pressions et lois physiques appliquées à la plongée....

18
Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 19 mars 2015 COMMISSION TECHNIQUE DU CSAR PSM Emmanuel PETIT – MF1 n° 22358

Upload: others

Post on 06-Aug-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. …csarplongee.free.fr/supports_cours/2014-2015/2...Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 19 mars 2015

Pressions et lois physiques appliquées à la plongée.

Le 19 mars 2015

COMMISSION TECHNIQUE DU CSAR PSM

Emmanuel PETIT – MF1 n° 22358

Page 2: Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. …csarplongee.free.fr/supports_cours/2014-2015/2...Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 19 mars 2015

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

2

Page 3: Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. …csarplongee.free.fr/supports_cours/2014-2015/2...Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 19 mars 2015

COMMISSION TECHNIQUE DU CSAR PSM

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

3

Page 4: Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. …csarplongee.free.fr/supports_cours/2014-2015/2...Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 19 mars 2015

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)

4

Page 5: Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. …csarplongee.free.fr/supports_cours/2014-2015/2...Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 19 mars 2015

COMMISSION TECHNIQUE DU CSAR PSM

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

5

Page 6: Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. …csarplongee.free.fr/supports_cours/2014-2015/2...Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 19 mars 2015

COMMISSION TECHNIQUE DU CSAR PSM

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

6

Page 7: Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. …csarplongee.free.fr/supports_cours/2014-2015/2...Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 19 mars 2015

COMMISSION TECHNIQUE DU CSAR PSM

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.

7

Page 8: Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. …csarplongee.free.fr/supports_cours/2014-2015/2...Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 19 mars 2015

COMMISSION TECHNIQUE DU CSAR PSM

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

8

Page 9: Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. …csarplongee.free.fr/supports_cours/2014-2015/2...Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 19 mars 2015

COMMISSION TECHNIQUE DU CSAR PSM

La flottabilité – Poussée d’Archimède (3/3)

9

Page 10: Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. …csarplongee.free.fr/supports_cours/2014-2015/2...Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 19 mars 2015

COMMISSION TECHNIQUE DU CSAR PSM

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) ?

10

Page 11: Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. …csarplongee.free.fr/supports_cours/2014-2015/2...Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 19 mars 2015

COMMISSION TECHNIQUE DU CSAR PSM

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

11

Page 12: Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. …csarplongee.free.fr/supports_cours/2014-2015/2...Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 19 mars 2015

COMMISSION TECHNIQUE DU CSAR PSM

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

12

Page 13: Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. …csarplongee.free.fr/supports_cours/2014-2015/2...Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 19 mars 2015

COMMISSION TECHNIQUE DU CSAR PSM

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)

13

Page 14: Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. …csarplongee.free.fr/supports_cours/2014-2015/2...Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 19 mars 2015

COMMISSION TECHNIQUE DU CSAR PSM

Poumons

Stab

Expiration

Inspiration

+ apnée

Dilatation

Compression ©Joël TALON

Les volumes – Applications (2/3)

14

Page 15: Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. …csarplongee.free.fr/supports_cours/2014-2015/2...Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 19 mars 2015

COMMISSION TECHNIQUE DU CSAR PSM

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)

15

Page 16: Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. …csarplongee.free.fr/supports_cours/2014-2015/2...Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 19 mars 2015

COMMISSION TECHNIQUE DU CSAR PSM

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) ?

16

Page 17: Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. …csarplongee.free.fr/supports_cours/2014-2015/2...Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 19 mars 2015

COMMISSION TECHNIQUE DU CSAR PSM

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

17

Page 18: Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. …csarplongee.free.fr/supports_cours/2014-2015/2...Pressions et lois physiques appliquées à la plongée. Le 19 mars 2015

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