physique plongeurs(ses) n2 n3 - plongee-fresnes.fr n2 n3 jeanpaul fresne… · généralité 3 - en...
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INTRODUCTION
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Comprendre La physique en plongée sur :
• Pourquoi nous nous lestons différemment?
• L’influence de la pression.
• Pourquoi je gonfle ma stab?
• La limitation en profondeur (consommation, toxicité des gaz).
• Notre perception optique et acoustique.
PHYSIQUE
Niveau II
Niveau III
GénéralitéFlottabilité
Compressibilité
Des gaz
Pression Partielle
Optique
Acoustique
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Généralité
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- En tant que futurs N2 et N3, vous avez déjà acquis des notions sur le lestage.
- La physique sert aussi à comprendre les
accidents que tout plongeur peut avoir
en profondeur.
- En tant que futur autonome, vous serez co-responsable de la plongée.
.
PHYSIQUE Niveau II
Niveau III
GénéralitéFlottabilité
Compressibilité
Des gaz
Pression Partielle
Optique
acoustique
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Généralité
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PHYSIQUE Niveau II
Niveau III
GénéralitéFlottabilité
Compressibilité
Des gaz
Pression partielle
Optique
acoustique
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Physique élémentaire
La Masse désigne la quantité de matière. Elle se dit en kg.
1 kg est la masse d’1 dm3 d’eau (pure à 4°C).On utilise souvent le terme de poids injustement.
La Masse volumique caractérise la masse d’un produit par
rapport à son volume. Elle s’exprime en kg/dm3. (kg/litre)
La masse volumique de l’eau douce est de 1kg / dm3.
La masse volumique d’eau de mer est de 1,023 kg/dm 3 *
De l’air est de 1,29 g / dm3.
*cette valeur est donnée à titre indicatif et varie en fonction des mers.
Généralité
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GénéralitéFlottabilité
Compressibilité
Des gaz
Pression partielle
Optique
acoustique
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Physique élémentaire
Le poids de notre corps à la surface de la terreest déterminé par l’attraction. Il s’exprime enNewton.
En plongée, par soucis de simplification, on utilise le kgf.
1 kgf = 9,81 Newton.
Ce qui permet de faire la confusion entre la masse et le poids.
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Niveau III
GénéralitéFlottabilité
Compressibilité
Des gaz
Pression partielle
Optique
acoustique
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Tout corps plongé dans un fluide reçoit de la part de celui une poussée (force) verticale dirigée de bas en haut, égale au poids du volume de fluide déplacé.
Théorème d’ARCHIMEDE
Flottabilité
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Des gaz
Pression Partielle
Dissolution de N2
Dans le corps
Optique
acoustique
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Théorème d’ARCHIMEDE
Flottabilité
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Pression Partielle
Optique
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Théorème d’ARCHIMEDE
Flottabilité
- Chaque objet déterminé pèse un certain poids, ce poids s’exprime en kgf. C’est ce que l’on appellera : POIDS REEL
- L’immersion du plongeur entraîne un poids du volume déplacé, c’est la POUSSEE D’ARCHIMEDE
- le plongeur ressent une diminution de ce son poids réel, c’est : le POIDS APPARENT
Poids apparent = Poids réél – Poussée d’Archimède
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Pression Partielle
Optique
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Théorème d’ARCHIMEDE
Flottabilité
Tout corps plongé dans un fluide reçoit de la part de celui une poussée (force) verticale dirigée de bas en haut, égale au poids du volume de fluide déplacé.
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Théorème d’ARCHIMEDE
Flottabilité
Pds apparent = Pds réel – Poussée d’Archimède
Un plongeur pèse 85 kg et a un volume de 90l.
Quel est son poids apparent ?
Préel = 85kgf
Poussée Archimède = 90kgf (car 90l d’eau déplacée)
PApp = 85kgf – 90kgf = - 5kgf
QUE FAIT LE PLONGEUR ? IL FLOTTE !
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Pression Partielle
Optique e
acoustique
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Théorème d’ARCHIMEDE
Flottabilité
Pds apparent = Pds réél – Poussée d’Archimède
! Si le plongeur est trop lourd. ( il se fatigue, il consomme, il s’essouffle, il risque d’abîmer le fond marin d’où sa ressemblance à un Hippocampe ).
Ex: Un plongeur pèse 85 kgf pour une volume de 80l, il s’immerge. Que se passe t-il et pourquoi ?Il coule car son poids apparent>0 (85kgf-80kgf = 5 kgf)
Mais vu la température de l’eau, il décide de rajouter sa combinaison d’un volume de 10l, pesant 2kgf. Résultat ?Il flotte car Poids Apparent <0 (87kgf – 90kgf = - 3kgf)
Que fait il ? – Il flotte donc il met 3kg de plomb.
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Théorème d’ARCHIMEDE
Flottabilité
Pds apparent = Pds réél – Poussée d’Archimède
Exercice 1 :
Une amphore a un poids de 32 kgf sur Terre pour un volume de 15
dm3. Quel sera le poids qu'elle aura l'air d'avoir dans l'eau?
Coule-telle ou flotte-t-elle?
Réponse : Papp = +17 kgf Elle coule car son poids apparent>0
Exercice 2 :
Un plongeur se bricole un boîtier vidéo. Son volume est de 5 dm3 pour
un poids de 4 kgf. Il désire l'équilibrer. Quel lest doit-il ajouter à
l'intérieur ?
Réponse : Papp = -1 kgf Il flotte car Poids Apparent <0 Il faut rajouter un kilo de plomb pour que Papp = 0.
Généralité
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Optique
acoustique
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Physique élémentaire : La PRESSION
Lorsqu'une force s'exerce sur une surface, il est parfois intéressant de
considérer la répartition de la force selon la surface.
Par exemple,
F
Par définition, la pression P =
S
Où
F est la force en newtons (N),
S est la surface en m²,
P est en pascals (Pa), qui sont des N/m².
neigeneige
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Optique
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Physique élémentaire
Volume
1 m3 = 1000 L1 L = 1000 cm3 = 1 dm3
Force
1 kgf = 9,81 Newton par soucis de simplification, on utilise le kg.
Pression
1 bar = 100000 Pa1 mbar = 100 Pa = 1 hPa1 atm = 760 millimètre de mercure Hg1 kgf/cm2 = 0,981 bar
Généralité
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PHYSIQUE
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Physique élémentaire
Pression atmosphérique
au niveau de la mer:
= 760 mm Hg
= 10, 330 m d’eau douce ≈ 1 b
Pression hydrostatique
10m d’eau de mer ≈ 1b
Pression absolue en mer
Pabs (en bar) 1+(Prof(m) /10)
la pression
atmosphérique diminue
avec l'altitude. Par
exemple à 1000 m elle
est de 0.9 bar et à 5000
m de 0.5 bar (541.
Compressibité
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Physique élémentaire
Compressibilité
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la LOI de Mariotte : Application à la plongée.
Enoncé : A température constante, le volume d’un gaz est
inversement proportionnel à sa pression.
Compressibilité
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Comprendre la LOI de Mariotte :
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Enoncé : A température constante, le volume d’un gaz est
inversement proportionnel à sa pression.
PV = constante
Les liquides et les solides ne sont pas compressibles. Les gaz le sont.
Pour simplifier on utilise souvent :Pression X Volume = Constante.
Mais dans le cas d’un gaz, la Température est un facteur important.
Compressibilité
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Question :
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Compressibilité
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Optique
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P1 = Pression de surface
V1 = Volume de surface
P2 = Pression du fond
V2 = Volume du fond
V2 = P1 x V1 (12l )/ P2 (2 bars)
Compressibilité
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la LOI de Mariotte : Application à la plongée.
Consommation de 20l/mn
en surface
A 20m; (200b – 50b de réserve) x 12l
3bx20l/min
Compressibilité
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la LOI de Mariotte : Application à la plongée.
Consommation :
50b
Durée ?
Air non
utilisable200b 12l
Volume
du bloc
utilisable
à 1 bar/min
Pression Partielle
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la LOI de Dalton : Application à la plongée.
Calcul pour la toxicité des gaz (Nitrox), oxygénothérapie Hyperbare, et aussi pour les tables de plongée (dissolution de l’azote).
Enoncé : A température donnée, la pression d’un mélange gazeux est égale à la somme des pressions qu’auraient chacun des gaz s’il occupait seul tout le volume.
On parle de pression partielle d’un gaz (Pp).
Pression Partielle
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Des gaz
Pression Partielle
acoustique
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la LOI de Dalton : Application à la plongée.
Enoncé : A température donnée, la pression d’un mélange gazeux est égale à la somme des pressions qu’auraient chacun des gaz s’il occupait seul tout le volume.
Composition de l’air:On retiendra pour des raisons de simplification :L’Azote qui est un diluant le N2 à 79 % de vol.L’Oxygène , O2 à 21 % de vol
Et de super-simplification pour les calculs 80%, 20%.
Attention au CO (monoxyde de carbone).C’est un gaz extrêmement nocif, INODORE, même en faible proportion. Ce gaz résulte d’une combustion imparfaite et se combine d’une manière stable et indissociable avec l’hémoglobine (le sang) , empêchant ainsi le transport normal de l’O2.
Pression Partielle
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la LOI de Dalton : Application à la plongée.
On parle de Pression partielle d’un gaz (Pp).
Toxicité des gaz
Hyperoxie et hypoxie: PpO2
Hypercapnie: PpCO2
Narcose: PpN2
Empoisonnement par le monoxyde de carbone : PpCO
- Obligation d’utiliser dans un compresseur des huiles compatibles avec la pression et la respiration.
Notion de pression partielle
Dans un mélange de gaz, chaque constituant se comporte comme s'il occupait seul le volume disponible
0,2 l 0,8 l
1 bar
1 l
oxygène azote
0,8 bar0,2 bar
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Pression Partiellela LOI de Dalton : Application à la plongée.
Notion de pression partielle
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Pression Partiellela LOI de Dalton : Application à la plongée.
La somme des pressions partielles des composants d’un mélange est égale à la pression du mélange.
Pour l’Air = Patm. = 0,2barO2 + 0,8bar N2 = 1 bar
PAbs = PpN2 + PpO2
Pp = Pabs x %
Pabs = Pp / %
% = Pp / Pabs
Pp
Pabs %O2
Notion de pression partielle
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Pression Partiellela LOI de Dalton : Application à la plongée.
Pp = Pabs x %
Pabs = Pp / %
% = Pp / Pabs
Pp
Pabs %
A quelle profondeur Pp O2max = 1,4 bar ? On cherche PAbs.
PA = Pp O2 / % gaz X 100PA = 1,4 / 20 x 100PA = 7 bar soit 60 m
1) A quelle profondeur Pp O2max = 1,6 bar ? On cherche PAbs.PA = Pp O2 / % gaz X 100PA = 1,6 / 20 x 100PA = 8 bar soit 70 m
D’où la limitation dans les tables MN90 à 65m,
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Pression Partielle
la LOI de Dalton Pp = Pabs x %
Pabs = Pp / %
% = Pp / Pabs
Pp
Pabs %
APPLICATIONS CHIFFREES
Exercice 1 : L'air étant composé de 80 % d'azote et de 20 %
d'oxygène, quelle sera la pression partielle de chacun de ses
composants à 40 m de profondeur?
Réponse : 4 bars et 1 bar.
Exercice 2 : En gardant la même composition pour l'air, à quelle
profondeur aura-t-on
PPO2 = 1,7 bar?
Réponse : 8,5 bars soit 75 mètres.
Exercice 3 : Pour quel mélange O2 / N2 a-t-on ?
PPO2 = 1,7 bars à 40 m de fond?
Réponse : 34% d'O2 et 66% de N2.
Exercice 4 : Quelle est la profondeur d'un plongeur qui respire
de l'air dont la pression partielle d'oxygène est de 0,525 bar ?
Réponse : 2,625 bars soit 16,25 mètres
Pression Partielle
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POURQUOI ?
La lumière est soumise à plusieurs phénomènes :
L'interaction des particules de lumières (photons) et les molécules d'eau va entraîner l'absorption des couleurs donc modifier leur perception et la réfraction.
De même, les particules en suspension vont interférer avec la lumière et seule une partie sera retransmise selon l'incidence initiale : c'est la diffusion.
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POURQUOI ?
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Absorption des couleurs
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Grossissement
Rapprochement
Le masque réduit le champ visuel.Sans le masque on perçoit à environ 180°. Avec le masque on ne perçoit plus qu'à 60 à 65°.
Le choix d'un masque avec une jupe en silicone transparent apportera une sensation de luminosité. L'effet tunnel sera moindre et la sensation d'oppression ressentie parfois par les débutants sera maîtrisée.
Cependant cette luminosité relativement importante va contracter la pupille et l'œil percevra encore moins de détail de l'environnement.
L'usage de masque à jupe noire permettra, par la faible luminosité aux abords de l'œil de maintenir la pupille dilatée et d'avoir une meilleure acuité visuelle.
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La vision subaquatique
Taille Perçue = 4/3 x Taille réelle
Distance apparente = 3/4 x Distance réelle
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Optique
acoustique
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La vision subaquatique
:
.
Exercice
Je vois à 2 m de moi un superbe CONGRE d'environ 1.5 m.
Questions :
- Quelle est sa taille réelle ?
- Quelle est la distance réelle ?
REPONSES:
Taille imaginaire = 4/3 x Taille réelle.
Taille réelle = ¾ x Taille imaginaire = ¾ x 1,5 = 1,13m
Distance apparente = 3/4 x Distance réelle
Distance réelle = 𝟒
𝟑x Distance apparente =
𝟒
𝟑x 2, =2,66m
Qu’elle est la
première couleur qui
disparaît et à quelle
profondeur ??
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Optique
Acoustique
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L’Acoustique subaquatique
Grossissement
Rapprochement
L’eau n'est pas le monde du silence, c’est très bruyant :
- Les hélices de bateaux.- Les pétards de rappel ?- Les chocs sur la bouteille.- Les cris dans le détendeurs.- Les cris des baleines, des dauphins.- Les poissons grognés.- Les poulpes mangés……
Un son se caractérise par son intensité, sa fréquence ou hauteur et son timbre.
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Optique
Acoustique
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Grossissement
Rapprochement
En fait, les sons se propagent très bien dans l'eau et même mieux que dans l'air. Dans l'eau, les sons aigus portent plus loin que les sons graves.
- Vitesse du son dans l'air : 330 m/s.- Vitesse du son dans l'eau : 1500 m/s.
C'est pour cela qu'il est difficile de repérer la provenance d'un son sous l'eau car sa vitesse est tellement élevée qu'il arrive en même temps aux deux oreilles d'où rupture de la stéréophonie.
Sur Terre, c'est en fait le léger décalage entre la perception de chaque oreille (la stéréophonie) qui permet de situer sa provenance.
De plus, dans l'eau, la boite crânienne transmet les sons à l'oreille, ce qui perturbe en plus le mécanisme de reconnaissance de la provenance d'un son.
L’Acoustique subaquatique
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Acoustique
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Exercice 1 :
Un bâtiment explose a 4950 mètres d'un bateau.
Combien de temps les plongeurs au palier sous le navire
l'entendront-ils avant le marin reste a bord?
Réponse : 11,7 secondes.
L’Acoustique subaquatique
Exercice 2 :
Un sondeur émet une onde sonore vers le fond et en reçoit
l'écho un dixième de seconde après l'émission.
A quelle distance se trouve le fond?
Réponse : 75 mètres.
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Optique
Acoustique
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Où trouver l’info
- Plongée.net
- Plongée plaisir, Alain Foret et Pablo Torres.
- Différents CTR FFESSM.
- Wikipédia.
- Remerciements à différents Plongeurs, vu sur le net,
- Remerciement à ma tutrice Sandrine Malpièce E4.