Ce document présente une formation de niveau 3 sur les lois physiques appliquées à la plongée, incluant des concepts tels que la flottabilité, la compressibilité des gaz, les pressions partielles et la dissolution des gaz. Il aborde également des notions d'optique et d'acoustique sous l'eau, en insistant sur les applications pratiques à la plongée. Le tout est assorti de calculs et d'exemples pratiques pour une meilleure compréhension des phénomènes physiques en milieu aquatique.

1. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Lois physiques
(Compressibilité, Pressions partielles, Dissolution,
Flottabilité, Acoustique, Optique, …)
Applications à la plongée
Philippe Jourdren
phil@philjourdren.fr

2. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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 ρ) : 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 ρeau douce = 1 000 kg/m3
• Masse volumique de l’eau de mer ρeau 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 : ρ = m/V
(kg/m3)
Densité : ρ1/ρeau douce (pas d’unité)

5. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Flottabilité
• Applications à la plongée
– Il faut soigner son lestage :
• On le vérifie à chaque plongée (rituel de mise à l’eau),
• 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. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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
P1 = (P2.V2) / V1 V1 = (P2.V2) / P1

9. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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, exprimée en degrés Kelvin.

11. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Compressibilité des gaz
• Relevage d’une ancre
– À 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. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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,
avec la poussée d’Archimède, elle a un poids apparent de 25 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 25 kg
– Pour que le parachute remonte l’ancre, il faut que son volume soit un peu supérieur à 25 litres,
considérons donc 26 litres. Les 100 litres d’air injectés occuperont un volume de 26 litres à une
pression absolue de 3,8 bar
– Donc à 28 mètres, le parachute pourra soulever l’ancre. Il faudra donc mettre un bout de 12
mètres pour relever l’ancre du fond, il y aura encore 12 mètres à remonter « à la main » !
P1.V1 = P2.V2

14. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Compressibilité des gaz
•
P1.V1 = P2.V2

16. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Compressibilité des gaz
•

18. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Dissolution des gaz
•

22. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Optique : Vision dans l’eau
• 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
• Conséquences de la réfraction
– Les objets semblent plus proches de 1/4
– Les objets semblent plus gros de 1/3

25. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Questions / Réponses

27. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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Mise à jour : Mars 2023
Certains schémas de cette présentation
sont extraits de Illustra-Pack 3 de Alain Foret