sont compensées par une consommation d énergie néfaste au plongeur. Pour limiter ces échanges, on place entre leau et le corps un isolant thermique. Cest la combinaison. Le néoprène et lair sont de bons isolants thermiques Le principe des combinaisons mouillées est de bloquer le film deau entre la peau et le néoprène. Le principe des combinaisons étanches ou semi-étanches est dintercaler une couche dair. Cela permet de porter un vêtement lui même isolant. Lensemble est très efficace. peau du plongeur eau peau du plongeur eau peau du plongeur eau couche deau emprisonnée Combinaison mouillée La combinaison compressée par la pression est moins efficace Combinaison étanche ou semi étanche couche dair emprisonnée vêtement

25 3) La convection : La chaleur accroît létat dagitation de la matière qui à tendance à se dilater. La même masse occupe un volume plus grand. La densité diminue. Dans les gaz et les liquides, les fluides chauds plus légers subissent la pression dArchimède exercée par les fluides plus froids donc plus lourds. Il se produit des courants de convections. Les fluides chauds montent alors que les fluides froids descendent. Conséquences : Si la combinaison mouillée est trop large, elle favorise le refroidissement. Leau réchauffée par conduction au contact du corps est évacuée par le haut et remplacée par de leau froide selon un effet de convection. Cet effet est favorisé par les mouvements du plongeur. Le guide de palanquée doit conseiller aux débutants une combinaison bien ajustée.

26 Un plongeur qui se refroidit à tendance à se désintéresser de la plongée et à se redresser Cest défavorable car la position verticale favorise la convection alors que la position horizontale la limite sur la face inférieure. Le guide de palanquée doit rechercher lintérêt de ses plongeurs. Il vaut mieux réaliser un palier en position horizontale si on a froid. Refroidissement majoré Refroidissement minoré 4) Echanges thermiques par lair respiré Bien que lair ait un pouvoir calo porteur moindre que celui de leau le fait de respirer de lair détendu occasionne une déperdition calorique interne. Le phénomène saccroît avec la profondeur et de plus peut entraîner un givrage du détendeur en eau froide.

27 5 ) Matériel de protection contre le froid On peut distinguer 3 types de vêtements adaptés à la plongée : – Protection légère type shorty ou gilet denviron 2.5 mm pour eau chaude ou piscine. – Combinaison humide de 4 à 7 mm pour eau tempérée – Combinaison sèche pour eau froide, nécessitant un apprentissage particulier. Détendeur spécial anti-givre. Patch chauffants Couverture de survie.

28 ACOUSTIQUE Sommes nous dans le monde du silence ? Bien que lon enseigne aux plongeurs un moyen de communication gestuel les sons sont audibles sous leau : bruit de moteur du bateau, cris dans lembout, crissement de la langouste, cliquettement du dauphin, chant des baleines, impact des vagues, roulement des galets….. Éléments dacoustique : Le son produit une variation de pression dans un milieu. Une variation de fréquence élevée donne des sons aiguës. Une variation de fréquence basse donne les sons graves. Sa propagation et l absorbtion dépend de la nature de ce milieu et de la fréquence du son. Les sons aigües sont très absorbés, les sont graves sont peu absorbés. Dans lair la propagation est lente, de lordre de 330m/s alors que dans leau la propagation est rapide 1500m/s.

29 Conséquences : Analyse dun bruit dans leau : la perception des bruits de bateau dépend de la distance entre le bateau et le plongeur. La manière dont évolue le niveau sonore nous renseigne sur léloignement ou le rapprochement du danger. Sous leau le son est perçu à la fois par les oreilles et par la boites crânienne. Cette dernière ne peut indiquer la direction de la source sonore, les os de la boite crânienne se comportant comme une sorte de récepteur multidirectionnel. On ne peut pas non plus compter sur les oreilles pour localiser cette source sonore : Samuel perçoit fortement les sons graves et aiguës. Le bateau est proche VIGILANCE Bruno ne perçoit que les sons très graves et atténués. Le bateau est loin

30 Difficulté de localisation : nos oreilles ne perçoivent pas en même temps londe sonore. Il existe un décalage denviron 1/2000 ème de seconde dans lair. Cela suffit pour que notre cerveau parvienne à localiser la source sonore. Dans leau, du fait de la vitesse de propagation, ce temps est ramené à 1/9000 ème de seconde. Notre cerveau ne parvient plus à localiser la source. Louie ne peut servir à localiser un danger. Sans repères visuels, il faut dans tous les cas remonter à la surface après avoir effectué une rotation de 360°. Un voilier ne génère aucun son audible par le plongeur. ?

31 La propagation des sons graves dans leau trouve des applications. Le pétard de rappel : Le directeur de plonger peut prendre la décision denvoyer un pétard de rappel. Le son produit est grave, puissant et diffus. Lexplosion est perçue par toutes les palanquées qui doivent alors immédiatement remonter. En cas de bruit anormalement fort et grave, le guide de palanquée doit interrompre sa plongée en respectant les règles de gestion de la décompression. Le sondeur : Une application des infra-sons non perçus par lhomme est le sondeur pour mesurer la profondeur. Le sondeur émet un train dondes sonores bref. Un capteur écoute la réponse du fond. Lécart de temps entre lémission et la réception permet de calculer la profondeur. émission écho

32 Matériels de communication acoustique : – Pétard de rappel. ( à ne pas jeter sur les bulles) – Sifflet du stab (utilisation en surface) – Avertisseur sonore relié au direct-system – Shaker (grelot sous marin) – Moyens improvisés : choc sur bouteille avec le couteau etc… Cas particuliers La perception de bruits incongrus sous leau peut avoir pour origine une hallucination auditive générée par une narcose. Les explosions propagent une onde de pression fortement dommageable pour le système auditif et les organes creux du plongeur.

33 Exercice a) A la surface, la personne restée en sécurité sur le bateau, voit une explosion en mer se produire à distance et entend la détonation environ 30 secondes plus tard. A quelle distance se trouve le lieu de lexplosion ? b) Cela vaut il la peine denvoyer un pétard de rappel pour signaler le danger dune onde de choc subaquatique ? c) Quand les plongeurs percevront ils le bruit de lexplosion ?

34 Réponses a) 30 sec x 330 m/sec (vitesse du son dans lair) = 9900 m donc environ 10Km b) Non, les plongeurs auront perçu le son largement avant que le directeur de plongée ait eu le temps de lancer son pétard car : c) Lexplosion étant à 9 900 m / 1500 m/sec (vitesse du son dans leau) = 6,6 sec : temps de perception de lexplosion par les plongeurs. Nota : On considèrera que la vision de lexplosion est instantanée pour a). Lexercice ne préjuge pas de la nécessité de lancer quand même un pétard de rappel pour faire remonter les palanquées.