Cours de Physique – Niveau I -

Physique du milieu aquatiquePhysique du milieu aquatique

1) Vision2) Audition3) La température4) Flottabilité et Poussée d’Archimède5) Composition de l’air6) Pression et la loi de Boyle – Mariotte

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Introduction

La plongée est un sport technique pratiqué dans l'eau, milieu différent de celui dans lequel nous évoluons habituellement.

Le milieu aquatique et ses caractéristiques physiques ont une influence non négligeable sur notre organisme.

Aussi, il est nécessaire de définir des règles : en effet, au cours d'une plongée, les plongeurs niveau 1 doivent être autonome vis à vis d’eux même et être à l’aise lors de leurs plongées.

Ainsi, nous verrons les paramètres physiques qui permettent d'expliquer ce qui se passe dans l'eau, sur l'air que nous respirons et sur nous-mêmes. Nous aborderons les éventuelles conséquences physiologiques ou accidents de plongée, et surtout la manière de les éviter.

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I - Physique du milieu aquatique

I - 1 – VisionI - 1 – Vision

Dans l'eau, sans masque, nous voyons flou.

Le masque nous permet de voir net, mais il perturbe la perception de la taille et de la distance des objets :

· l'objet paraît plus gros

· l'objet paraît plus près

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La lumière et les couleurs

La clarté de l'eau et sa luminosité sont des facteurs déterminants pour la beauté des sites que l'on va découvrir.

La luminosité durant la plongée est fonction de deux facteurs principaux:

        L'ensoleillement : Il est conseillé de plonger lorsque le soleil est haut dans le ciel, les rayons lumineux pénétrant plus profondément dans l'eau.

 

       La profondeur : La perte de lumière est considérable en fonction de la profondeur :

• A 1 mètre, la luminosité a baissé de 60 %

• A 10 mètres, la luminosité a baissé de 85 %

• A 40 mètres, la luminosité n'est plus que de 1.5 %

· D’autre part, une bonne lampe permet de mieux raviver les couleurs naturelles

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Perte des couleurs en fonction de la profondeur

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I - 2 – AuditionI - 2 – Audition

Dans l'eau, les vibrations sonores s'y propagent plus rapidement et plus loin.

Notamment les sons s'y propagent plus vite: ~1500 m/s, pour 330 m/s dans l'air.

De ce fait, notre oreille a du mal à déterminer la provenance des sons dans l'eau.

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I - 3 – La température et la plongéeI - 3 – La température et la plongée

L'Homme,pour vivre, doit garder sa température constante (~ 37°C) .

Lors des plongées, dont la température de l'eau est généralement inférieure à la température du corps , celui ci ‘travaille’ afin de garder sa température constante.

Néanmoins, deux sortes d'accidents liés au froid sont possibles, si cet équilibre est rompu : - La déperdition calorifique - Le choc thermo-différentiel

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la déperdition calorifique Refroidissement lent avec abaissement de la température centrale pouvant entraîner une syncope et la mort. Causes  

Déperdition calorifique importante due : • à l'eau froide • à une protection insuffisante • à une fatigue physique • à une alimentation mal équilibrée • à l'immobilisme

 Risque d'essoufflement et d'accident de décompression

  Symptômes  

•       Chair de poule •       Crampes, tremblements •       Diminution de l'habileté, irritabilité •       Impossible de tenir en apnée •       Fatigue musculaire •       Augmentation du rythme cardiaque et respiratoire

 Si le froid persiste : 

•       Rigidité musculaire •       Prostration, sommeil •       Perte de connaissance •       Atteinte des centres vitaux, syncope et mort

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Le choc thermo-differentiel

 Syncope liée à l'immersion brutale dans un liquide à température nettement inférieure à la température constante. Causes  Par voie réflexe, le froid peut provoquer une syncope appelée hydrocution dû à : 

•       Un passage brusque de la température terrestre à celle de l'eau beaucoup plus froide •       Aggravation due à une exposition au soleil

Symptômes  • Syncope entraînant une noyade • Les signes avertisseurs sont : malaise général, bourdonnements, troubles de la vue  

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Comment prévenir ?

Éviter de plongée en étant fatigué (après un long voyage, une soirée arrosée…)

Avoir une bonne alimentation ;

Avoir une combinaison adaptée (pour éviter la circulation d'eau).

Limiter la brusque variation de température

Pas d'exposition au soleil avant de plonger

S'asperger la nuque avant la mise à l'eau

Bonne forme physique

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I - 4 – Flottabilité

Le fait qu’un plongeur puisse :

• se maintenir en surface,

•S’immerger,

•S’équilibrer sous l’eau

Est une relation directe du principe d’Archimède

La poussée d'Archimède :

"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 de fluide déplacé".

La poussée d’Archimède s’exerçant sur un plongeur varie en fonction :

• du volume du plongeur

•De la densité de l’eau dans laquelle il plonge

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Cette relation nous amène à une notion de poids apparent et de poids réel (poids sur terre)  Vous avez déjà remarqué qu'une bouteille de plongée est lourde quand on l'a sur le dos, et devient beaucoup plus légère lorsqu'on l'immerge. La bouteille parait avoir un autre poids que l'on va appeler le POIDS APPARENT par opposition au POIDS RÉEL (sur terre) Le poids apparent est plus faible que le poids réel et la différence entre les deux est LA POUSSÉE D'ARCHIMEDE.

Poids APPARENT = Poids RÉEL - Poussée d'ARCHIMEDE

Exemple:

Considérons qu'un litre d'eau pèse environ 1kg.

Ainsi, un plongeur ayant un volume de 85 litres, déplacent 85 litres d'eau et donc reçoit une poussée de 85 kg vers le haut.

S'il pèse 80 kg, il flotte ; s'il pèse 90 kg, il coule ; s'il pèse 85 kg, il ne bouge pas.(flottabilité nulle) 

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I - 5 – Composition de l’air

L’air est composé sur terre de :

• 80% D’Azote (N)

• 20 % D’oxygène (O)

• ( pour information, l’air est aussi composé de gaz rares ( moins de 1%), mais nous garderons l’approximation 80% / 20%)

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I - 6 - Pression et loi de Mariotte-BoyleI - 6 - Pression et loi de Mariotte-Boyle

Pression :

Définition :la pression est la force par unité de surface:

P = F / S

L'unité de mesure de la pression, en plongée, est le bar. ( 1 bar = 1 kg / 1 cm2 )

• pour information, la pression est de 1,013 bar à la surface

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Les différentes sources de pression subies par le plongeur sont :

· Pression atmosphérique

C'est la pression exercée par l'ensemble de l'atmosphère.

Au niveau de la mer, elle vaut 1 bar. ( exactement 1013 millibars ou 1,013 Bar)

· Pression de l'eau ou pression hydrostatique ou pression relative

Au fur et à mesure que l'on descend dans l'eau, la pression exercée par celle-ci augmente (de plus en plus de masse au-dessus de nous) : 1 bar tous les 10 mètres.

· Pression absolue (somme des pressions)

C'est la somme de la pression atmosphérique et de la pression de l'eau à la profondeur considérée. Elle correspond à la pression totale subie par le plongeur.

Pression Absolue = Pression Atmosphérique + Pression Relative

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Application à la Plongée 

 Le plongeur va subir ses pressions :

a) A la descente : les pressions vont augmenter (ì)b) A la remontée : les pressions vont diminuer (î) 

Remarque :   Pour un même écart de profondeur, 10 mètres, la pression ne varie pas de la même manière en pourcentage. Proportionnellement, les plus grandes variations de pression se situent entre 10 mètres et la surface. Ces variations de pression auront des conséquences sur l'organisme d'où la nécessité d'être plus particulièrement vigilant entre 10 mètres et la surface, notamment pour prévenir les accidents barotraumatiques.

C’est entre 0 et 10mètres que nous avons la plus grosse variation !!

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Exercices :Exercices :

Quelle est la pression Absolue à :

• 5 mètres ?• 10 mètres ? • 25 mètres ?• 19 mètres ?

Inversement :

Quelle est la profondeur pour une pression absolue de :

* 3,2 bars ? * 5,1 bars ?

•=> 1,5 bars• => 2 bars • => 3,5 bars• => 2,9 bars

=> 22 mètres=> 41 mètres

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Loi de Boyle - Mariotte :

La pression a un effet sur les gaz, qui sont compressibles, pas sur les liquides et les solides (incompressibles, mais qui transmettent la pression).

Ainsi l'air que l'on respire, dans un volume clos et à température constante, se met à la pression environnante ou pression ambiante. Le volume de l'air que l'on respire varie donc au cours de la plongée lorsque la pression varie.

La loi de Boyle - Mariotte dit que pour un système fermé et à température constante, le produit de la pression (P) par le volume (V) est constant.

Soit : PV = Cste ou P1V1 = P2V2

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Attention, les variations relatives de pression les plus importantes prennent place près de la surface : donc prudence !

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•A 30 m on gonfle une bouée avec 2 litres d’air. Quel sera son volume en surface ?

Exercice :Exercice :

Alors selon Boyle Mariotte : P1 x V1 = P2 x V2

Avec : •P1 = 4 bars à 30 mètres,•V1 = 2

•P2 = 1 bar à la surface•V2 = valeur à calculer

D’ou : V2 = ( P1 x V1 ) = 4 x 2 = 8

P2 1

Donc V2 = 8 litres

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