Le 28/12/17 Frédéric Imbach
Apnéistes confirmés en eau libre
Notions de Physique
Pourquoi ?
Comprendre les effets du milieu
Théorème d’Archimède
Lois de Mariotte
Loi de Dalton Pression
Force Masse
Poids
densité
Unités…
Comprendre les mécanismes qui engendre les accidents pour mieux les prévenir
Masse volumique
PLAN
- Archimède et flottabilité
- Vision sous l’eau - Audition sous l’eau
- Rappel de quelques notions préliminaires - La pression
- La compressibilité des gaz, Mariotte
- Dalton, les pressions partielles
Rappel de quelques notions préliminaires
La Force :
C’est une interaction, une action dont la conséquence est la modification de la vitesse de l’objet sur lequel elle est appliquée…
Un sens, une intensité, une unité « le Newton »
Exemple de forces qui s’exercent en apnée :
la force gravitationnelle (force à distance)
Une force est un phénomène qui peut faire bouger ou déformer un objet.
la poussée d’Archimède (force de contact)
Rappel de quelques notions préliminaires
La Masse : représente la quantité de matière qui constitue l’objet (en kg)
Elle est fonction de la taille de l’objet
volume
Elle est fonction de la
nature de la matière
Rappel de quelques notions préliminaires
Le poids :
Le mot « poids » est souvent utilisé dans le langage parlé à tort pour désigner la masse d’un objet.
c’est la force exercée par la gravité sur un objet de masse m
En apnée, on assimilera des forces à des masses !
Rappel de quelques notions préliminaires
On verse dans une carafe de 1 litre :
La masse volumique :
La masse volumique est le rapport entre la masse d’un objet et son volume.
Pour un objet homogène, c’est une constante qui s’exprime en kg/m3.
c’est la masse d’un objet rapporté à son volume
Polystyrène Eau Cailloux
Qu’est ce qui est le plus lourd ?
Rappel de quelques notions préliminaires (fin)
La densité :
Pour les solides et les liquides, la référence est l’eau pure*
1 litre d’air à la pression atmosphérique pèse ~ 1,3 g (air sec à 0°C ~ 1,3 g / litre)
L’eau est ~ 770 fois plus dense que l’air
Matière Densité
Eau douce 1,0
Béton 2,4
Sable 1,6
Fer, acier 7,8
Or 19,3
Plomb 11,3
Huile d’olive 0,92
Essence 0,75
Eau de mer 1,03
*1 litre d’eau pure à 4°C à une masse de 1 kg
c’est la masse volumique d’un objet rapporté une masse volumique de référence (pas d’unité)
Le plomb est ~ 11 fois plus dense que l’eau….
Et la densité du corps humain ?
Densité Muscle ~ 1,7
Densité Graisse ~ 0,92
Densité Os ~ 1,8 en moyenne ~ 1,06
Densité du corps humain proche de celle de l’eau
La Pression
La Pression :
La pression s’exprime par le rapport entre force appliquée et surface : Pression = Force / Surface.
L’unité légale de pression est le Pascal. 1 Pascal correspond à une force d’ 1 Newton sur une surface de 1 m²
En apnée, on utilisera le bar (105Pascal ) : 1 kg/cm2
Une force peut s’exercer sur un objet à travers une surface plus ou moins grande. Pour une force donnée, si la surface d’application diminue, la pression augmente (et inversement) :
La pression subie en apnée
1. La pression atmosphérique
Nota : en altitude elle diminue environ de façon linéaire de 0,1 bar tous les 1 000 mètres jusqu’à 5 000 mètres
La Pression (suite)
La pression atmosphérique est due au poids de la colonne d’air.
A la surface de la mer : 1 kg/cm2 ou 1 bar ou 760 mm Hg.
La pression subie en apnée
2. La pression hydrostatique
3. la pression absolue est la somme des deux :
Patmosphérique + PhydrostatiqueLa Pression (suite)
La pression hydrostatique est due au poids de la colonne d’eau Elle augmente environ de 1 bar tous les 10 mètres.
Pression absolue 1 bar
1,5 bar 2 bar 2,5 bar 3 bar
4 bar
+ 50 %
+ 33 % + 25 %
+ 20 %
Profondeur 0 m 5 m 10 m 15 m 20 m
30 m
Plus on est proche
de la surface, plus les variations relatives de pression sont
importantes ! Variation
x2
Variation x2
Variation relative de la pression Coefficient
multiplicateur
La Pression (fin)
Compressibilité des gaz, La loi de Mariotte
Injection d’air à volume ~ constant
la pression augmente
Injection d’air à volume variable
La pression n’augmente pas
Il y a une relation entre pression et volume
La loi de Mariotte se rapporte aux variations de volume des gaz en fonction de la pression : (à température constante)
A la pression de 1 bar le volume est de 1 litre : 1 x 1 = 1 A la pression de 2 bar le volume est de 0,5 litre : 2 x 0,5 = 1
A la pression de 3 bar le volume est de 0,333 litre : 3 x 0,333 = 1 A la pression de 4 bar le volume est de 0,325 litre : 4 x 0,25 = 1
Compressibilité des gaz - La loi de Mariotte
Enoncé de la loi de Mariotte :A température constante, le volume d’un gaz est inversement proportionnel à la pression qu’il reçoit.
PV = Cste ou P1V1 = P2V2 = … = PnVn
Intervient dans Les accidents barotraumatiques
Intervient dans les variations de flottabilité
En apnée verticale, un volume de gaz emprisonné en surface va diminuer à la descente (pression augmente).
- l’écrasement de la combinaison néoprène,
Une quantité de gaz emprisonnée en immersion va voir son volume ré-augmenter à la remontée.
c’est ce qui se passe avec :
- les cavités d’air dans le corps humain : poumons, oreille moyenne, sinus...
- l’air dans le masque
- Les variations de flottabilé pendant la descente et la remontée
Archimède et flottabilité
Le théorème d’Archimède se rapporte au poids apparent des objets dans l’eau.
On a l’impression d’être plus léger dans l’eau que sur terre :
Enoncé du théorème d’Archimède :
Tout corps immergé dans un liquide reçoit de la part de ce liquide une poussée verticale dirigée de bas en haut égale au poids du volume de liquide déplacé
Poids apparent = poids réel– poussée d'Archimède
Papp < 0
Flottabilité positive
Papp = 0
Flottabilité neutre
Papp > 0
Flottabilité négative
Exemples de facteurs influençant la flottabilité :
Archimède et flottabilité
- La prise d’air avant apnée (volume pulmonaire)
- La combinaison (nature, épaisseur, résistance écrasement) - L’équipement de l’apnéiste (phare, palmes, appareil photo…) - le poids de l’eau déplacé
- le lestage
Le poids du volume de liquide déplacé… :
- un plongeur de volume 80 litres en eau douce déplace : (80 * 1) = 80 kg d’eau
- un plongeur de volume 80 litres en eau salée en mer déplace : (80*1,03) = 82,4 kg d’eau
variation du poids apparent de 2,4 kg (à corriger par le lestage)
- Volume de 6 litres en surface PV = 1b*6l = 6
- Volume de 2,4 litres à 15 mètres PV = 2,5b*2,4l = 6
Soit une variation de poids apparent de 3,6 Kg entre la surface et 15m de profondeur.
Le volume d’air des poumons varie avec la profondeur :
Volume indicatif combinaisons : Shorty : ~ 1/2 litres
Mono-pièce 3 mm : ~ 3/4 litres Mono-pièce 5 mm : ~ 4/5 litres Mono-pièce 7 mm : ~ 5/6 litres Deux pièces 7 mm : ~ 6/7 litres
Le volume de l’air embarqué dans les poumons
La compression combinaison
La densité de l’eau Zoom sur 3 facteurs du poids apparent de l’apnéiste, dont certains varient pendant l’immersion :
La combinaison se comprime avec les variations de pression :
- le néoprène des combinaisons comporte des bulles d’air qui se compriment sous l’effet de la pression (hypothèse d’écrasement de ~ 50%) :
variation du poids apparent de 1,2 kg avec une combinaison 3 mm
Archimède et flottabilité
variation du poids apparent de 1,8 kg avec une combinaison 7 mm
Archimède et flottabilité
Evolution de flottabilité d’un apnéiste en profondeur sans combinaison (80 kg et 83 l poumons pleins 6l) : - Sans lest supplémentaire
- Avec 1 kg de lest suppl.
- Avec 2 kg de lest suppl.
- Avec 3 kg de lest suppl.
Quel lestage choisir ?
Pas de lestage suppl.
Quel écart de flottabilité entre la surface et 24 m ?
Quels sont les risques ?
4,2 kg
indépendant du lestage
Archimède et flottabilité
Evolution de flottabilité d’un apnéiste en profondeur avec combinaison (81 kg et 89 l poumons pleins 6l) : - Avec 2 kg de lest suppl.
- Avec 3 kg de lest suppl.
- Avec 4 kg de lest suppl.
- Avec 5 kg de lest suppl.
Quel lestage choisir ? Fonction profondeur…
3 kg pour 24 m 4 kg pour 15 m
Quel écart de flottabilité entre la surface et 24 m ?
6 kg
indépendant du lestage
Quels sont les risques ?
Archimède et flottabilité
Evolution de flottabilité d’un apnéiste en profondeur avec différentes combinaisons ayant toujours flottabilité positive de 3 kg en surface :
- Avec combinaison 0 mm - Avec combinaison 3 mm - Avec combinaison 5 mm - Avec combinaison 7 mm
Influence de la combinaison ? Plus la combinaison
est épaisse, plus la variation de flottabilité est grande
Entre 4,2 et 6,4 kg Quelle Combinaison
choisir ?
Adaptée au milieu
Archimède et flottabilité
Flottabilité d’un apnéiste sur un parcours horizontal et vertical :
Poussée d’Archimède s’applique au centre géométrique ou de symétrie
de l’apnéiste
Pesanteur s’applique au centre de masse ou de gravité
de l’apnéiste
Effort de correction nécessaire
(couple) Pas d’effort
de correction
Le poids apparent est le même dans les deux cas…
Mais le point d’action des forces n’est pas le même !
Archimède et flottabilité
Flottabilité d’un apnéiste sur un parcours horizontal :
1. Avoir une flottabilité positive sécurité
Performance Mais pas trop…
Exploration peu profonde
Entrainement piscine
résultante
Archimède et flottabilité
2. Rapprocher le point d’action des forces : quels lestages et où les placer ?
Dépend position du corps, type équipement (combi, palmes…)
Archimède et flottabilité
Dépend de la silhouette de l’apnéiste et de son genre
morphotypes
Mince, squelette Étroit et long
Musclé Squelette large Prédisposé
embonpoint
Type de lestage différents …
Archimède et flottabilité
Synthèse flottabilité :
En apnée verticale : variation importante de flottabilité due à la compression du volume pulmonaire
En apnée horizontale : à + faible profondeur, lestage plus important qu’en vertical à même équipement Dépend du milieu :
Dépend de l’équipement de l’apnéiste : Dépend de l’apnéiste :
variation relative plus forte prêt de la surface
Réglage flottabilité par lestage – sécurité : toujours positif en surface, facilement largable Dépend beaucoup du volume d’air dans les poumons
plus grande en mer qu’en eau douce
plus grande avec combinaison morphologie…
variation plus forte avec combinaison et si combinaison plus épaisse lestage à adapter à la profondeur explorée
sécurité : au minimum positive dans la 2ème partie de la remontée et surface
sensibilité au point d’action des forces éviter le couple de force
sécurité : légèrement positive à la profondeur explorée, positive surface
utiliser de lestages adaptés à la morphomogie de l’apnéiste et à son équipement
Exercice d’application Gueuse légère
Descendre avec un poids
Archimède et flottabilité
Apnéiste de 80 kg / 85 litres avec une ceinture de 4 kg de lest, en mer.
Quelle masse pour le lest ?
P app apnéiste seul = 80+4 – 85*1,03 = 84 – 87,6 = - 3,6 kg « flottabilité positive » Si on prend un lest de 6 kg :
P app apnéiste + lest = 84+6 – 87,6 = + 2,4 kg « flottabilité négative »
On descend
Lâcher le poids au fond
Remonter
Exercice d’application gueuse lourde
La gueuse pèse 35 kg et de volume 15 litres. Le ballon à une capacité de 50 litres.
L’apnéiste retire sa ceinture de lest, il a une flottabilité nulle au fond à 20 m
Archimède et flottabilité
Descendre avec une gueuse Apnéiste de 80 kg / 85 litres avec une ceinture de 4 kg de lest, en carrière.
P app apnéiste surface = 80 – 85*1 = 80 – 85 = - 5 kg « flottabilité positive »
Combien de litres d’air à mettre dans le ballon pour décoller facilement du fond ? P app gueuse = 35 – 15*1 = 20 kg « flottabilité négative »
Papp apnéiste + gueuse = - 5 + 20 = 15 kg « flottabilité négative »
On descend très facilement…
P app apnéiste et gueuse au fond = 0 + 20 = 20 kg
Il faut plus de 20 litres d’air dans le ballon pour retrouver une flottabilité positive,
30 litres pour bien décoller…
Pourquoi des bulles d’air s’échappent-elles du ballon pendant la remontée ? 30 litres d’air, à 20 m cad à 3 bar : PV = 3*30 = 90
A la surface, P=1 bar : PV = 1*90 = 90 le ballon a une capacité de 50 l P = 90 / 50 = 1,8 b des bulles s ’échappent à partir de 8 m
Gonfler un ballon au fond
Remonter
Est-ce qu’on peut descendre facilement ?
Dalton, les pression partielles
On gonfle le pneu à l’azote N2 : 2 bar
Pression du mélange dans le pneu en final ? Puis on ajoute de
l’oxygène : 1 bar
N 2 O2 Mélange
N2 O2
2 b N2 + 1 b O2 = 3 bar
+
Dalton, les pression partielles
L’air que nous respirons est composé : - d’oxygène : ~ 20 %
- d’azote : ~ 80 %
2 bar d’air :
- Combien de pression d’azote N2 ? - Combien de pression d’oxygène O2 ?
Air
2 bar * 80% = 2 bar * 0,8 = 1,6 bar 2 bar * 20% = 2 bar * 0,2 = 0,4 bar
0,2 bar
0,8 bar
Les règles de Dalton
La pression exercée par un mélange gazeux est égale à la somme des pressions de chacun des gaz constituant le mélange s’il était seul dans l’enceinte : P = PP1 +PP2 +… + PPn
La pression partielle est égale au produit de la pression totale du mélange par le pourcentage du gaz dans le mélange : PP = % P
Chacune de ces pressions s’appelle « pression partielle ».
Dalton, les pression partielles
Evolution des pressions partielles de N2 et d’O2 en fonction de la profondeur : (hypothèse : pas de consommation d’O2 pendant la descente)
Cela permet de comprendre pourquoi on peut se sentir
bien au fond…
Mais aussi les risques de syncope à la remontée
Cela permet de comprendre les risques d’accidents de
désaturation pour les apnéistes profonds…
La vision sous l’eau
Les objets paraissent plus gros : de 33%
L’eau absorbe les couleurs de la lumière
Les objets paraissent plus rapproché : de 25%
L’audition sous l’eau
La vitesse de propagation du son dans l’eau est beaucoup plus rapide que dans l’air :
La localisation des sons dans l’eau est impossible : - Détection : plus de différence entre les 2 oreilles - Passe par la boite cranienne
La vitesse de propagation d’un son dépend de la densité du milieu :
* Dans l’air environ 330 m/s
* Dans l’eau environ 1500 m/s
Dans l’eau 4.5 fois plus rapide que dans l’air
