Physique appliquée à la Plongée

1. Physique appliquée à la Plongée • Pressions • Les variations de volumes • La consommation d’air • La flottabilité • La Vision • L’Acoustique • La composition de l’air • La dissolution de l’air

2. Objectif Être capable de comprendre les notions physiques simples qui interviennent en plongée : • les effets du milieu, • les principes de fonctionnement du matériel, • l'autonomie en air, • la flottabilité. Tous ce qui est indispensable pour votre autonomie

3. Sur une surface de 1 cm² une colonne d'eau de 10m de hauteur exercera une pression de ~ 1 bar. 1 m3 = 1000 L 0,01m X 0,01m X 10m = 0,001 m3 = 1 L. Pression relative = Pression exercée par la colonne d'eau Pression absolue = Pression relative + Pression atmosphérique Les pressions PRESSION ATMOSPHERIQUE PRESSION RELATIVE OU HYDROSTATIQUE PRESSION ABSOLUE

4. La pression absolue Pabs = Patm + PHydro 0.8 b 2000 m Pression Atmosphérique 1 b surface Pression Hydrostatique Pression Absolue = 2 Bars 1 b - 10 m Pression Hydrostatique Pression Absolue = 3 Bars 2 b -20 m Pression Absolue = 4 Bars Pression Hydrostatique 3 b - 30 m

5. Les variations de volume La loi de Boyle Mariotte décrit les effets de la pression sur les gaz. Les gaz sont compressibles et en plongée ils se compriment à la descente (la pression augmentant) et se dilatent à la remontée (la pression diminuant). On immerge à 50 mètres de profondeur un ballon contenant un certain volume de gaz (5L).

6. Les variations de volume Volume La loi de Boyle Mariotte peut s’écrire de la manière suivante : P x V = constante ou encore P1 x V1 = P2 x V2 = P3 x V3 … • 1 x 30 = 30 • 2 x 15 = 30 • 3 x 10 = 30 • 4 x 7,5 = 30 • 5 x 6 = 30 • 6 x 5 = 30 C’est à dire :

7. Les variations de volume Les conséquences de la loi de Boyle Mariotte en plongée sont nombreuses : • accidents barotraumatiques :la compression ou la décompression de l'air dans l'organisme peut entraîner des accidents (volume qui double entre 10m et 0m). • effets sur la consommation d'air :l'air étant comprimé en profondeur, pour un même volume d'air inspiré la quantité d'air consommée augmente avec la profondeur. • effets sur l'équipement :utilisation du gilet stabilisateur, compression de la combinaison.

8. Les variations de volume :application Nous plongeons avec un Bloc de 12L court à 200 bars : • Combien cela ferait-il de volume d’air à 1 bar ? 12 L x 200 bars = 2400 L à 1 bar • Y a-t-il plus d’air dans un 12L long ? non • Y a-t-il plus d’air dans un 15L gonflé à 160 bars ? • 15 L x 160 bars = 2400 L à 1 bar •  pas de différence

9. La consommation d’air • Un plongeur ayant une autonomie d'air de 2 heures en surface verra cette autonomie être divisée : • par 2 à 10 mètres  1 heure, • par 3 à 20 mètres  40 minutes, • par 4 à 30 mètres  30 minutes, • par 5 à 40 m  24 minutes. Un homme essoufflé consomme 80 à 100 L par minute  4 à 5 fois plus  Faites le calcul… La ventilation de l'Homme en surface (pression = 1 bar) lors d'un effort modéré est d'environ 15 à 20 litres d'air par minute. A 10 mètres de profondeur, l'air est deux fois plus dense. Donc lorsqu'un plongeur respire 1 litre d'air à cette profondeur, cela correspond à 2 litres d'air en surface.

10. La consommation d’air :applications Exemple : calculons l'autonomie à 30 mètres de profondeur d'un plongeur respirant 15 litres d'air par minute et disposant d'un bloc de 12 litres à 200 bars. Deux méthodes peuvent être utiliser pour connaître son autonomie : Méthode 1 : calculer sa consommation en litres équivalent surface à la profondeur donnée.  Une consommation de 15 litres d'air à 30 mètres (4 bars) par minute correspond à : 15 x 4 = 60 litres d'air par minute en équivalent surface. Il suffit alors de diviser le volume d'air disponible en surface par 60 soit : (12x200)/60 = 2400/60 = 40 minutes. Le plongeur pourra rester 40 minutes. Méthode 2 : calculer le volume d'air disponible à la profondeur donnée. Les 2400 litres d'air disponibles en surface dans le bloc correspondent à : 2400 / 4 = 600 litres d'air à 4 bars. Le plongeur consommant 15 litres d'air par minute, on obtient une autonomie de 600 / 15 = 40 minutes.

11. La consommation d’air :applications D'autres paramètres influent sur la consommation d'air du plongeur, et donc sur son autonomie : • Le niveau de stress, généré par exemple par des conditions de plongée difficiles (faible visibilité, courant, luminosité). • Le froid. • L'équipement : un lestage mal adapté, une combinaison ou un gilet stabilisateur trop serré. • Le courant : il faut toujours partir à contre-courant, pour revenir dans le courant. • L'entraînement physique : une bonne hygiène de vie, un entraînement régulier en mer ou en piscine. • Un comportement "nerveux" : palmage inefficace ou rapide, mouvements de bras... • Le facteur physiologique : chaque individu à une consommation "de base" qui lui est propre (différence entre homme et femme).

12. La réserve Il convient de calculer son autonomie en tenant compte de la marge de sécurité. Tout plongeur doit amorcer sa remontée en ayant conservé 50 bars dans sa bouteille : c'est ce qu'on appelle communément la réserve. Il convient donc de retirer de la pression initiale de la bouteille les 50 bars de la réserve. Le volume d'air disponible en surface pour un bloc de 12 litres gonflé à 200 bars est alors de : (200-50)x12 = 1800 litres d'air. On obtient alors les calculs d'autonomie suivants : • Méthode 1 : Le plongeur consomme 60 litres d'air par minute à 30 m en équivalent surface. Son autonomie est de 1800 / 60 = 30 minutes. • Méthode 2 : Les 1800 litres d'air disponibles en surface correspondent à 1800 / 4 = 450 litres à 30 mètres. Le plongeur consomme 15 litres d'air par minute, son autonomie est donc de 450 / 15 = 30 minutes.

13. La flottabilité Pourquoi le plongeur N2 doit-il s’intéresser à la poussée d’Archimède? • La pratique de l’autonomie impose de contrôler à tout instant dans la plongée sa flottabilité. • Cela suppose de bien choisir et bien utiliser son équipement pour : • maîtriser son immersion • maîtriser sa stabilité • maîtriser sa remontée

14. La flottabilité Lorsqu’un plongeur s'immerge, cela met en jeu 2 forces qui s'opposent : • le poids réel, qui a tendance à le faire couler, • la poussée de l'eau, aussi appelée la poussée d'Archimède. Il en résulte un poids apparent. POIDS REEL Profondeur POUSSEE ARCHIMEDE

15. La poussée d’Archimède Tout corps plongé dans un fluide subit de la part de celui-ci une poussée verticale dirigée de bas en haut égale au poids du volume du fluide déplacé. Poids apparent = Poids réel - poussée d'Archimède POIDS REEL = 75kg  Poids apparent = -5 POUSSEE ARCHIMEDE Volume fluide (eau) = 80L = 80kg

16. La poussée d’Archimède P REEL <PA On monte P REEL =PA On s’équilibre P REEL > PA On coule POIDS REEL POIDS REEL POIDS REEL Poids Apparent positif Poids Apparent = 0 Poids Apparent négatif POUSSEE ARCHIMEDE POUSSEE ARCHIMEDE POUSSEE ARCHIMEDE En plongée, 3 situations :

17. La flottabilité : applications Un bloc vide d'une contenance de 15 litres pèse 18 kg en surface. Quel est son poids apparent une fois qu'il est immergé ? • 3 kg • 0 Kg • -3 kg • Il remonte • Il est à l’équilibre • Il coule • 15 Litres d’air à 200 bars pèsent 4 kg en surface. • Quel est le poids apparent du bloc plein ? • 7 kg • - 1 kg • 4 kg • Il remonte • Il est à l’équilibre • Il coule

18. La flottabilité Le plongeur jouera sur différents éléments pour faire varier sont poids apparent et ainsi s'équilibrer dans l'eau : - Le lestage - Le gilet stabilisateur - Le poumon ballast - Le poids de la bouteille (à noter que le poids réel de la bouteille diminue au cours de la plongée (consommation d'air), - La combinaison (à noter que le volume de la combinaison diminue avec la profondeur. - La différence carrière / mer (sel). L'eau de mer est plus lourde que l'eau douce, la poussée d'Archimède est donc plus importante en mer. • Ainsi 1 litre d'eau douce pèse 1 kg, • 1 litre d'eau de mer Atlantique environ 1.024 kg • 1 litre d'eau de mer à forte salinité (Mer Rouge) 1.044 kg. • 1 litre d'eau de mer à très forte salinité (Mer Morte) 1.275 kg.

19. La vision La vision sous marine subit des modifications liées à la différence d’indice de réfraction entre l’air contenu dans le masque et l’eau, ainsi que par l’absorption sélective de la lumière et la diffusion due aux particules de l’eau grossissement (d’un facteur 4/3 ) rapprochement (facteur ¾)

20. La vision L’absorption est due à l’eau. L’intensité lumineuse diminue et les couleurs disparaissent au fûr et à mesure de la profondeur.

21. L’acoustique • La vitesse de propagation d’un son dépend de la densité du milieu : • Dans l’airenviron 330 m/s • Dans l’eauenviron 1500 m/s • Dans l’eau 4,5 fois plus rapide que dans l’air • Conséquences : • La localisation des sons dans l’eau impossible. • Tour d’horizon

22. Composition de l’air 1 % d’autres gaz (Argon, Krypton, CO2, CO…) 21 % d’oxygène O2 Pour des raisons de commodités on "simplifie" souvent en disant que l'air se compose de : - 80 % d'azote - 20 % d'oxygène 78 % d’azote N2

23. Les pressions partielles:loi de Dalton Pp P abs % A température donnée, la pression d'un mélange gazeux (pression absolue) est égale à la somme des pressions partielles des gaz qui le composent. Autrement dit dans l’air : Pabs = Pression partielle N2 + Pression partielle O2 La pression partielle d'un gaz dans un mélange est égale au pourcentage de ce gaz dans le mélange multiplié par la pression absolue : Pression Partielle = Pabsolue x Pourcentage Gaz A la surface : Pp O2= 1 x 0,2 = 0,2 A 20 m : Pp O2= 3 x 0,2 = 0,6

24. Les pressions partielles: applications En effet la tolérance de l'organisme à divers gaz varie selon la nature des gaz et la pression à laquelle ils sont respirés. Ainsi à l’air : • L’oxygène est toxique au-delà de 70m • L’azote est toxique au-delà de 30m (narcose) • Le CO2 est toxique en trop grande quantité (essoufflement) En conséquence la loi de Dalton est utilisée pour calculer la profondeur limite de plongée à l'air, la mise au point des tables de plongée et la préparation des plongée aux mélanges (Nitrox, Trimix...).

25. La dissolution de l’air C’est bientôt fini

26. La dissolution de l’air Lorsqu'un gaz est mis en contact avec un liquide, une partie de ce gaz se dissoutdans le liquide. Différents facteurs influencent le degré de cette dissolution, en particulier la Pression et le Temps. Le corps humain étant composé à 70 % d'eau il s'effectue des échanges entre les mélanges gazeux contenu dans les poumons et les tissus humains. Le plongeur par la pression qu’il subit en immersion est directement affecté.

27. La dissolution de l’air Sous Saturation Sursaturation En plongée la valeur de dissolution de l'azote est déterminée en fonction de la variation de pression et du temps d’exposition dans l'organisme. Équilibre Saturation

28. La dissolution de l’air De nombreux facteurs influent sur la quantité de gaz absorbé par un liquide : LA PRESSION Le plongeur immergé en profondeur LA DUREE La dissolution n’est pas immédiate, agit donc sur le temps de plongée L’AGITATION DU GAZ ET LIQUIDE Effort important en plongéeaugmente la dissolution des gaz LA TEMPERATURE La dissolution des gaz augmente quand la température diminue LA SURFACE DE CONTACT Les poumons du plongeurs LA SOLUBILITE DU GAZ En plongée, Azote se dissout de manière importante LA NATURE DU LIQUIDE Dissolution de l'azote est différent suivant le tissu organique : muscle, graisse, os, ...

29. La dissolution de l’air :applications Ainsi quand le plongeur respecte la vitesse de remontée adéquate et les paliers de décompression, l'azote est évacué, l'organisme retrouve l'état de saturation et la remontée peut se faire en toute sécurité. A l'inverse, en cas de remontée rapide ou de non respect des paliers, la sur-saturation sera trop importante et les bulles ne pourront pas être éliminée par les poumons. Ces bulles seront alors acheminées vers les différents organes et, comme la pression baisse, leur taille augmente. Ces bulles, en obstruant les vaisseaux sanguins sont alors à l'origine des accidents de décompression.

30. Conclusion Un petit Quizz pour la semaine prochaine Prochain cours : 9 décembre : Le matériel