Plongée Niveau II

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

2. 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

3. 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.

4. 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

5. 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

6. 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 !!

7. 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) !!

8. 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

9. Mariotte en plongée • Flottabilité • 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

10. 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

11. Mariotte en plongée • Vitesse de remontée • 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. Flottabilité • 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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

21. 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

22. 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)

23. 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 !!

24. 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

25. 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)

26. 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)

27. 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