0. Introduction *

1. Force et pression *

Cet exposé est le premier volet des cours de physique dont l’approche se veut résolument tournée vers la pratique et vers la compréhension des phénomènes concrets.

Nous considèrerons ici les aspects de force, de pression et de compressibilité des gaz tant en termes de grandeurs, de phénomènes que de mécanismes physiques mis en jeu par la plongée. Nous aborderons ainsi des notions nécessaires à ceux qui entendent pratiquer en autonomie puisqu’en découleront les règles de sécurité et de prévention des accidents barotraumatiques.

Nous nous intéresserons, enfin, à la notion de flottabilité pour voir ses conséquences sur le comportement et les habitudes du plongeur ainsi que sur le choix de son lestage.
 
 

1.1 Notion de force

1.2. Notion de pression

1.3. Les différentes pressions

La pression atmosphérique, notée PA ou Patm, est le poids des différentes couches gazeuses qui entourent la Terre rapporté à sa surface. Cette pression varie selon : les conditions climatiques, l'altitude. En pratique, on considère qu’au niveau de la mer : Patm = 1 bar

Soit une colonne d'eau de 10 m de haut sur une section de 1 cm2. Calculons le volume de cette colonne :  V = 10 m x 1 cm2 = 1000 cm * 1 cm2 = 1000 cm3 = 1 dm3 = 1 litre 1 litre d'eau pesant 1 kg, la colonne étudiée pèse 1 kg. Elle exerce donc une pression de : P = F/S = 1kgf/1cm2 = 1 bar On pourra donc considérer que, dans l'eau, tout ce passe comme si la pression augmentait de 1 bar tous les 10 mètres. On peut donc définir une pression, liée à l’action de l’eau, appelée pression hydrostatique ou pression relative, notée PHydro ou Prel . En résumé, on peut exprimer la pression hydrostatique par la formule suivante :

La pression absolue

Pour rendre compte de la totalité des effets de la pression, on définit la pression absolue, notée P_abs, comme étant la somme des pressions atmosphérique et hydrostatique. Ceci peut se résumer par les formule suivante :

Pabs = Patm + PHydro

  Pour la calculer, on utilise (au niveau de la mer) la formule suivante, déduite de la première : 

1.4. Applications

Détendeur
Profondimètres
Gonflage des bouteilles de plongée.
 
 

 
1.5. Conséquences

La pression est la source de bien des désagréments pour le plongeur : elle pourra aussi bien agir sur différents organes (oreilles, dents, sinus, …) que sur des éléments matériels tels que le détendeur ou la combinaison, par exemple.
 
 

1.6. Exercices

• La pression relative à 90 m est de :
1) 8,9 bars o
2) 9 bars o
3) 10 bars o
4) 9,9 bars o

•  La pression absolue à 48 m est de :

1) 58 bars o
2) 48 bars o
3) 4,8 bars o
4) 5,8 bars o
 
• Quelle est la pression absolue à la surface, à 10 m, à 30m. A quelle profondeur correspondrait une pression absolue double de celle qui règne à 30m. Conclusions ?

• A quelle profondeur a-t-on une pression absolue de 3,4 bars ?

• Compléter le tableau ci dessous

 
2.1. Rappels

Rappelons l’expression de la pression absolue (au niveau de la mer) , vue dans le chapitre précédent :

 
2.2. Expérience

Enfonçons progressivement un ballon de baudruche contenant 12 litres d’air sous l'eau et observons ce qui se passe.

 
 

Profondeur (en mètres)	Pression absolue (P, en bar)	Volume du ballon (V, en litres)		Valeur de P x V
A la surface (0m)         A 10 m       A 20 m       A 30 m	1         2       3       4	12         6       4       3		1 x 12 = 12         2 x 6 = 12       3 x 4 = 12       4 x 3 = 12


Nous pouvons constater qu'au fur et à mesure que l’on descend, la pression augmente et le volume du ballon diminue. De la même façon, au fur et à mesure que l’on remonte, la pression diminue et le volume du ballon augmente pour retrouver sa valeur initiale.

On note également que le volume du ballon a été réduit de moitié entre 0 et 10 m, à la descente, et qu’il a doublé entre 10 m et la surface, à la remontée.

On peut donc en conclure que le volume de l’air contenu dans le ballon varie en fonction de la pression. On dit que l’air est compressible. C’est aussi le cas des gaz.

En revanche les liquides et les solides sont, eux, incompressibles aux pressions auxquelles nous évoluons.
 
 

2.3. Enoncé de la loi de Mariotte

A température constante, le volume d'une masse gazeuse est inversement proportionnel à la pression qu'elle subit.

Notations

• Si P représente la pression et V le volume d’un gaz, on peut écrire :

 

P . V = Constante

• Si P₁ et V₁ représentent respectivement la pression et le volume d’un gaz à une profondeur 1 et que P₂ et V₂ représentent respectivement la pression et le volume d’un gaz à une profondeur 2, on peut écrir

 

P1 . V1 = P2 . V2 = Constante

 
2.4. Applications

Compresseur pour le gonflage des blocs
Contenance d'un bloc
Calcul d'autonomie
Profondimètres (certains)
Stabs
 

 
2.5. Conséquences

Prévention des barotraumatismes : placage de masque, sinus, oreilles, dents et … surpression pulmonaire. Il est important de noter que les variations de volume sont d'autant plus importantes que l'on est proche de la surface.

 
2.6. Exercices

• A 40 m, un ballon a un volume de 20 litres. Quel sera le volume de ce ballon à la surface ?

• Un plongeur à 25 mètres de profondeur est équipé d'une bouée dont le volume d'air est de 4 litres. Quelle sera son volume à 10 mètres, puis à la surface si le plongeur ne purge pas sa bouée ?

• Combien de litres d’air détendu à la pression atmosphérique y a-t-il dans un bloc de 12 litres gonflé à 190 bars ?

• Combien de temps peut-on respirer grâce à un bloc de 12 litres gonflé à 200 bars , en ayant une consommation en surface de 20 l/mn ?
• en surface
• à 10 m de profondeur
• à 20 m
• à 30 m
• à 40 m

• En respirant sur un bloc de 12 litres gonflé à 190 bars , combien de temps peut-on rester à 30 mètres de profondeur avant de passer sur réserve (tarée à 50 bars) ?

• Un plongeur s'immerge avec une bouteille de plongée de 12 litres gonflée à 200 bars et ayant une réserve tarée à 30 bars. Sachant qu'à la surface il a une consommation équivalente à 16 inspirations de 1 litre d'air par minute, quelle pourra être la durée de sa plongée à 20 mètres ? Même question à 40 mètres.

• On désire gonfler un bloc de 15 litres dans lequel il reste 50 bars. Sachant que nous disposons d'un compresseur dont le débit est de 10 m3 par heure. Quel est le temps nécessaire pour gonfler ce bloc à 200 bars ?

3.1. Rappels

Nous avons déjà la notion de ce qui coule, de ce qui flotte :

• Pour couler il faut expirer.
• Une bouteille de plongée très lourde hors de l'eau devient légère lorsqu'on l'immerge.
• Un paquebot de plusieurs milliers de tonnes flotte, alors qu'une bille d'acier coule.

 

3.2. Expérience

Soit 3 cubes de 1 litre de volume pesant respectivement 500 g, 1 kg et 2 kg. Quand on plonge ces cubes dans l’eau, on constate que : Le cube de 500 g flotte Le cube de 1 kg reste en équilibre entre 2 eaux Le cube de 2 kg coule         Le fait que le cube flotte ou coule semble donc dépendre de son poids (on vérifierait que cela dépend aussi de son volume).

3.3. Enoncé du principe d’Archimède

Tout corps plongé dans un liquide, reçoit de la part de celui-ci une poussée verticale orientée de bas en haut et égale au poids de liquide déplacé.
 

Poids apparent Le poids apparent d'un corps est la différence entre le poids réel de ce corps et la poussée d'Archimède qu'il subit lorsqu'on l'immerge   Papp = Préel - PArch

Nulle si le corps reste en équilibre  :
• La poussée d'Archimède et le poids réel sont égaux,
• Le poids apparent est nul..

Négative si le corps coule :
• La poussée d'Archimède est inférieure au poids réel du corps,
• Le poids apparent est positif.

 

3.4. Applications

Stab
Poumons-ballasts
Combinaison, lestage
Parachute de relevage

 
 
 
3.5. Conséquences

Maîtrise de la vitesse de remontée
Maîtrise du risque d'essoufflement (mauvais lestage Þ mauvaise stabilisation au fond)
Tenue des paliers

 
 
 
3.6. Exercices

• Un plongeur de 70 kg ayant un volume de 60 litres est équipé d'une ceinture lestée à 4 kg et d'une stab ayant un volume d'air de 10 litres. Quelle est l'état de flottabilité de ce plongeur à 20 mètres de profondeur ?

• A l'issue d'une plongée, on désire remonter de 30 mètres l'ancre du bateau à l'aide d'un parachute car le système de relevage est en panne. Cette ancre pèse 40 kg pour un volume de 10 dm3. Le plongeur désigné pour cette tâche introduit 27 litres d'air dans le parachute. Que va-t-il se passer ?

• Un plongeur de 70 kg présente un volume corporel de 73 litres. L'ensemble de son équipement hors bloc représente un volume de 10 litres pour un poids de 3 kg. Son bloc de 12 litres (15 kg) est gonflé à 200 bars (air = 1,293 g/l). Pourra-t-il tenir un palier à 3 mètres ? Si la réponse est non, quel lestage devra-t-il adopter ?

Nous en sommes à mi-parcours de notre tour d’horizon des principales bases de physique nécessaires au plongeur autonome. Nous en retiendrons, pour l’instant que :

• un plongeur ne peut ignorer qu’il évolue dans un environnement où la pression intervient en permanence,
• la compressibilité des gaz lui imposera des règles de sécurité. De leur respect dépendra la prévention des barotraumatismes,
• les notions de flottabilité lui permettront d’adopter un lestage adéquat, afin d’être capable de ne pas se fatiguer inutilement (donc de prévenir l’essoufflement), d’améliorer son confort et de tenir un éventuel palier,