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Physique et plongée
Formation GP – CODEP 89 – 2011 – Benoît Herr
Notions de physique en Notions de physique en plongéeplongée
Flottabilité, compressibilité, optique et Flottabilité, compressibilité, optique et acoustiqueacoustique
Physique et plongée
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Au programmeAu programme
Introduction
Quelques rappels
Flottabilité
Optique
Acoustique
Compressibilité des gaz
Physique et plongée
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Pourquoi ?Pourquoi ?
Physique (définition) :
Science correspondant à l'étude du monde qui nous entoure et des lois qui le régissent.
Importance des phénomènes physiques
- Comprendre pour réagir plus efficacement- Ne pas se mettre en situation de danger, ni soi-même ou sa palanquée- Être autonome- Prendre plaisir à plonger en toute connaissance de cause
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PrérequisPrérequis
Notions physiques simples permettant de comprendre les effets du milieu, les principes de fonctionnement du matériel, l'autonomie en air, la flottabilité.
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Connaissances théoriques Connaissances théoriques nécessaires au GPnécessaires au GP
- Flottabilité : Poids réel, poids apparent, problemes de relevage en association avec la loi de Mariotte. Densité et masse volumique.
- Compressibilité des gaz : maîtrise des problemes de tampon. La température : loi de Charles. Consommations, relevages.
- Pression partielle : regles de Dalton : toxicité des gaz. Notions sommaires sur les Nitrox.
- Dissolution de N2 dans le corps : loi de Henry. Connaissance du modele de Haldane : notion de compartiment. Connaissance tres succincte de l’existence d’autres modeles : diffusion, bulles circulantes,...
- Optique et acoustique : absorption, réflexion, réfraction,
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Au programmeAu programme
Introduction
Quelques rappels
Flottabilité
Optique
Acoustique
Compressibilité des gaz
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Quelques rappelsQuelques rappels
Notions d'algebre
A + B = C On cherche A<=> A + B - B = C - B <=> A = C - B
A x B = C On cherche A<=> A x B / B = C / B <=> A = C / B
A / B = C On cherche A<=> (A / B) x B = C x B <=> A = C x B = B x C
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Quelques rappelsQuelques rappels
Grandeurs physiques- Force : se caractérise par son intensité, sa direction, son sens. S'exprime en newton (N)
- Poids : force verticale dirigée vers le bas, due à la pesanteur
- Masse : quantité de matiere. S'exprime en kilogramme (kg)
P = M x g où g = 9,81 m/s2 (arrondi à 10, soit 2% d'approximation)
g étant pratiquement constant (à la surface de la terre), on s’autorise à assimiler les forces à des masses et à les exprimer en kg
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Quelques rappelsQuelques rappels
Grandeurs physiques
- Masse volumique : ρ = M / V. S'exprime en kg/m3
<=> M = ρ x V
- Densité : rapport de la masse volumique à celle de l'eau douce
d = ρ / ρ0
(Pas d'unité, c'est un rapport)
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Quelques rappelsQuelques rappels
Quelques densités
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Quelques rappelsQuelques rappels
Unités usuelles
- Volume : 1 m3 = 1000 l1 l = 1000 cm3 = 1 dm3
- Force : 1 kgf = 9,81 N(par souci de simplification, on utilise le kg)
- Pression : 1 bar = 100 000 Pa1 mbar = 100 Pa = 1 hPa1 atm = 1013 hPa = 1,013 bar = 760 mmHg
1 kg/cm2 = 0,981 bar1 bar = 14,5 PSI Donc 200 bar ≈ 3000 PSI
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Au programmeAu programme
Introduction
Quelques rappels
Flottabilité
Optique
Acoustique
Compressibilité des gaz
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FlottabilitéFlottabilité
Définition :Rapport entre poids et volume immergé Rappel : 1 litre d’eau pure = 1 dm3 = 1 kg
Principe d'Archimède
Tout corps plongé dans un fluide subit de la part de celui-ci une poussée verticale dirigée de bas en haut, d'intensité égale au poids du fluide déplacé
Fluide = milieu matériel parfaitement déformable. Gaz (fortement compressible) et liquides (peu compressibles)
Poids apparent = poids réel – poussée d'Archimede
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FlottabilitéFlottabilité
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FlottabilitéFlottabilité
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FlottabilitéFlottabilité
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FlottabilitéFlottabilité
Type de bouteille Poids apparent à vide en eau de mer
12 litres acier 2 à 2,5 kg
15 litres acier 2,5 à 3,5 kg
Aluminium -1 à -2 kg
Type de combinaison Volume indicatif en surface
Shorty < 1 litre
Monopiece 4 mm 4 à 5 litres
Monopiece 6 mm 4 à 6 litres
Monopiece 7 mm 5 à 6 litres
Deux pieces 6 mm 6 à 7 litres
Deux pieces 7 mm 6 à 8 litres
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FlottabilitéFlottabilité
Exercice
Correctement équilibré en Atlantique (densité 1,02) avec deux kg de lest, vous allez plonger en Mer Rouge (densité 1,03) avec le même équipement et à volume constant (90 litres).Devez-vous modifier votre lestage ?Si oui, comment ?
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FlottabilitéFlottabilité
Exercice
La poussée d'Archimede en Atlantique est de
90 x 1,02 : 91,8 kg
En Mer Rouge, elle passe à 90 x 1,03 = 92,7 kg
Soit 1 kg environ de plus.D'où nécessité de rajouter 1 kg
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Techniques de relevageTechniques de relevage
Exemple de l'ancre en panne
- Ce n'est pas un parachute de palier (20, 40 ou 100 l, voire plus) et beaucoup plus solides, avec sangles
Précautions à prendre : - s'assurer que toutes les palanquées sont remontées- ne pas plonger seul- vérifier son air (attention aux paliers)
Pendant l'opération :- Ne pas faire d'effort- Ne pas se mettre sur la trajectoire de l'ancre- Ne pas rester sous l'ancre
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Techniques de relevageTechniques de relevage
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Techniques de relevageTechniques de relevage
Il est donc nécessaire :- de connaître la profondeur de l'ancre- d'être en mesure d'évaluer ses paliers- d'évaluer la quantité d'air qui sera nécessaire au relevage de l'ancre
Exemple :- Poids apparent de l'ancre = 30 kg
Quelle est la poussée d'Archimede que le parachute devra exercer ?
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Techniques de relevageTechniques de relevage
En admettant que l'ancre soit coincée par 20m :- Combien de litres d'air seront nécessaires pour soulever l'ancre ?
- Quel pourcentage de votre bloc de 12l cela représente-t-il ?
- Quid des pertes d'air ? Des approximations ? De vos paliers ?
Attention donc :- A ne pas rester sur la trajectoire ascendante ou descendante de l'ancre- A ne pas tomber en panne d'air
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Au programmeAu programme
Introduction
Quelques rappels
Flottabilité
Optique
Acoustique
Compressibilité des gaz
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Le spectre lumineuxLe spectre lumineux
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Changement de milieuChangement de milieu
La vie d'un rayon lumineux dans l'eau
- Réflexion : partie qui ne pénetre pas- Réfraction : déviation du rayon- Absorption : production de chaleur- Diffusion : dû à la présence de particules
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Couleurs et chaleurCouleurs et chaleur
Absorption des couleurs
- Rouges disparaissent tres vite (vers 5 m)- Orangés : 10 à 15 m- Jaunes : 20 m- Verts : vers 40 m
Apres, il ne reste plus que les bleus... d'où le terme "descendre dans le bleu"
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Couleurs et chaleurCouleurs et chaleur
Conséquences en plongée
- Une lampe peut être utile même de jour !
- Bien choisir son ampoule et sa lampe en fonction de l'IRC (Indice de rendu des couleurs) :
- Incandescence : faible rendement mais lumiere chaude
- Halogene : lumiere plus blanche- HID (High Intensity Discharge) : tres blanche- LED (diode électroluminescente) : blanche et
faisceau étroit, mais tres faible consommation
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Anatomie de l'œilAnatomie de l'œil
Macula
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Vision sans masqueVision sans masque
Dans l'air, l'image se forme sur la macula.
- Image en avant = myope- Image en arriere = hypermétrope
Dans l'eau, l'image se forme derriere la rétine : l'œil est hypermétrope
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Vision avec un masqueVision avec un masque
- La lumiere traverse 3 milieux
=> Agrandissement par ouverture de l'angle (4/3)
=> Réduction de l'angle de champ, d'où rapprochement des objets
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Conséquences en Conséquences en plongéeplongée
S'ajoute à ces phénomenes optiques un rétrécissement du champ visuel (de l'ordre de 50 à 70% : de 180° à 120-90°) dans toutes les dimensions, lié à la jupe du masque
Comportement du chef de palanquée- Prendre en compte tous ces phénomenes, surtout avec des débutants- Se positionner dans le champ visuel des plongeurs, notamment pour faire les signes – diriger sa lampe vers le plongeur (de jour)- S'adapter aux conditions de visibilité- Prendre en compte les perturbations perceptives des débutants- Bien connaître son matériel pour accéder aux purges etc. sans recourir à la vision
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Au programmeAu programme
Introduction
Quelques rappels
Flottabilité
Optique
Acoustique
Compressibilité des gaz
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AuditionAudition
- Vibration du milieu sur le tympan
- Transmission à la fenêtre ovale via la chaîne marteau-enclume-étrier
- Vibration du liquide cochléaire transmise au cerveau via le nerf cochléaire
- Évacuation de l’onde de pression cochléaire dans l’oreille moyenne via la fenêtre ronde
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AuditionAudition
L'audition se fait aussi par d'autres biais de :- Transmission osseuse (processus mastoïde de l'os temporal) - Transmission par vibration du squelette entier (basses fréquences)
Notions physique :- Vitesse du son dans l'air à 15°C : 341 m/s- Vitesse du son dans l'eau douce : 1435 m/s- Vitesse du son dans l'eau de mer : 1500 m/s
=> l'onde sonore est différente, d'amplitude moindre et de plus grande longueur. Sa vitesse est liée à la densité du milieu.
L'audition sous-marine s'effectue principalement par voie osseuse
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AuditionAudition
La stréréophonie
Rendue possible car les 2 oreilles ne sont pas à la même distance de la source → le cerveau analyse le déphasage entre les 2 oreilles et détermine la direction de la source
Si la vitesse du son augmente, le déphasage diminue et devient imperceptible pour le cerveau → perte de la stéréophonie
Le cerveau humain est adapté à une audition stéréophonique aérienne, pas à audition stéréophonique sous-marine=> sous l'eau, on perd la directionnalité des sons
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AcoustiqueAcoustique
Conséquences en plongée
La vitesse du son étant 4,5 fois plus grande que dans l’air, le décalage de réception entre les 2 oreilles est compris entre 1/8000 et 1/10000eme de seconde (au lieu de 1/2000eme), ce que le cerveau humain ne peut plus décrypter.
Lors de la remontée, il est donc primordial d'effectuer un tour d'horizon à 3 à 5m afin de vérifier l'absence de tout obstacle en surface (bateau etc.)
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En résuméEn résumé
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Au programmeAu programme
Introduction
Quelques rappels
Flottabilité
Optique
Acoustique
Compressibilité des gaz
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Compressibilité des gazCompressibilité des gaz
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RappelRappel
Loi de Mariotte
A température constante, la pression d'un gaz est inversement proportionnelle à son volume
P1 x V1 = P2 x V2 = constante
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Application au gonflage Application au gonflage des blocsdes blocs
2 systèmes:- bloc (avec un certain volume et une certaine pression)- compresseur + tampons (avec un certain volume et une
certaine pression)- tampons = bouteilles de gros volume (50 litres en
général) reliées au compresseur et pouvant être gonflées jusqu'à 300 bars
→ pour gonfler les blocs, on met ces 2 systemes en communication pour qu'ils n'en fassent plus qu'un. La pression s'équilibre alors dans le volume total blocs + tampons.
→ on peut aussi gonfler directement avec le compresseur, si on ne dispose pas de tampons ou si les tampons sont vides
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Application au gonflage Application au gonflage des blocsdes blocs
ApplicationCombien de temps faut-il à un compresseur débitant 60 m3/h pour gonfler 12 bouteilles tampon de 50 l à 300 bars ?
Q = 12 x 50 x 300 = 180000 l soit 180 m3
Débit du compresseur = 60 m3/h
Temps nécessaire = 180/60 = 3h
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Application au gonflage Application au gonflage des blocsdes blocs
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Application au gonflage Application au gonflage des blocsdes blocs
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Application au gonflage Application au gonflage des blocsdes blocs
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Application au gonflage Application au gonflage des blocsdes blocs
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Application au gonflage Application au gonflage des blocsdes blocs
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Application au gonflage Application au gonflage des blocsdes blocs
ApplicationOn doit gonfler 4 blocs de 12 l contenant encore chacun 50 bars à l'aide d'un 1 tampon de 50 l gonflé à 300 barsQuelle sera la pression d'équilibre apres gonflage des blocs ?
V total des 4 blocs = 4 x 12 l = 48 litresSoit 48 x 50 = 2400 l
V total d'air disponible a 1bar dans le système global :(2400 + 15000) x 1bar = 17400 litres V total du système global = 48 + 50 = 98 l
V1 x P1 = P2 x V2→ P1 = (P2 x V2)/V1 = (1 x 17400)/98 = 177,55 bars
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Application au gonflage Application au gonflage des blocsdes blocs
ApplicationOn dispose de deux bouteilles tampons de 100 l chacune, gonflées respectivement à 180 et 260 bars.
Chaque tampon est controlé par un robinet, et il est possible de mettre en communication les deux tampons, ou bien de les utiliser indépendamment pour le gonflage.On dispose d’une rampe de gonflage pour 5 blocs. On se propose de gonfler 5 blocs de 12l contenant 30 bars chacun.
1/ On met en communication les deux tampons, puis les 5 blocs de 12l. Quelle pression d'équilibre obtient-on ?
2/ On gonfle dans une premiere phase les 5 blocs en utilisant le tampon gonflé à 180 bars. Une fois l’équilibre des pressions atteint, on isole le tampon, et on ouvre le tampon à 260 bars.Quelle pression obtient-on ainsi ? Conclusion ?
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Application au gonflage Application au gonflage des blocsdes blocs
Solution
1/ P1V1 + P2V2 + P3V3 = P(V1+V2+V3) P = ((30 x 5 x 12) + (180 x 100) + 260 x 100)) / ((12 x 5) + 200)) P = 176 bars
2/ Phase 1 :
P1V1 + P2V2 = P x ∑V P = ((30 x 12 x 5) + (180 x 100)) / ((12 x 5) + 100)) P = 123 bars
Phase 2 : P = ((5 x 12 x 123) + (260 x 100)) / ((5 x 12) + 100)) P = 208 bars
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Application au calcul de Application au calcul de l'autonomiel'autonomie
Profondeur Pression abs. (bars)
Consommation équivalente surface (l)
Autonomie (min)
Surface 1 20 120
10m 2 40 60
20m 3 60 40
40m 5 100 24
Avec 1 bloc de 12 l gonflé à 200 b (2400 l d'air disponibles)et une consommation théorique de 20 l / mn
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Gestion de l'airGestion de l'air
Vous consommez 20 litres d’air par minute en surface.
Quelle est votre consommation d'air détendu à 1 bar à 60 metres ?
Quelle est dans ces conditions votre autonomie avec un bloc de 15 litres gonflé à 200 bars, avant de tomber sur réserve ?
- Pression absolue = 7 bars - Consommation : 7 x 20 = 140 litres d’air à 1
bar par minute- Bloc de 15 litres à 200 bars = 3000 litres- Réserve : 15 x 50 = 750 litres- 3000 – 750 = 2250 litres
d’air disponible avant d’être sur réserve
Soit 16 minutes d'autonomie
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Gestion de l'airGestion de l'air
Vous êtes équipé d’un bloc de 15 litres gonflé à 200 barsVous vous immergez avec votre équipier à 10h00Vous descendez à 60 metres et restez à cette profondeur durant 10 minutesDe quelle quantité d’air avez-vous besoin ?
10 minutes à 60 metres :7 x 10 x 20 = 1400 litres5 minutes de remontée de 60 à 6 metres à une profondeur moyenne de 33m :4,3 x 5 x 20 = 430 litres2 minutes à 6 metres :1,6 x 2 x 20 = 64 litres6 minutes à 3 metres :1,3 x 6 x 20 = 156 litres
1400 + 430 + 64 + 156= 2050 litres
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Compressibilité des gazCompressibilité des gaz
Loi de Charles
À volume constant, la pression d’un gaz est proportionnelle a sa température
(P x V)/T= Constante
T est exprimé en Kelvin
Or, le volume d'un bloc de plongée(acier ou alu) est constant. La lois'applique et seule la pressionvarie lorsque latempérature varie
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Compressibilité des gazCompressibilité des gaz
Application
Une bouteille gonflée à 200 bars monte à 50°C. Quelle sera la pression une fois la température revenue à 15 degrés ?
P1/T1 = P2/T2
=> 200/323 = P2/288
=> P2 = (200 x 288)/323 = 178 bars
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Compressibilité des gazCompressibilité des gaz
ApplicationOn plonge maintenant à 40 m dans une eau à 5°C avec
ce bloc. Comment évolue sa pression ?Qu’en déduisez vous ?
P1/T1 = P2/T2
=> 178/288 = P2/278
=> P2 = (178 x 278)/288 = 171,8 bars
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ConclusionConclusionNotre perception est altérée en milieu aquatique, milieu dont les propriétés physiques sont différentes de notre milieu habituel, l'air : il faut prendre ces modifications en compte pour plonger et faire plonger sa palanquée.
C'est grâce à la compressibilité des gaz que nous pouvons emporter une réserve d'air suffisante pour plonger.
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Merci de votre attention
Vos questions sont les bienvenues