Lois Physiques - Plongeur Niveau 3 FFESSM

Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017

Physique

Lois physiques(compressibilité, Pressions partielles, dissolution,

flottabilité, acoustique, optique, …)

Applications à la plongée

Philippe [email protected]

mailto:[email protected]


Physique

Plan• Introduction

• Flottabilité

• Notions de pression

• Compressibilité (Loi de Boyle-Mariotte)– Incidence de la température– Applications en plongée

• Pressions partielles (Loi de Dalton)– Seuils de toxicité– Applications à l’air et au Nitrox

• Dissolution (Loi de Henry)– Mécanisme– Eléments de calcul de tables

• Vision dans l’eau

• Acoustique

• Questions / Réponses


Physique

Introduction

• Pourquoi (encore) un cours de physique ?

– Approfondir les notions vues au Niveau 1 et 2

– Comprendre finement les phénomènes et les appréhender dans le cadre de la plongée N3

– Se rappeler que les lois physiques peuvent être à l’origine d’un accident de plongée


Physique

Masse, Volume et Densité• Masse (notée m) : Mesure d’une quantité de matière

– Exprimée en kilogramme (kg), confondue avec le poids !!!– Exemple : Philippe a une masse de 74 kg

• Volume (noté V) : Mesure d’un espace occupé par un objet– Exprimé en m3

– 1 litre d’eau occupe un volume de 1 dm3

• Masse Volumique (notée ) : Mesure d’une quantité de matière qu’on peut placer dans un volume– Calculée en effectuant le rapport entre la masse d’un corps et son volume, exprimée en kg/m3

• Masse volumique de l’eau douce eau douce = 1 000 kg/m3

• Masse volumique de l’eau de mer eau salée = 1 025 à 1 035 kg/m3

• Densité (notée d) : Rapport entre masse volumique du corps étudié et masse volumique de l’eau douce– Permet simplement de comparer 2 corps entre eux– Pas d ’unité

• Densité de l’eau de mer : 1 025/1 000 = 1,025• Densité du plomb : 11 000/1 000 = 11 Masse : m (kg)

Masse volumique : = m/V (kg/m3)Densité : 1/eau douce (pas d’unité)


Physique

Flottabilité

• Formulée à travers le principe d’Archimède :

– « Tout corps plongé dans un fluide reçoit de la part de celui-ci une poussée verticale, dirigée de bas en haut, égale au poids du volume de fluide déplacé »

• Mise en évidence de la poussée d’archimède

– Prendre une savonnette et une bassine remplie d’eau

– La savonnette coule aussitôt

– Placer la savonnette pendant 15’’ au micro-ondes à 750 w

– La savonnette flotte !

– Pourquoi : elle a juste changé de volume tout en gardant la même masse et donc le même poids !


Physique

Flottabilité

• Notion de Poids apparent

– PoidsApparent = Poidsréel – PousséeArchimède

– En plongée on considère que Poids = masse

Plongeur : 72 l

Bloc : 12 l

Combi : 3 l

Gilet : 6 l

Plongeur : 70 kg

Bloc : 15 kg

Combi : 1 kg

Gilet 3 kg89 kg

93 l

Dans notre exemple il faut 4 kg de lest pour

équilibrer notre plongeur


Physique

Flottabilité

• Applications à la plongée– Il faut soigner son lestage :

• On le vérifie à chaque plongée,

• On conseille les autres,

• On a un regard critique sur le lestage des plongeurs de la palanquée.

• On note son lestage dans son carnet de plongée

– Choix de votre matériel en vue de plongées profondes• Volume du gilet stabilisateur

– Calculs de relevage d’ancre• Savoir déterminer combien d’air mettre dans un parachute de

relevage


Physique

Compressibilité des gaz

• La compressibilité des gaz a été mise en évidence

– Au Royaume-Uni, par Robert Boyle en 1662

– En France, par l’abbé Edme Mariotte en 1676

• Enoncé de la Loi de compressibilité des gaz (dite Loi de Boyle-Mariotte)

« A température constante, le volume d’un gaz est inversement proportionnel à la pression qu’il subit »

P.V = constanteP1.V1 = P2.V2


Physique


Profondeur (mètres)

Pabs (bar) Volume occupé (litres)

P x V

Surface 1 6 6

10 2 3 6

20 3 2 6

30 4 1,5 6

40 5 1,2 6

50 6 1 6

60 7 0,86 6

• Applications à la plongée– Les variations de volumes sont d’autant plus importantes que le

plongeur est proche de la surface.

– Barotraumatismes (oreilles, surpression pulmonaire, …)

x 2

x 1,5

x 1,33

x 1,25

x 1,2

x 1,16


Physique


• Incidence de la température– On constate que la compression d’un gaz s’accompagne

d’une augmentation de la température et que la détente s’accompagne d’une baisse de la température.

• Pompe à vélo, gonflage de blocs

• Vidage de blocs, de tampons

• La loi de Boyle-Mariotte prend en compte cet aspect

• Attention !– T représente la température absolue en exprimée en degrés

Kelvin.

𝑃.𝑉

𝑇= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒

𝑃1.𝑉1

𝑇1

=𝑃2.𝑉2

𝑇2

𝑇 ( °𝐾𝑒𝑙𝑣𝑖𝑛 ) = 𝑡 ( °𝐶 ) + 273


Physique


• Applications à la plongée

– Calcul d’autonomie et de calcul de consommation (Rappels Niveau 2)

– Problèmes de relevage d’ancre à l’aide d’un parachute

– Problèmes de gonflage de blocs à partir de tampons

– Problèmes de refroidissement de blocs après gonflage

• Mise en application au travers de petits exercices !


Physique


• Relevage d’une ancre

– A la fin d’une plongée à 40 m, on souhaite relever l’ancre du bateau (l’ancre occupe un volume de 10 dm3 et est constituée d’un métal de densité 3,5) à l’aide d’un parachute de 40 litres.

– Un Guide de Palanquée a encore un pression de 55 bar dans son bi-bouteille 2x10 litres. Il ne veut pas utiliser plus de 5 bar.

• Combien d’air peut-il mettre dans le parachute ?

• Est-ce que l’ancre peut monter ?

• Le plongeur a l’idée d’utiliser un bout entre l’ancre et le parachute. Quelle doit être la longueur du bout pour que le parachute remonte seul ?


Physique

Compressibilité des gaz• Relevage d’une ancre (solution)

– L’ancre occupe une volume de 10 litres (10 dm3) et a donc un « poids » de 10 x 3,5 = 35 kg

– A 40 mètres, on a une Pabs de 5 bar– 5 bar consommés dans le bi du GP représentent un volume global de 5

x 2 x 10 = 100 litres (à 1 bar)

– Ces 100 litres occupent un volume de 100 / 5 = 20 litres à 40 mètres (20 litres à 5 bar)

– L’ancre ne peut donc remonter : 20 litres de volume n’équilibrent pas 35 kg

– Pour que le parachute remonte l’ancre, il faut que son volume soit un peu supérieur à 35 litres, considérons donc 36 litres. Les 100 litres d’air injectés occuperont un volume de 36 litres à une pression absolue de 2,8 bar

– Donc à 18 mètres, le parachute pourra soulever l’ancre. Il faudra donc mettre un bout de 22 mètres pour relever l’ancre du fond, il y aura encore 22 mètres à remonter « à la main » !

P1.V1 = P2.V2


Physique

Compressibilité des gaz• Gonflage de blocs à partir de tampons

– Vous désirez gonfler un bi de 2×10 litres, sachant qu’il reste 30 bar dans le bi. Vous disposez de deux bouteilles tampons de 50 litres chacune, gonflées à 250 bar.

– Au préalable à tout calcul, vous semble-t-il possible de gonfler le bloc à exactement 200 bar ?

– Le bloc est mis en équilibre avec les deux tampons en même temps.• Quelle est la pression finale dans le bloc ?

– Le bloc est mis en équilibre avec les deux tampons l’un après l’autre.• Quelle est la pression dans le bloc lors du premier équilibre?

• Quelle est la pression dans le bloc lors du second équilibre ?

– Quelle est la méthode optimale de gonflage ?


Physique

Compressibilité des gaz• Gonflage de blocs à partir de tampons (solution)

– La pression des tampons est supérieure à la pression du bi, on peut donc gonfler !• Il y a 2x10x30 = 600 litres résiduels dans le bloc• Il y a 50x250 = 12 500 litres d’air dans chaque tampons, soit 25 000 litres au total

– Si on met en équilibre avec les deux tampons en même temps, la pression d’équilibre s’établit à :

•25 000+600

50+50+(2∗10)=

25 600

120≅ 213 𝑏𝑎𝑟

– Si on met en équilibre les deux tampons l’un après l’autre, la pression s’établit à, lors du premier équilibre :

•12 500+600

50+(2∗10)=

13 100

70≅ 187 𝑏𝑎𝑟

– Il y a donc maintenant 2x10x187 = 3 740 litres dans le bi.– La pression, lors du deuxième équilibre devient donc :

•12 500+3 740

50+(2∗10)=

16 240

70≅ 232 𝑏𝑎𝑟

– Avec la deuxième méthode, on a donc gagné pratiquement 20 bar de pressions !– Il faut cependant quand même faire attention à la pression de service du bloc !

P1.V1 = P2.V2


Physique


• Température d’un bloc après gonflage

– Après le gonflage de votre bouteille de plongée à 225 bar, la température du bloc est de 37° C.

– Avant de plonger, vous constatez que votre bloc s’est refroidi et que sa température est de 14° C.

– Quelle est la nouvelle pression de votre bouteille ?


Physique


• Température d’un bloc après gonflage (solution)

– On trouve la solution par une simple règle de 3 !

– Attention à ne pas oublier de convertir les °C en °K !!!

–𝑃

273+14=

225

273+37↔

𝑃

287=

225

310

– Donc 𝑃 =225 ∗287

310=

64575

310= 208 𝑏𝑎𝑟

– La pression dans le bloc refroidi a bien baissé !

𝑃1

𝑇1

=𝑃2

𝑇2

car V ne varie pas !


Physique

Pressions partielles• La notion de pression partielle d’un

mélange gazeux a été mise en évidence par John Dalton

• La pression totale d’un mélange gazeux se répartit en proportion de chacun des gaz qui le compose.– Par exemple dans l’air (21% d'O2 et

79% de N2)• 21% de la pression totale est exercée

par l’oxygène,• 79% par l’azote.

• La pression exercée par chacun de ces gaz s’appelle la pression partielle (Pp)

• la somme des pressions partielles est égale à la pression absolue.

• Dans un mélange gazeux, chaque gaz se comporte comme s’il était seul.

0,6 bar d’O2 (20 %)2,4 bar de N2 (80 %)

0,6 + 2,4 = 3 bar

Pabs = PpO2 + PpN2

Pp = Pabs * %gaz


Physique

Dissolution des gaz• Le principe de dissolution des gaz a été mis en évidence

par William Henry en 1803• Enoncé

– « A température constante et à saturation, la quantité de gaz dissous dans un liquide est proportionnelle à la pression du gaz au dessus du liquide »

• Lorsqu'un gaz est en contact avec un liquide il se produit un échange gazeux entre eux, le gaz se dissoud dans le liquide.

• La Tension est le nom donné à la pression exercée par le liquide sur le gaz dissous dans ce liquide.

• La Saturation est l'état par lequel la pression du gaz et sa tension dans le liquide sont en équilibre, c'est à dire lorsque le maximum de gaz est dissout.


Physique

Dissolution des gaz• Les facteurs qui influencent la dissolution sont :

– La nature du gaz et du liquide• L’air ne se dissout pas de la même manière dans l’eau et dans l’huile

– La pression, la température, la surface d'échange• La pression augmente la dissolution• Le froid favorise la dissolution• Plus la surface d’échange est grande, plus la dissolution est importante

– La diffusion du gaz (c'est sa propriété à pouvoir pénétrer dans un liquide )• L’azote se diffuse beaucoup mieux dans l’eau que l’oxygène

• La dissolution n'est pas instantanée, la période caractérise l'affinité entre le gaz et le liquide.– La Période est le temps nécessaire à un liquide pour atteindre la demi-saturation, à chaque

période le liquide dissout 50% du gaz.– L'évolution de la charge de gaz dans le temps est donnée par une équation qui à servi à

produire les tables de plongée : dp/dt=K(P-p0)– Haldane a résolu le premier cette équation, et pour cela il a émit des hypothèses pour

simplifier la résolution :• On détermine un certain nombre de tissus, chacun aura sa période.• La pression des gaz dissous est uniforme à l'intérieur d'un tissu,• Les tissus sont considérés comme isolés entre eux et n'échangent des gaz qu'avec la circulation sanguine,• La pression se transmet instantanément au gaz contenus dans les alvéoles pulmonaires.


Physique

Dissolution des gaz• Si on considère un tissu de période T = 10’, soumis à une

pression Pabs = 5 bar (soit 40 mètres de profondeur)

• le calcul de TN2 (tension d'azote) est le suivant :– Tf (Tension finale) = 0,80 x 5 = 4 bar

– T0 (Tension initiale) = 0,8 x 1 = 0,8 bar (en surface)

– Au bout de 10’, le tissu a dissout 50% de l'azote soit une tension de :

•4 −0,8

2=

3,2

2= 1,6 𝑏𝑎𝑟

– La tension d’azote TN2 dans le tissu est donc de 1,6 + 0,8 = 2,4 bar

– Pendant les 10’ suivantes, le tissu dissout (4 - 2,4)/2 = 0,8

– La tension du gaz dans le tissu est 2,4 + 0,8 = 3,2 bar


Physique

Dissolution des gazPériode Ti Tf Dissolution Tension réelle

1 0,8 4 (4 - 0,8) / 2 = 1,6 0,8 + 1,6 = 2,4

2 2,4 4 (4 - 2,4) / 2 = 0,8 2,4 + 0,8 = 3,2

3 3,2 4 (4 - 3,2) / 2 = 0,4 3,2 + 0,4 = 3,6

4 3,6 4 (4 - 3,6) / 2 = 0,2 3,6 + 0,2 = 3,8

5 3,8 4 (4 - 3,8) / 2 = 0,1 3,8 + 0,1 = 3,9

6 3,9 4 (4 - 3,9) / 2 = 0,05 3,9 + 0,05 = 3,95

… … 4 … …

Le tableau représente les tensionsTi = tension initialeTf = tension finaleTréelle = tension du gaz à la fin de la période


Physique

Optique : Vision dans l’eau• La vision est altérée par l’eau

– Nous devenons tous hypermétropes dans l’eau : notre œil est fait pour fonctionner dans l’air

• 2 phénomènes se superposent– Réfraction

• Lorsque la lumière change de milieu , elle change de direction. L'importance du changement de direction est donné par la différence entre les deux indices de réfraction des deux milieux.

– Air : 1,0003– Eau : 1,33– Verre : 1,5– Vide spatial : 1

– Absorption• Le milieu traversé absorbe l'énergie de la lumière (les photons)

sous forme de chaleur. L'absorption dépend :– du milieu– de la présence de particules– de la longueur d'onde.


Physique

Optique : Vision dans l’eau• Conséquences de la réfraction

– Les objets semblent plus proches de 1/4– Les objets semblent plus gros de 1/3

• Conséquences de l’absorption– Les couleurs disparaissent avec la profondeur.– Le rouge disparaît vers 5 mètres.– Le bleu disparaît vers 60 mètres.– Il faut emporter une lampe pour restituer la

vision des couleurs


Physique

Acoustique : propagation des sons dans l’eau

• Le son se propage très bien dans l'eau, l'atténuation est beaucoup plus faible que la lumière. Les ondes acoustiques sont le meilleur moyen de transmission dans l'eau.– Plus le milieu est dense, moins il est compressible et plus la vitesse de

propagation sera grande.

• La vitesse du son :– Dans l’air environ 330 m/s– Dans l’eau environ 1500 m/s– La propagation est donc 4,5 fois plus rapide que dans l’air

• Conséquences pour la plongée– On entend très bien les bruits, les bateaux.– On ne distingue pas la direction d'où vient le son– Un moteur de cargo (basses fréquences) s’entendra de loin– Un moteur de hors-bord (hautes fréquences) s’entendra au dernier

moment


Physique

Questions / Réponses


Physique

Merci pour votre attention

Certains schémas de cette présentation

sont extraits de Illustra-Pack II de Alain Foret

Retrouvez-moi sur

http://www.philjourdren.fr http://fr.slideshare.net/lizard2802

Twitter : @PhilJourdren

http://www.philjourdren.fr/

http://fr.slideshare.net/lizard2802

Lois Physiques - Plongeur Niveau 3 FFESSM

Sports

Transcript of Lois Physiques - Plongeur Niveau 3 FFESSM