Lois Physiques - Plongeur Niveau 3 FFESSM

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

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Lois Physiques - Plongeur Niveau 3 FFESSM

  1. 1. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 Physique Lois physiques (compressibilité, Pressions partielles, dissolution, flottabilité, acoustique, optique, …) Applications à la plongée Philippe Jourdren philippe.jourdren@laposte.net
  2. 2. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 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
  3. 3. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 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
  4. 4. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 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)
  5. 5. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 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 !
  6. 6. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 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 kg 89 kg 93 l Dans notre exemple il faut 4 kg de lest pour équilibrer notre plongeur
  7. 7. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 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
  8. 8. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 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 = constante P1.V1 = P2.V2
  9. 9. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 Physique Compressibilité des gaz 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
  10. 10. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 Physique 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. 𝑃.𝑉 𝑇 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑃1.𝑉1 𝑇1 = 𝑃2.𝑉2 𝑇2 𝑇 ( °𝐾𝑒𝑙𝑣𝑖𝑛 ) = 𝑡 ( °𝐶 ) + 273
  11. 11. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 Physique 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 !
  12. 12. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 Physique 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 ?
  13. 13. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 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
  14. 14. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 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 ?
  15. 15. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 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
  16. 16. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 Physique 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 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 ?
  17. 17. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 Physique Compressibilité des gaz • 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 !
  18. 18. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 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
  19. 19. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 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.
  20. 20. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 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.
  21. 21. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 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
  22. 22. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 Physique 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
  23. 23. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 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.
  24. 24. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 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
  25. 25. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 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
  26. 26. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 Physique Questions / Réponses
  27. 27. Formation Niveau 3 - Saison 2016/2017 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

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