APNEE A3
NOTIONS DE PHYSIQUE
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POURQUOI DE LA PHYSIQUE EN APNEE ?
NIVEAU 3 = EXPLORATION DE LA PROFONDEUR
LE MILIEU AQUATIQUE N'EST PAS UN MILIEU NATUREL POUR NOUS
IL FAUT LE COMPRENDRE POUR L'APPREHENDER PLAN DU COURS :
LES PRESSIONS
LOI DE MARIOTTE
POUSSEE D'ARCHIMEDE
LOI DE DALTON
LOI DE HENRI
CONCLUSION
Sandrine Courant 2016
Les pressions
La pratique de l'apnée nous soumet rapidement au contact de l'eau.
L'eau, beaucoup plus dense que l'air, applique des pressions non négligeables.
Que sont les pressions et quels effets peuvent avoir en apnée ? La pression (P) est une force (F) par unité de surface (S) :
P Pascal= F Newton/ S m² ou P bar= M kg/ S cm²
En apnée la pression s'exprime en bar : 1 bar = 1 kg/1cm²
La pression atmosphérique est d'environ 1 bar au niveau de la mer et diminue faiblement avec l'altitude
(on perd 0.1 bar par kilomètre jusqu'à 5000 m )
La pression hydrostatique est nulle à la surface de l'eau et augmente de 1 bar tous les 10m de profondeur
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Plan :
•Les pressions
Les pressions....
La pression atmosphérique P atmosphérique= 1 bar
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La pression hydrostatique
P hydrostatique(bar) = Profondeur (mètre) / 10 Plan :
•Les pressions
Les Pressions....
En apnée nous sommes soumis aux 2 pressions : atmosphérique et hydrostatique
Le résultat est la pression absolue : Pabs
Pabs = Patm + Phydro
Plan :
•Les pressions
Les pressions....
P absolue= P atmosphérique+ P hydrostatique
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C’est la pression réelle à laquelle est soumis tout corps immergé
La pression double entre 0 et 10 mètres, 10 et 30 mètres, 30 et 70 mètres.
Plan :
•Les pressions
Loi de Mariotte
Les gaz ont la faculté de pouvoir être comprimés, ils sont donc compressibles.
Plus la pression augmente, plus le volume diminue. Leur produit est constant :
Pression x Volume = Constante
Exemple: Un ballon de 6L à la surface est immergé.
Quel sera son volume à 10m puis à 20m ? P1x V1= P2x V2
A 10m :
1 x 6L = 2b x V2 soit V2=6/2 Le ballon aura un volume de 3L A 20m :
1 x 6L =3b x V2 soit V2= 6/3 Le ballon aura un volume de 2L
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Plan :
•Les pressions
•Loi de Mariotte
La loi de Mariotte
Quels effets pour nous apnéistes ?
• Lors des descentes : La pression augmente et s'applique donc aux gaz emprisonnés dans les volumes suivants :
Masque, sinus, trompes d'eustache, poumons.
Si cavités souples = diminution des volumes = écrasement des poumons , de la jupe du masque.
Si cavités rigides = augmentation des tensions = douleurs des sinus, des tympans, des yeux (plaquage du masque).
Importance de la compensation dans les premiers mètres :
Pour rétablir un équilibre et diminuer les tensions (oreilles, sinus, masque...)
• Lors des remontées :
Augmentation de ces volumes
Augmentation de la flottabilité du plongeur
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Plan :
•Les pressions
•Loi de Mariotte
La poussée d'Archimède
Tout corps plongé dans un liquide reçoit de la part de celui ci une poussée verticale du bas vers le haut égale au poids du volume du liquide déplacé.
Tout dépend de deux facteur : LE POIDS ET LE VOLUME
Plan :
•Les pressions
•Loi de Mariotte
•La poussée d’Archimède
La poussée d'Archimède...
Plan :
•Les pressions
•Loi de Mariotte
•La poussée d’Archimède
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Une bouteille de plongée est lourde quand on l'a sur le dos et devient
beaucoup plus légère lorsqu'on s'immerge. La bouteille semble avoir un autre poids…
Le poids que nous apparaît avoir la bouteille est appelé POIDS APPARENT par opposition au POIDS RÉEL.
Le poids apparent est plus faible que le poids réel et la différence entre les deux est due à la poussée d'Archimède
Poids apparent = Poids réel –poussée d’Archimède
La poussée d'Archimède...
Plan :
•Les pressions
•Loi de Mariotte
•La poussée d’Archimède
Exemple :
Un apnéiste et sa combinaison (60 kg) s'immergent.
Le tout a un volume de 62 l (soit 62 kg d'eau déplacée).
Poids apparent = Poids réel - poussée d’Archimède Papp = 60 kg - 62 kg = -2 kg : l'apnéiste monte
L'apnéiste saisit une gueuse de 5kg
Papp= 65Kg-62 Kg = 3 kg : il entame sa descente...
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La poussée d'Archimède...
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Plan :
•Les pressions
•Loi de Mariotte
•La poussée d’Archimède
Application à l'apnée....
Le cycle respiratoire peut mobiliser des volumes différents.
-Le volume courant est en moyenne de 0,5 ℓ (volume d'air inspiré et expiré lors d'un cycle normal, sans intervention volontaire).
-Le volume de réserve inspiratoire vaut 2,5 ℓ en moyenne (volume supplémentaire pouvant être inspiré lors d'une inspiration forcée).
-Le volume de réserve expiratoire vaut 1,5 ℓ en moyenne (volume supplémentaire pouvant être expiré lors d'une expiration forcée).
-Le volume résiduel est d'environ 1,5 ℓ (volume restant dans les poumons après une expiration forcée -renouvellement fait par brassage).
Un apnéiste modifie sa flottabilité en faisant varier le volume d’air dans ses poumons et son poids apparent entre +1,5kg et -2,5kg.
Poids apparent (expiration forcée) Fosse - sans combinaison (1) = 1 kg
Lac 2 kg - avec combinaison 5mm (2) = -1 kg Lac 4kg - avec combinaison 5mm (3) = 0,7 kg Mer 2kg - avec combinaison 5mm (4) = -1,1 kg Mer 4kg - avec combinaison 5mm (5) = 0,5 kg
Exemple :
Un apnéiste avec une Capacité Pulmonaire Total (CPT) de 5 litres et
un Volume Résiduel (VR) de 1,5 litres
Données indicatives pouvant varier suivant les personnes
Test de flottabilité individuel à réaliser
La poussée d'Archimède...
La poussée d'Archimède...
Application : Archimède et Mariotte en poids constant
Évolution du poids apparent en fonction de la profondeur (tableau indicatif)!
! ! !
La loi de Dalton
L'air que nous respirons est un mélange de plusieurs gaz. Il contient à peu près : - 78% d'azote (N2)
- 1% d'oxygène (O2)
-0,3% de dioxyde de carbone (CO2) -0,97% de divers gaz (néon, argon...) Nous retiendrons :
Plan :
•Les pressions
•Loi de Mariotte
•La poussée d’Archimède
•La loi de Dalton
Gaz rares 0,07%
O2 20,90%
CO2 0,03%
N2 79,00%
La loi de Dalton...
Ces pressions évoquées dans la loi de Dalton s'appellent :
« pressions partielles des gaz »
Plan :
•Les pressions
•Loi de Mariotte
•La poussée d’Archimède
•La loi de Dalton
La pression partielle d’un gaz dans un mélange gazeux est égale à la pression (absolue) du mélange, multipliée par la concentration de ce gaz dans le mélange (son pourcentage dans le mélange).
Pp gaz1 = Pabs x Pourcentage gaz1 Exemple :
Dans l’air que nous respirons il y a 20% d’O2. La pression de cet air est de 1bar abs.
La pression partielle de l’oxygène O2 dans l’air est : Pp O2 = Pabs x %O2
= 1b x 20/100 = 0,2 bar.
La loi de Dalton...
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•Loi de Mariotte
•La poussée d’Archimède
•La loi de Dalton
Permet d'expliquer certains phénomènes :
Pourquoi est-il agréable de faire une apnée statique à 10m ? (Ptot = 2 bars),
Supposons que l'apnéiste décide de remonter alors que l'oxygène de son sang = 10% des gaz dissous , alors
Pp O2 = 10% x 2 = 0,2 bar > Pp O2 hypoxique (0,17bar) , d'où de bonnes sensations
Lors de sa remontée et avant la surface (< 7m) : PpO2 < PpO2 hypoxie (0,17 bar)
En poursuivant ( <1m) :
PpO2 < PpO2 anoxie (0,11 bar) …...
La loi de Dalton...
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•La poussée d’Archimède
•La loi de Dalton
La loi de Henri
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•Loi de Mariotte
•La poussée d’Archimède
•La loi de Dalton
•La loi de Henri
Lorsqu'un gaz est mis en contact avec un liquide, une partie de ce gaz se dissout dans le liquide.
Différents facteurs influencent le degré de cette dissolution, en particulier la Pression et le Temps.
Le corps humain étant composé à 70 % d'eau il s'effectue des échanges entre les mélanges gazeux contenu dans les
poumons et les tissus humains.
L'apnéiste par la pression qu’il subit en immersion est directement affecté.
La loi de Henri...
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•La loi de Dalton
•La loi de Henri
Par Exemple :
L’eau du bocal contient de l’Oxygène O² dissous que le poisson absorbe et
transforme en Dioxyde de carbone CO² On pose une assiette sur le bocal pour
empêcher le poisson de sauter ou empêcher le chat de l’attraper
L’Oxygène ne se renouvellera pas et il n’y aura plus de problème avec votre poisson
( Couic ! )
L’échange gazeux avec le liquide se fait dans les 2 sens jusqu’à obtention d’un équilibre entre les deux corps.
La loi de Henri...
Plan :
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•La poussée d’Archimède
•La loi de Dalton
•La loi de Henri
A température constante et à saturation, la quantité de gaz dissous dans un liquide est proportionnelle à la
pression qu'exerce ce gaz sur le liquide.
SATURATION Pression = Tension
SOUS-SATURATION Pression > Tension
SURSATURATION Pression < Tension
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De nombreux facteurs influent sur la quantité de gaz absorbé par un liquide : LA PRESSION
LA DUREE
LA TEMPERATURE
L’AGITATION DU GAZ ET LIQUIDE
LA SURFACE DE CONTACT LA SOLUBILITE DU GAZ
LA NATURE DU LIQUIDE
Le plongeur immergé en profondeur
La dissolution n’est pas immédiate, agit donc sur le temps de plongée
La dissolution des gaz augmente quand la température diminue Effort important en plongée augmente la dissolution des gaz
Les poumons du plongeurs
Dissolution de l'azote est différente suivant le tissu organique : muscle, graisse, os ….
En plongée, pression partielle Azote importante
La loi de Henri...
La loi de Henri...
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•La loi de Dalton
•La loi de Henri
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A LA SURFACE
La dissolution des gaz dans les liquides de notre
organisme se trouvent dans un état de SATURATION ou EQUILIBRE
A LA DESCENTE
La pression augmente :
Les quantités de gaz dissous dans l’organisme augmentent L'organisme consomme l'oxygène dissout mais l'azote reste dissous dans les organes
A LA REMONTEE
La pression diminue
L'organisme est en sursaturation
L'azote dissous dans les tissus va tendre à retourner à l'état gazeux Formation de micro bulles d'azote dans les organes et le sang
Les bulles sont acheminées par le sang vers les poumons et éliminées par la respiration
La loi de Henri...
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• En apnée, les descentes répétées en profondeur + une récupération pas assez importante = accumulation
progressive d’azote dans les tissus
Sécurité : la dissolution des gaz dans les tissus est à l’origine d’Accidents De Décompression (ADD).
L’accident de « Taravana » a été décrit dès 1947.
Profondeur, durée,répétitions et temps de récupération sont des facteurs importants
Conclusion
- Connaître ces phénomènes physiques vous permettra de pratiquer vos apnées en sécurité
- De comprendre et d'appréhender les risques et accidents en apnée
Merci !!!
Références :
- Cours de physique de Cédric Viou,2015 (CR Centre Apnée)
- Codep CDY78 ( Connaissances théoriques du niveau 3 et 4 Apnée) - Plongée Plaisir niveau 3 (Alain Foret et Pablo Torres, Editions Gap)
http://fr.wikipedia.org/wiki/Poussée_d'Archimède
