Formation Apnée A4
Physique
Comité Régional Centre Apnée FFESSM
Cedric Viou 2016-2017
Plan du cours
● Pourquoi de la physique en apnée ???
● Quelques notions de physique :
● Pressions
● Loi de Mariotte
● Poussée d'Archimède
● Loi de Dalton
● Loi de Henry
● Conclusion
Pourquoi de la physique en apnée ???
● L'Homme (ainsi que la femme) ne sont pas des êtres aquatiques
● Certains phénomènes naturels qui prennent
place dans ce milieu sont totalement étrangers à des bipèdes terrestres
● La physique permet de comprendre comment fonctionnent ces phénomènes et de ne pas les laisser nous surprendre
Notions de physique pour l'apnée
● La pratique de l'apnée nous soumet rapidement au contact de l'eau
● L'eau, beaucoup plus dense que l'air, peut appliquer des pressions non négligeables
● Voyons ce que sont les pressions et les effets qu'elles peuvent avoir lors de notre activité
subaquatique
Notion de pression
● La pression exercée par un fluide,
principalement l'eau dans notre cas, est
perpendiculaire à la surface sur laquelle elle s'exerce
● On la note P, tel que P = F / S
● avec F, la force
● appliquée sur la surface de taille S
● Les "physiciens" dirons que la force se mesure en Newton (N) et la surface en m² pour donner une force en Pascal (Pa <=> N/m²)
1 Bar ???
● Nous préfèrerons utiliser des kilogrammes (kg) et des centimètres carré (1 cm x 1 cm) pour
obtenir une pression en bar
● Un bar est à peu près la pression qu'exerce la colonne d'air au dessus de nous au niveau de la mer : c'est la pression atmosphérique (Patm)
● On perd 0.1 bar par kilomètre jusqu'à 5000 m
Pression atmosphérique
40 km
1 Bar ???
● Nous préfèrerons utiliser des kilogrammes (kg) et des centimètres carré (1 cm x 1 cm) pour
obtenir une pression en bar
● Un bar est à peu près la pression qu'exerce la colonne d'air au dessus de nous au niveau de la mer : c'est la pression atmosphérique (Patm)
● On perd 0.1 bar par kilomètre jusqu'à 5000 m
● Un bar est la pression exercée par une colonne d'eau de 10 m : cette pression-là est la
pression hydrostatique (Phydro)
Pressions...
● En apnée, nous sommes soumis aux 2 pressions (la colonne d'air et la
colonne d'eau).
● Le résultat est la
pression absolue (Pabs)
● Pabs = Patm + Phydro
Loi de Mariotte
● La pression agit sur les volumes compressibles
● Les liquides ne sont pas comprimés par la pression
● La force exercée par la pression se propage de proche en proche à
travers les liquides jusqu'aux volumes gazeux.
Air Eau 0 m
10 m
30 m
1 bar
2 bar
4 bar 1
1/2
1/4 1 bar
2 bar
4 bar
Loi de Mariotte
1/2 litre 1 litre
Loi de Mariotte
● Plus la pression augmente, plus le volume diminue. En fait, leur produit est constant :
Pression x Volume = Constante
● Par exemple, suite à une inspiration forcée sur un
détenteur ou dans une grotte sous-marine, les poumons gonflés de 6 l d'air à 10 m :
Pabs = 1 + 1 = 2 bars
devraient avoir un volume de 12 l en surface... : Pabs = Patm = 1 bar
2 bars x 6 l = 1 bar x 12 l
Poussée d'Archimède
● Si vous échappez votre montre-ordinateur du bateau, elle va suivre une trajectoire fortement verticale dirigée vers le bas...
● Arrivée dans l'eau, ça dépend... ça dépend de la poussée d'Archimède.
● De manière barbare :
« Tout corps plongé dans un fluide au repos,
entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre, subit une force verticale, dirigée de bas en haut et opposée au poids du volume de fluide déplacé »
Poussée d'Archimède
Volume déplacé
Situations équivalentes
Poussée d'Archimède
Poussée d'Archimède
● De manière pratique, un objet (ou un plongeur, un truc, …) plongé dans l'eau voit son poids réel (Fp) diminué du poids de l'eau (Fa) que cet objet a déplacé. L'objet « semble » peser moins (Papp).
● Par exemple, une plongeuse et sa combinaison (60 kg) s'immergent. Le tout fait 62 l (soit 62 kg d'eau déplacée).
Papp = 60 kg - 62 kg = -2 kg
● Donc la plongeuse monte! Mais s'arrête, heureusement, à la surface, quand sa tête sort et que le volume d'eau déplacé n'est plus que de 60 l, soit 60 kg d'eau déplacée.
● La plongeuse saisit une gueuse de 5 kg.
Papp = 65 kg - 62 kg = 3 kg
● Elle entame sa descente sans effort.
Poussée d'Archimède
Loi de (John) Dalton
● Joe, William, Jack et Averell
● Si les 4 Daltons étaient comme Joe (un très méchant), ils seraient méchants-méchants-méchants-méchants.
● En fait, William, Jack et Averell sont surtout bêtes, ils diluent la méchanceté de Joe dans le groupe. Les Daltons sont
seulement marrants.
● Pareil pour les gaz
● Leurs effets sont dépendants de leur pression
● Si un gaz est dilué à x% avec d'autres composés à la
pression totale Ptot, alors ce gaz se comporte comme si il était pur à la pression partielle Pp, avec: Pp = x% * Ptot
Loi de Dalton
Loi de Dalton
Loi de Dalton
● Important pour expliquer certains phénomènes
● Exemple :
● Pourquoi est-il très agréable de faire une apnée statique à 20 m ?
● Ptot = 3 bars
● Pp O2 = 20 % * 3 = 0.6 bars
● Équivalent à respirer un mélange hyperoxygéné.
La loi de Henry
Lorsqu'un gaz est mis en contact avec un liquide, une
partie de ce gaz se dissout dans le liquide (et vice versa).
Différents facteurs influencent le degré de cette dissolution, en particulier le temps et la pression.
La loi de Henry décrit le comportement d'un gaz
lorsqu'on le met en contact avec un liquide en fonction de la pression exercée par ce gaz.
Loi de Henry
● Facteurs influant sur la dissolution
● La nature du gaz et du liquide :
● Selon les liquides et leur coefficient de solubilité, les gaz se dissolvent plus ou moins bien.
● La quantité de gaz dissout dépend du couple liquide-gaz considéré
● La température :
● Si la température augmente, la quantité dissoute diminue.
● Il y a peu d'influence de la température sur la dissolution des gaz en plongée car celle-ci se situe au niveau des échanges gazeux (corps) et donc varie peu.
● La surface d'échange :
● Plus la surface de contact entre un gaz et un liquide est grande, plus la dissolution sera rapide pour un même volume de gaz à dissoudre.
● La surface d'échange se situe au niveau des alvéoles pulmonaires.
● La diffusion :
● Capacité d'un gaz à pénétrer à l'intérieur d'un milieu où sa concentration y est plus faible.
● Le temps :
● Suit une loi dite « exponentielle »
● Variation forte au début
puis de plus en plus lente
La loi de Henry
A température constante et à saturation, la quantité de gaz dissout dans un liquide est proportionnelle à la pression qu'exerce ce gaz sur le
liquide.
La quantité de gaz dissoute dans le liquide est appelée la tension du gaz. Les échanges entre un gaz et la surface d'un liquide se font en
permanence, donc si les conditions extérieures restent stables, il s'établit entre la pression du gaz au dessus du liquide et la tension du gaz dans ce liquide un équilibre. On dit alors que le liquide est à saturation.
Loi de Henry
Saturation Pression = Tension Equilibre
Sous-saturation Pression > Tension Le liquide dissout du gaz pour tendre vers la saturation Sur-saturation Pression < Tension Le liquide rejette du gaz pour revenir à la saturation
Le corps humain étant composé à 70 % de liquide, il s'effectue des échanges entre les mélanges gazeux contenus dans les poumons et les tissus humain (muscles, sang, os...).
Donc la loi de Henry s'applique à notre organisme.
- Si nous laissons trop souvent l'azote se dissoudre dans notre corps et que nous lui
laissons pas assez de temps pour être éliminé « silencieusement », nous allons accumuler progressivement une tension d'azote.
- Lors d'une remontée rapide (systématique en apnée), une sur-saturation critique va
déclencher le dégazage anarchique de l'azote dans notre sang, sous forme de micro-bulles qui vont grossir en se regroupant et en subissant la loi de Mariotte
(Prof↓ => P↓ => V↑)
Lumière
● L'eau est un filtre naturel de la lumière.
● Elle absorbe plus ou moins fortement les diverses couleurs du spectre lumineux
Lumière à Port-Cros
Lumière en carrière
Déformation des images
● Sensation de rapprochement
● difficulté à saisir ou à percevoir les distances
● OU Impression d'objet plus grand
● Ben, non, c'tait pas pas un bar d'1.5 m
Propagation du son
● Le son est une onde acoustique
● Elle se déplace rapidement :
● 300 m/s dans l'air
● 1500 m/s dans l'eau
● Le cerveau utilise la différence de temps d'arrivée du son dans l'air entre les 2 oreilles pour
déterminer la direction d'arrivée d'un son, mais la différence, trop faible, dans l'eau rend ce système inopérant (avec les hors-bord, entre autres...)
Conclusion
● La Nature peut être décrite par la Physique et les Mathématiques.
● Savoir manipuler la Physique et les
Mathématiques permet de prédire la nature... et vos apnées !!!
Références
● http://olivierlebihanbis.free.fr
● http://plongee.amiral.free.fr/
● http://fr.wikipedia.org/wiki/Portail:Plongée_sous-marine
● http://fr.wikipedia.org/wiki/Apnée_(sport)
● http://fr.wikipedia.org/wiki/Poussée_d'Archimède
● http://fr.wikipedia.org/wiki/Loi_de_Mariotte
● http://fr.wikipedia.org/wiki/Hypoxie
● http://jrbarbeau.free.fr/wikini/wakka.php
● http://plongee.amiral.free.fr/formation/niveau4/loidehenryn4.htm
