pressions et lois physiques appliquées à la plongée....
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Pressions et lois physiques appliquées à la plongée.
Le 19 mars 2015
COMMISSION TECHNIQUE DU CSAR PSM
Emmanuel PETIT – MF1 n° 22358
COMMISSION TECHNIQUE DU CSAR PSM
Sujets : les pressions et les lois qui s’y appliquent en plongée
Objectif du cours : Connaître les bases de physique expliquant les notions
de pression.
Observer les applications de ces notions de pression dans l’eau
Pré requis : mathématiques élémentaires
Introduction
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La pression – Notions (1/2) La pression correspond à une force répartie sur une
surface :
Pression (P) = Force (F) / Surface (S)
La pression diminue si la surface augmente et
inversement.
On la mesure en bar (b).
La pression absolue (P Abs), subie par le
plongeur est :
• P Atm : pression atmosphérique
• P Hyd : pression hydrostatique
hydatmabs PPP
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COMMISSION TECHNIQUE DU CSAR PSM
Pression atmosphérique
C’est le poids d’une colonne d’air de 1 cm² de surface et s’élevant
jusqu’au sommet de la couche atmosphérique (estimée à 36 km)
Elle est de 1 bar au niveau de la mer
Elle diminue d’environ 0,1 bar tout les 1000 m.
A 2000 m d’altitude : P Atm = 0,8 bar
Pression hydrostatique
C’est le poids d’une colonne d’eau de 1 cm² et d’une
hauteur correspondante à la profondeur d’immersion
Elle est de 0 bar au niveau de la mer
Elle augmente de 1 bar tous les 10 m de profondeur
A 20 m de profondeur : P Hyd = 2 bar ; à 36 m de
profondeur : P Hyd = 3,6 bar
hydatmabs PPP
Pression absolue en mer à
36 m :
P Abs = 1 + 3,6 = 4,6 bar
1 bar = 10 mCE (mètre de colonne
d’eau) = 1000 mB (millibar) = 1
KgF/cm² (kilogramme force / cm²) =
1000 Hpa (Hecto Pascal) = 760
mmHg (millimètre de mercure)
Et en lac à 2000 m ?
La pression – Notions (2/2)
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1 - Quelle est la pression absolue au niveau de la mer et à 3 m de profondeur ?
2 - Quelle est la pression absolue au niveau de la mer et à 28 m de profondeur ?
3 - Quelle est la profondeur correspondant à une pression absolue de 2,4 bar au niveau de la mer ?
4 - Quelle est la profondeur correspondant à une pression absolue de 4,2 bar au niveau de la mer ?
La pression – Exercices
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1 – Au niveau de la mer, la pression atmosphérique (P Atm)
est de 1 b. A 3 m de profondeur, la pression hydrostatique (P
Hyd) est de 0,3 b. On cherche P Abs = P Atm + P Hyd, soit P
Abs = 1 + 0,3 = 1,3 b
2 – Au niveau de la mer, la pression atmosphérique (P Atm)
est de 1 b. A 28 m de profondeur, la pression hydrostatique (P
Hyd) est de 2,8 b. On cherche P Abs = P Atm + P Hyd, soit P
Abs = 1 + 2,8 = 3,8 b.
3 – Au niveau de la mer, P Atm = 1 b. On connaît P Abs = 2,4
b . On cherche P Hyd. P Hyd = P Abs - P Atm = 2,4 – 1 = 1,4 b
soit 14 mètres de profondeur.
4 – Au niveau de la mer, P Atm = 1 b. On connaît P Abs = 4,2
b . On cherche P Hyd. P Hyd = P Abs - P Atm = 4,2 – 1 = 3,2 b
soit 32 mètres de profondeur.
La pression – Corrigé exercices
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La flottabilité – Poussée d’Archimède (1/3)
Tout corps plongé dans un fluide reçoit de la part de ce fluide
une poussée verticale, dirigée de bas en haut, égale au poids du
volume déplacé
La poussée d’Archimède compense plus ou moins le poids d’un
corps ou d’un objet, ce qui lui permet de flotter ou non.
La poussée d’Archimède (P Archi exprimé en kilogramme) dépend
du volume (V exprimé en litre) de l’objet et de la densité (d en
kilogramme par litre) du fluide : P Archi = V x d
densité : Eau douce : d = 1 ; Eau de mer : d = 1,03
volume : pour le plongeur, il varie en fonction de la profondeur (stab –
combi), de la corpulence, du poumon ballast, etc.
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La flottabilité – Poussée d’Archimède (2/3)
Poids apparent = Poids réel – Poussée d’Archimède
Si la poussée d’Archimède est plus importante que le poids réel,
le plongeur monte, et inversement.
poids apparent positif (>0) : poids réel plus important que la poussée
d’Archimède : le corps a tendance à couler
poids apparent négatif (<0) : poids réel moins important que la poussée
d’Archimède : le corps remonte vers la surface ou ne pourra pas descendre
poids apparent nul (=0) : poids réel égal à la poussée d’Archimède : le corps
reste en équilibre
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La flottabilité – Poussée d’Archimède (3/3)
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La flottabilité – Exercices
Un plongeur de 102 kg à un volume de 100 L en surface
1 - Que se passe-t-il dans le cas d’une plongée en eau
de mer (d = 1,03) ?
2 - Que se passe-t-il dans le cas d’une plongée en eau
douce (d = 1) ?
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1 - On cherche la poussée d’Archimède appliquée à un volume
de 100 L avec une densité (eau de mer) de 1,03 Kg/L. Cela fait
100 x 1,03 = 103 Kg. En surface, le poids réel de 102 Kg du
plongeur est moins important que la poussée d’Archimède (poids
apparent négatif). Donc le plongeur à tendance à flotter.
2 - On cherche la poussée d’Archimède appliquée à un volume
de 100 L avec une densité (eau douce) de 1 Kg/L. Cela fait 100 x 1
= 100 Kg. En surface, le poids réel de 102 Kg du plongeur est plus
important que la poussée d’Archimède (poids apparent négatif).
Donc le plongeur a tendance à couler.
La flottabilité – Corrigé exercices
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La loi de Mariotte-Boyle
L’abbé Edme Mariotte et le physicien Robert
Boyle mirent en évidence à peu près à la même
époque (XVII ème siècle), la relation qui lie la
pression d’un gaz et son volume.
Le volume V d’un gaz varie en fonction de la
pression P
P x V = constante
ou P1 x V1 = P2 x V2
Plus précisément : à température constante (T
mesurée en Kelvin : T en Kelvin = T en degré Celsius
+ 273), le volume (V) occupé par un gaz est
inversement proportionnel à sa pression (P)
ou P1 x V1 / T1 = P2 x V2 / T2
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Les volumes – Applications (1/3)
Application de la loi aux volumes
Un gilet stabilisateur contient 3 L (V1) d’air à 10 m (P1=2 bar)
A 20 m (P2=3 bar) : le volume du gilet est V2 = 2 L (2 x 3 = 3 x V2); à 5 m
(P2=1,5 bar) : V2 = 4 L; en surface : V2 = 6 L
Application de la loi à l’autonomie
En surface, un plongeur a besoin de ventiler entre 15 et 20 L d’air par minute.
Pour calculer l’autonomie, on égalise l’air disponible dans la bouteille à celui
nécessaire à la respiration :
Pb (pression bouteille disponible en bar) x Vb (volume bouteille en litre) = P Abs
(pression absolue plongeur en bar) x VR (volume respiration par minute en L/minute) x T
(temps en minutes)
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Poumons
Stab
Expiration
Inspiration
+ apnée
Dilatation
Compression ©Joël TALON
Les volumes – Applications (2/3)
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20 mètres
6 mètres
3 mètres
LES STABS SONT VIDES
LA STABILISATION SE
REALISE AU POUMON BALLAST
ON RESTE AU MOINS
3 MINUTES
©Joël TALON
Les volumes – Applications (3/3)
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Les volumes – Exercices
1 - Un plongeur veut descendre à 40 m avec un bloc
de 12 L. Il compte arriver au fond avec 180 bar. Sa
réserve est fixée à 80 bar. Il consomme 20 L/min.
Combien de temps peut-il passer au fond ?
2 - Un plongeur veut descendre à 35 m et y rester 20
min. Il compte arriver au fond avec 180 bar. Sa réserve
est fixée à 80 bar. Il consomme 15 L/min.
Quelle type de bouteille doit-il prendre (12 L ou 15 L) ?
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1 – Connaissant la formule Pb x Vb = P Abs x VR x T, on cherche le
paramètre T du temps de plongée. A 40 m, la pression absolue (P Abs)
du plongeur est de 5 bar. Le volume de la bouteille (Vb) est de 12 L. Le
volume respiratoire du plongeur est de 20 L/min en surface. La pression
bouteille à considérer doit être de Pb = 180 – 80 = 100 b. Cela donne un
temps T = (Pb x Vb) / (P Abs x VR) = (100 x 12) / (5 x 20) = 12 minutes.
2 – Connaissant la formule Pb x Vb = P Abs x VR x T, on cherche le
paramètre Vb du volume de la bouteille. A 35 m, la pression absolue (P
Abs) du plongeur est de 4,5 bar. Le temps de plongée recherché est de
20 minutes. Le volume respiratoire du plongeur est de 15 L/min en
surface. La pression bouteille à considérer doit être de Pb = 180 – 80 =
100 b. Cela donne un volume bouteille Vb = (P Abs x VR x T) / (Pb) = (4,5
x 15 x 20) / (100) = 13,5 litres. Il vaut mieux alors choisir une bouteille
de 15 L.
Les volumes – Corrigés exercices
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Conclusion La pression joue sur toutes les composantes de la
plongée !!!
Sans être un pro des maths, un peu de logique suffit !!!
BONNES PLONGEES A TOUS