Lois Physiques - Plongeur Niveau 2 FFESSM

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Cours sur les lois physiques à l'attention des stagiaires préparant le brevet de Plongeur Niveau 2 FFESSM

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Lois Physiques - Plongeur Niveau 2 FFESSM

  1. 1. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionCompressibilité – FlottabilitéPressions partielles - DissolutionPhilippe Jourdrenphilippe.jourdren@laposte.net
  2. 2. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionPlan de la présentation• Introduction• Forces et Pression• Compressibilité (Loi de Boyle / Mariotte)• Flottabilité (Principe d’Archimède)• Pressions partielles (Loi de Dalton)• Dissolution des gaz dans les fluides (Loi de Henry)• Exercices tout au long du cours !
  3. 3. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionIntroduction• Pourquoi un cours sur la physique ?– Comprendre l’environnement auquel est soumis le plongeur– Les phénomènes physiques (ou lois physiques) peuvent être à l’origine d’un accident deplongée• Comprendre ces phénomènes, c’est déjà commencer à savoir éviter les accidents !• Compressibilité des gaz (Loi de Boyle / Mariotte)– Barotraumatismes– Calculs d’autonomie en temps de plongée• Flottabilité (Archimède)– Poumon-ballast– Poids apparent => Calculs de lestage• Pressions Partielles (Loi de Dalton)– Composition de l’air– Narcose, hyperoxie• Dissolution des gaz (Loi de Henry)– Saturation,– ADD– Tables de plongée (vues ultérieurement)
  4. 4. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionNotions : masse, masse volumique, densité• Masse (notée m) : Mesure d’une quantité de matière– Exprimée en kilogramme (kg), confondue avec le poids !!!– Philippe a une masse de 72 kg (en juin)• 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 placerdans 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 massevolumique 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)
  5. 5. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionNotions : forces, pressions• Force : Tout ce qui est capable de produire ou modifier lemouvement d’un corps, de déformer un corps– Définie par son sens, son point d ’application, son intensité– Le poids est une force (dûe à la gravité)• Pression : Force appliquée sur une surface– Mesurée en Pascal (Pa)• Pression atmosphérique Patmos = 101 325 Pa = 1 013,25 hPa– En plongée on utilise le bar (bar)• 1 bar = 100 000 Pa = 105 Pa• 1 bar est très proche de la pression atmosphérique• En plongée, il y a plusieurs concepts à comprendre et maîtriser– Pression atmosphérique (Patmos) : dûe au poids de l’air qui s’exerce à lasurface de l’eau– Pression hydrostatique (Phydro) : dûe au poids de l’eau qui s’exerce sur leplongeur– Pression absolue (Pabs) : somme des 2 Pabs = Patmos + Phydro
  6. 6. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionPression : Application à la plongée• Pression atmosphérique– On considère qu’elle est constante et qu’elle vaut 1 bar• Pression hydrostatique– Elle augmente avec la profondeurPatmos = 1 barPhydro = Profondeur / 10 barProfondeurA la surface10 m15 m20 m25 m30 m40 mPabs1 bar2 bar2,5 bar3 bar3,5 bar4 bar5 barPatmos1 bar1 bar1 bar1 bar1 bar1 bar1 barPhydro0 bar1 bar1,5 bar2 bar2,5 bar3 bar4 bar
  7. 7. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionPression : Application à la plongée• Notion de pression relative (pour info):– Lorsque le manomètre du bloc indique 0 bar• Cela signifie que le bloc n’est pas en pression (bloc vide)• Le contenu du bloc est à la pression de 1 bar– Lorsque le manomètre du bloc indique 200 bar• Cela signifie que le bloc est plein• Le contenu du bloc est donc à la pression de 201 bar• Conclusion– Pression Hydrostatique ≠ Pression Absolue !!!– À 20 mètres, il y a 3 bar de pression absolue– Ne pas abuser de la bière pression
  8. 8. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionCompressibilité des gaz• Rappels– Les solides sont non compressibles– Les liquides sont non compressibles (ou très peu)– Les gaz sont compressibles (ouf !)• Loi de compressibilité des gaz (dite Loi de Boyle-Mariotte)– A température constante, le volume d’un gaz estinversement proportionnel à la pressionP.V = constanteP1.V1 = P2.V2
  9. 9. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionCompressibilité des gaz• Mise en évidence– Les volumes varient avec la profondeur– Le volume du ballon diminue au fur et àmesure que la pression augmente– Le volume du ballon augmente au fur et àmesure que la pression diminue• Relations à la plongée– Origine de tous les barotraumatismes, ycompris la surpression pulmonaire• La compressibilité a des conséquences sur– L’autonomie en air du plongeur– La gestion du froid (écrasement de la combi)– La flottabilité du plongeur• C’est une loi fondamentale !– P . V = constante– P1 . V1 = P2 . V2
  10. 10. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionCompressibilité des gazCalcul d’autonomie en air• Enoncé du problème– 2 plongeurs s’immergent avec chacun un bloc de 12 litres gonflé à 200 bar.On suppose que leur consommation moyenne est de 18 litres d’air à laminute.– Quelle est le temps maximum d’immersion si ils plongent à 20 mètres etqu’ils stoppent leur plongée quand leur manomètre leur indiquera 50 bar ?• Solution– Stock d’air :• Stock total : 12 litres x 200 bars = 2 400 litres• Réserve : 12 litres x 50 bars = 600 litres• Stock réel d’air : 2 400 - 600 = 1 800 litres– Consommation à 20 mètres :• Pression absolue : 3 bar• 18 litres x 3 bar = 54 litres par minute– Autonomie théorique• 1 800 / 54 = 33,33 minutes– Dans ces conditions, les plongeurs pourront s’immerger 33 minutes à 20mètres
  11. 11. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionFlottabilité• Rappels– Certains objets flottent, d’autres coulent, certainss’immergent...– Explication via le principe d’Archimède• Enoncé– Tout corps plongé dans un liquide subit une poussée verticalede bas en haut égale au poids du volume d ’eau déplacé– Cette force, c ’est la Poussée d’Archimède• Notion de Poids apparent– Le poids apparent est le poids réel auquel on a soustrait laPoussée d’ArchimèdePapp = Préel - Parchi
  12. 12. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionFlottabilité : application à la plongée• Si Papp est positif alors leplongeur coule• Si Papp est négatif alors leplongeur remonte ou flotte• Si Papp est nul, alors le plongeurest équilibré !!!• Un plongeur convenablementlesté est équlibré et fait varier saflottabilité par le poumon-ballast(variation du volume, donc de laPoussée d’Archimède)• Exemple de calcul de Poids apparent– Considérons un bloc de 12 litres «pesant» 15 kg– Préel = 15 kg– Parchi = 12 kg– Papp = 15 - 12 = 3 kg• Le poids apparent est positif, le bloc coule !
  13. 13. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionFlottabilitéCalcul de lest• Enoncé du problème– 1 plongeur (appelons le Philippe) qui «pèse» 72 kg pour un volume de 70 litresplonge en carrière (eau douce) avec son bloc de 12 litres (masse de 15 kg), songilet stabilisateur de 10 kg (volume 16 litres) et sa combinaison de chasse(masse 1kg, volume 4 litres).– Comment devra-t-il se lester pour être correctement équilibré (c’est-à-dire avoirun poids apparent nul) ?– Pour aller plonger en mer, devra-t-il faire varier son lestage, et si oui, comment?• Solution– En carrière (Eau douce densité 1)• Préel = 72 + 15 + 10 + 1 = 98 kg• Parchi = 70 + 12 + 16 + 4 = 102 kg• Papp = Préel - Parchi = 98 - 102 = -4 kg• Le poids apparent du plongeur est négatif : il flotte. Pour avoir un poids apparentnul et être convenablement équlibré , il faut donc ajouter 4 kg de plomb• Son poids réel devient donc Préel = 98 + 4 = 102 kg– En mer (Eau salée densité 1,025)• Le poids réel ne change pas– Préel = 72 + 15 + 10 + 1 + 4 = 102 kg• La poussée d’archimède est modifiée !– Parchi = (70 + 12 + 16 + 4) x 1,025 = 102 x 1,025 = 104,55 kg• Papp = Préel - Parchi = 102 - 104,55 = -2,55 kg• Le poids apparent du plongeur est de nouveau négatif, il flotte donc• Pour avoir un poids apparent nul, il faut donc de nouveau ajouter du plomb,environ 3 kg.• Son lestage total est donc de 7 kg !!!Plongeur : 70litresBloc : 12 litresStab : 16 litresCombi : 4 litresDensité : 1,025(70+12+16+4)*1,025Parchi = 104,55Plongeur : 72 kgBloc : 15 kgStab : 10 kgCombi : 1 kgLest : 7 kg72+15+10+1+7Préel = 105
  14. 14. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionPressions partielles• L’air que nous respirons est un mélange de différentsgaz– Oxygène (O2) : 20,946 %– Azote (N2) : 78,084%– Gaz carbonique (CO2) : 0,033 %– Gaz rares (Hélium, Argon...) : 0,937 %• Par convention, pour la plongée– On ignore le CO2 et les gaz rares– O2 20 %– N2 80 %O2, 20.946N2, 78.084CO2, 0.033He, Ar, …, 0.967O2 N2 CO2 He, Ar, …
  15. 15. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionPressions partielles• La pression partielle d’ungaz dans un mélange estla pression qu’il exerceraitsi il occupait seul levolume considéré.• Enoncés de la loi– Dans un mélange gazeux,chaque gaz se comportecomme si il était seul àoccuper le volume– La somme des pressionspartielles est égale à lapression totale exercéesur le mélange– La pression partielle d ’ungaz dans un mélange estégale à la pression totalemultipliée par la fractiondu gaz composant lemélange0,6 bar d’O2 (20 %)2,4 bar de N2 (80 %)0,6 + 2,4 = 3 barPabs = PpO2 + PpN2
  16. 16. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionPression partiellesProfondeurA la surface10 m15 m20 m25 m30 m40 mPabs1 bar2 bar2,5 bar3 bar3,5 bar4 bar5 barPatmos1 bar1 bar1 bar1 bar1 bar1 bar1 barPhydro0 bar1 bar1,5 bar2 bar2,5 bar3 bar4 barPpO20,2 bar0,4 bar0,5 bar0,6 bar0,7 bar0,8 bar1 barPpN20,8 bar1,6 bar2 bar2,4 bar2,8 bar3,2 bar4 bar
  17. 17. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionPressions partielles• Applications à la plongée– Toxicité des gaz à partir d’une certaine pression partielle• Seuil de toxicité O2 PpO2 = 1,6 bar (-65 m à l’air)• Seuil de toxicité N2 PpN2 = 3,2 bar (-30 m à l’air)– Si la pression partielle d’O2 est trop faible, nous tombons ensyncope– Loi fondamentale pour la plongée aux mélanges• Nitrox (par exemple mélange O2/N2 40/60)• Trimix (par exemple O2/He/N2 32/20/48)• Heliox (par exemple O2/He 21/79)
  18. 18. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionDissolution des gaz• Enoncé de la loi– A température donnée, la quantité de gaz dissoute à saturation est proportionnelle à lapression exercée sur le gaz à la surface du liquide• Saturation– Signifie «Equilibre», il y autant de gaz qui rentre dans le liquide que de gaz qui en sort• Notion de Pression et de Tension• Applications à la plongée– base pour la décompression dans les tissus– Calcul des tables de plongée– Explication des accidents de dessaturation (ADD)• La dissolution n’est pas instantanée• La dissolution varie avec le gaz (plus ou moins soluble)• Si on fait augmenter la T°, la quantité de gaz dissoute diminue
  19. 19. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionDissolution des gazPressionpartiellede N2dans l’airrespiréTension de N2dissous dansle corps duplongeur
  20. 20. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionPour en savoir un peu plus…• Flottabilité : Archimède (-287 - -212 ?)– http://fr.wikipedia.org/wiki/Poussée_d ’Archimède• Compressibilité : Mariotte (1620 - 1684)– http://fr.wikipedia.org/wiki/Loi_de_Boyle-Mariotte• Pressions partielles : Dalton (1766 - 1844)– http://fr.wikipedia.org/wiki/John_Dalton• Dissolution : Henry (1797 - 1878)– http://fr.wikipedia.org/wiki/Loi_de_Henry– http://fr.wikipedia.org/wiki/Accident_de_décompression
  21. 21. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionQuestions / Réponses
  22. 22. Formation Niveau 2 – Saison 2012/2013Compressibilité – Flottabilité – Pressions partielles – DissolutionMerci pour votre attentionCertains schémas de cette présentationsont extraits de Illustra-Pack II de Alain Foret

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