Lois Physiques - Plongeur Niveau 3 FFESSM

6 589 vues

Publié le

Cours de plongée à destination des plongeurs préparant le Niveau 3 FFESSM. Lois Physiques : Compressibilité, dissolution, optique, acoustique, ...

Publié dans : Sports
0 commentaire
4 j’aime
Statistiques
Remarques
  • Soyez le premier à commenter

Aucun téléchargement
Vues
Nombre de vues
6 589
Sur SlideShare
0
Issues des intégrations
0
Intégrations
401
Actions
Partages
0
Téléchargements
303
Commentaires
0
J’aime
4
Intégrations 0
Aucune incorporation

Aucune remarque pour cette diapositive

Lois Physiques - Plongeur Niveau 3 FFESSM

  1. 1. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 Lois physiques (compressibilité, Pressions partielles, dissolution, flottabilité, acoustique, optique, …) Applications à la plongée Philippe Jourdren philippe.jourdren@laposte.net Physique
  2. 2. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 Plan • Introduction • Dissolution (Loi de Henry) – Mécanisme – Eléments de calcul de tables • Flottabilité • Vision dans l’eau • Notions de pression • Compressibilité (Loi de Boyle- • Acoustique Mariotte) – Incidence de la température • Questions / Réponses – Applications en plongée • Pressions partielles (Loi de Dalton) – Seuils de toxicité – Applications à l’air et au Nitrox Physique
  3. 3. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 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
  4. 4. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 Masse, Volume et Densité • Masse (notée m) : Mesure d’une quantité de matière • Volume (noté V) : Mesure d’un espace occupé par un objet • Masse Volumique (notée ) : Mesure d’une quantité de matière qu’on peut placer dans un volume – – – – – • Exprimée en kilogramme (kg), confondue avec le poids !!! Exemple : Philippe a une masse de 74 kg Exprimé en m3 1 litre d’eau occupe un volume de 1 dm3 Calculée en effectuant le rapport entre la masse d’un corps et son volume, exprimée en kg/m3 • • Masse volumique de l’eau douce Masse volumique de l’eau de mer = 1 000 kg/m3 3 eau salée = 1 025 à 1 035 kg/m eau douce 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
  5. 5. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 Flottabilité • Formulée à travers le principe d’Archimède : – « Tout corps plongé dans un fluide reçoit de la part de celuici 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
  6. 6. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 Flottabilité • Notion de Poids apparent – PoidsApparent = Poidsréel – PousséeArchimède – En plongée on considère que Poids = masse 93 l 89 kg Plongeur : 72 l Bloc : 12 l Combi : 3 l Gilet : 6 l Dans notre exemple il faut 4 kg de lest pour équilibrer notre plongeur Plongeur : 70 kg Bloc : 15 kg Combi : 1 kg Gilet 3 kg Physique
  7. 7. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 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
  8. 8. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 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 = constante P1.V1 = P2.V2 Physique
  9. 9. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 Compressibilité des gaz Profondeur (mètres) Pabs (bar) Surface 1 10 2 20 3 30 6 3 2 6 60 6 x 1,33 5 50 PxV x2 4 40 Volume occupé (litres) x 1,2 7 1,5 x 1,5 x 1,25 6 6 6 1,2 6 1 6 0,86 x 1,16 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, …) Physique
  10. 10. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 Compressibilité des gaz • 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. Physique
  11. 11. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 Compressibilité des gaz • 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
  12. 12. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 Compressibilité des gaz • 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
  13. 13. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 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) P1.V1 = P2.V2 – 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 » ! Physique
  14. 14. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 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
  15. 15. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 Compressibilité des gaz P1.V1 = P2.V2 Physique
  16. 16. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 Compressibilité des gaz • Température d’un bloc après gonflage – Après le gonflage de votre bouteille de plongée à 225 bar, la température du bloc est de 38° 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
  17. 17. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 Compressibilité des gaz Physique
  18. 18. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 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. Physique 0,6 bar d’O2 (20 %) 2,4 bar de N2 (80 %) 0,6 + 2,4 = 3 bar Pabs = PpO2 + PpN2 Pp = Pabs * %gaz
  19. 19. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 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
  20. 20. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 Dissolution des gaz • Les facteurs qui influencent la dissolution sont : La nature du gaz et du liquide – La pression, la température, la surface d'échange – • – La diffusion du gaz (c'est sa propriété à pouvoir pénétrer dans un liquide ) • L’air ne se dissout pas de la même manière dans l’eau et dans l’huile • • • La pression augmente la dissolution Le froid favorise la dissolution Plus la surface d’échange est grande, plus la dissolution est importante • 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
  21. 21. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 Dissolution des gaz Physique
  22. 22. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 Dissolution des gaz Période 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 tensions Ti = tension initiale Tf = tension finale Tréelle = tension du gaz à la fin de la période Physique
  23. 23. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 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
  24. 24. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 Optique : Vision dans l’eau • Conséquences de la réfraction • Conséquences de l’absorption – Les objets semblent plus proches de 1/4 – Les objets semblent plus gros de 1/3 – – – – 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
  25. 25. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 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
  26. 26. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 Questions / Réponses Physique
  27. 27. Formation Niveau 3 - Saison 2013/2014 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 Physique

×