Seconde_Thème 3_LE SPORT chapitre 6_Respiration et pression dans le Sport

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RESPIRATION ET PRESSION DANS LE SPORT

Dans les cours précédents, nous avons mis en évidence la notion de consommation d’énergie dans tout

organisme, donc a fortiori chez les Hommes, et ce d’autant plus lors de la pratique d’un Sport. Par ailleurs, nous

venons de voir qu’elle pouvait être limitée en utilisant des matériaux artificiels (ou non) adaptés à l’effort tout en

favorisant le confort.

Cette perte énergétique provient de transformations qui se produisent dans le corps et notamment de la

combustion des différentes molécules organiques. Ces réactions produisent par ailleurs des gaz tels que le dioxyde de

carbone et l’eau qu’il nous faut évacuer et ce, par la respiration.

Or, il apparaît que la respiration n’est pas aussi aisée en altitude ou en plongée subaquatique qu’au niveau de la mer

en même temps que la pratique du Sport dans ces milieux présente certains risques.

Afin de comprendre l’influence de l’altitude sur les performances sportives et les effets physiologiques ressentis

en plongée, nous allons mettre en exergue une grandeur physique fondamentale dans ces deux environnements : la

pression. Nous verrons sa définition avant d’étudier son évolution sous l’eau et en altitude en exposant les

conséquences par rapport à la pratique d’un sport dans chacun de ces milieux.

Cf Activité Expérimentale 26

I. Les fluides.

* Constitution d’un fluide.

La matière est constituée d’entités chimiques : atomes, molécules ou ions.

Quels sont les trois états physiques de la matière ? Préciser pour chacun la distance entre les entités et

si l’état physique possède une forme propre et/ou un volume propre.

Pour les liquides et les gaz, on parle de fluide.

Justifier cette dénomination d’après le mouvement des entités.

Document 1 : Mise en évidence d’une force pressante exercée par un fluide

Expérience : On souffle de l’air dans un ballon de baudruche.

Observations : Les parois du ballon se déforment, comme repoussées par le fluide (= l’air).

Interprétation : Les entités du fluide sont continuellement en mouvement. Elles se déplacent à grande vitesse. Lorsqu’elles frappent les parois du récipient qui les contient, elles exercent sur ces parois une « action mécanique » qui a pour effet de déformer le ballon. (Il en va de même pour un fluide liquide ou gazeux.)

Conclusion : L’action mécanique de contact qu’exerce un fluide sur la surface d’un corps est modélisée par une force pressante dont les caractéristiques sont :

- point d’application : centre de la surface de contact,

- direction : orthogonale (perpendiculaire) à la surface,

- sens : du fluide vers la surface,

- intensité : F en newton (N).

Rq : * Les solides aussi des forces pressantes. Ex : pied sur la neige

* Relation pression-force pressante :

La pression p est une force surfacique : elle résulte de la force pressante F qu’exerce un fluide sur une

surface S. La pression augmente si la force pressante augmente mais diminue si la surface S augmente.

Proposer une formule définissant la pression et préciser les unités.

Déterminer alors la pression exercée par une force de 10 N sur une section de 20 cm² ?

En marchant sur la neige, on s’enfonce car on exerce une trop forte pression dessus.

Proposer une solution pour ne plus s’enfoncer !

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Document 2 : Mesure de pression

La pression se mesure avec un manomètre pour les liquides et un baromètre pour les gaz.

L’unité légale de la pression est le pascal (Pa) : « 1 pascal » correspond à la pression exercée par une force de « 1 newton » sur une surface de « 1 m2 » : « 1 Pa = 1 N.m2 ».

Dans la pratique, on utilise couramment : l’hectopascal (hPa) : « 1 hPa = 100 Pa » & le bar (bar) : « 1 bar = 105 Pa ».

Ex : La pression atmosphérique au niveau de la mer vaut : patm = 1,013.105 Pa = 1 013 hPa = 1,013 bar

Rq : * Il existe d’autres unités : millibar, atmosphère, millimètre de mercure …

* Interprétation microscopique : Proposer une interprétation, en vous plaçant au niveau moléculaire,

quant à l’existence de la pression.

II. Pression et plongée (liquide).

Document 3 : Influence de la profondeur sur la pression.

Dès qu’on plonge dans une piscine, dans la mer, notre organisme est soumis à une force pressante exercée par l’eau qui se trouve au-dessus de nous.

L’état liquide est dense ; sa masse est donc relativement élevée : « 1 L d’eau pèse 1 kg » (« 1 L d’air pèse seulement 1,2 g »).

Tout corps immergé subit donc une action mécanique modélisée par une force pressante exercée par le liquide se trouvant au-dessus du corps. Pour une surface donnée, on parle de pression hydrostatique (littéralement : pression due à l’eau stagnante). Observations : Valeur pression ressentie à la surface : psurface = 1 bar Valeur pression ressentie à 3 m : p3 m = 1,3 bar Valeur pression ressentie à 40 m : p40m = 5 bar

Interprétation : La valeur de la pression dépend de la hauteur de liquide au-dessus du corps, donc de la profondeur.

Conclusions : * La pression hydrostatique augmente avec la profondeur : phydro = ρliq.g.h

* La différence de pression entre deux points d’un liquide dépend de la différence de profondeur.

* La valeur de la pression subie reste constante pour une même profondeur.

Rq : * La valeur de la pression hydrostatique dépend aussi de la nature du fluide. Dans le cas de l’eau, elle

augmente de « 1 bar tous les 10 m ».

* La pression ressentie s’appelle la pression absolue. Elle est égale à la somme de la pression hydrostatique

(celle due à l’eau) et de la pression atmosphérique (celle due à l’air au-dessus de l’eau) : pabsolue = phydrostatique + patm

* Conséquences sur la pratique de la plongée :

Loi de Boyle-Mariotte (Scientifiques irlandais, 1627-1691 & français, 1620-1684) : Cf AE 26

Rq : * La loi de Boyle-Mariotte reste valable pour des pressions faibles (< 10 bars). C’est le cas de l’air atmosphérique.

* La pression n’a pas d’influence sur les solides et les liquides ; ils sont dits incompressibles.

* Voir l’AE 26 pour les conséquences des variations de pression subies lors d’une plongée.

à température constante, le produit du volume V d’une

quantité donnée d’un gaz par la pression p qu’il exerce

demeure constant, quelle que soit la nature du gaz :

p.V = cste

Le volume d’un gaz dépend de la pression qu’il subit :

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Loi de Henry : Dissolution d’un gaz dans un liquide :

A température constante, la quantité maximale de gaz dissous dans un volume

donné de liquide augmente avec la pression exercée par le gaz sur le liquide.

Conséquences : * Lors de l’ouverture d’une eau gazeuse, la pression dans la bouteille s’échappe et celle à la

surface du liquide diminue brutalement. Le dioxyde de carbone dissous dans l’eau retourne alors à l’état gazeux

donnant naissance à nombre de bulles dans la bouteille. Plus l’ouverture est rapide, plus les bulles formées sont

grosses. Il se passe le même phénomène dans notre corps en cas de remontée trop rapide en plongée :

* Lorsqu’un plongeur descend avec une bouteille, la pression de l’air respiré augmente (via

le détendeur qui fournit la même pression que le lieu où se trouve le plongeur), et donc la pression du dioxygène

et celle du diazote dans ses poumons augmentent. Ces gaz se retrouvent alors dissous en plus grande quantité

dans les tissus de notre organisme qu’à l’air ambiant.

L’excès de dioxygène est consommé par notre corps. Mais, le diazote, gaz inerte pour notre organisme,

se demeure présent sous forme dissoute dans le sang et les tissus (d’autant plus en profondeur sous forte

pression). En remontant vers la surface, le gaz retourne à l’état gazeux sous forme de bulles au fur et à mesure

que la pression absolue diminue avec la remontée (comme dans une bouteille de boisson gazeuse). Si la

remontée est trop rapide, les bulles de gaz grossissent trop et ne peuvent plus être éliminées au niveau des

poumons provoquant des éruptions cutanées, douleurs articulaires, troubles sensoriels et paralysie pouvant

conduire jusqu’à la mort si les vaisseaux sanguins sont obstrués par ces bulles. Afin d’éviter ces accidents de

décompressions, le plongeur effectue des paliers de décompression, c’est-à-dire qu’il remonte progressivement,

stagnant tous les 10 m à une même profondeur de façon à ce que les petites bulles formées soient bien toutes

éliminées au niveau des poumons avant qu’elles ne grossissent trop.

L’ivresse des profondeurs (ou narcose au diazote) est due à un excès de diazote dissous dans le corps

et qui agit sur le système nerveux entraînant des troubles du comportement (euphorie, angoisse, troubles de la

vision, perte de repère dans le temps, discours intérieur, effet tunnel, …) qui varie d’un individu à l’autre et d’un

jour à l’autre et augmente avec le stress la fatigue, l’alcool. Elle débute vers 30 m et devient systématique à 60 m

(profondeur maximale légale de plongée en France). Certains plongeurs utilisent du trimix en prévention

(mélange de dioxygène O2, hélium He et diazote N2 dont le pourcentage est plus faible que dans l’air courant).

III. Pression et sport en altitude (gaz).

Document 4 : Influence de l’altitude sur la pression.

La Terre est une planète gazeuse c’est-à-dire entourée d’une couche de gaz appelée l’atmosphère terrestre. On considère que 99,9 % des molécules la composant se situent dans les 50 premiers kilomètres depuis la surface.

Elle se constitue d’environ : - 78 % de diazote (N2), - 21 % de dioxygène (O2), - 1 % d’autres gaz (méthane, vapeur d’eau, dioxyde de carbone, gaz rares).

Les molécules de l’air, un fluide, ont un mouvement incessant et désordonné : elles se déplacent en ligne droite à grande vitesse (300 m.s-1 !) tant qu’elles ne rencontrent pas un obstacle (une autre molécule ou la paroi du récipient). Lors d’un choc, elles changent de direction tout en exerçant une force pressante sur l’obstacle. Pour une surface donnée, on parle de pression atmosphérique (littéralement : pression de l’air).

Observations : Valeur pression au niveau de la mer : patm = 1 013 hPa Valeur pression à 1 000 m : patm = 900 hPa Valeur pression à 3 000 m: patm = 700 hPa

Interprétation : Avec l’altitude, il y a de moins en moins de molécules dans l’air (cf le vide dans l’espace), elles se raréfient. Le nombre de chocs entre molécules ou sur une paroi diminue donc. S’il y a moins de chocs alors la pression diminue en conséquence (la température aussi !).

Conclusion : La pression atmosphérique diminue avec l’altitude.

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* Conséquences sur la pratique du Sport en altitude :

La raréfaction des molécules de gaz avec l’altitude induit une baisse de la quantité de dioxygène dans l’air inspiré : - Cela entraîne alors un problème d’alimentation en dioxygène pour l’organisme. En effet, le volume d’air inspiré est toujours le même mais celui-ci contient moins de molécules de gaz et donc de dioxygène expliquant les difficultés à respirer en haute montagne et des performances limitées. Ainsi, à partir de 3 000 m, les capacités intellectuelles et physiques commencent à s’affaiblir. Au-delà de 5 000 m, le sportif est sujet à l’hyperventilation (augmentation intense de la respiration) et à la tachycardie (accélération du rythme cardiaque). Pour des altitudes supérieures à 9 000 m, il est indispensable de respirer du dioxygène par un moyen artificiel puisque l’air extérieur n’est plus viable pour l’Homme.

- Les habitants des régions élevées du globe ont cependant un organisme adapté à la vie en altitude puisque le nombre de globules rouges présents dans leur sang augmente de façon importante ce qui améliore le transport du dioxygène des poumons jusqu’aux muscles.

- Les sportifs de haut niveau suivent des stages en haute altitude de plusieurs semaines au cours desquels leur organisme s’adapte en fabriquant plus de globules rouges pour faire face aux besoins en dioxygène de l’organisme. Ainsi, de retour en basse altitude, la capacité de traitement du dioxygène de leur corps reste élevée et leur autorise de meilleures performances.

La diminution importante de la pression atmosphérique entraîne aussi une diminution conséquente de la température d’ébullition des liquides et notamment celle du sang (!) à partir d’une altitude de 20 000 m où la pression vaut environ 100 hPa. Des équipements pressurisés pour supporter la faible pression extérieure et le manque d’air sont donc indispensables.

La raréfaction de l’air en altitude présente cependant l’avantage d’une faible résistance aux mouvements :

- En effet, moins il y a de molécules, moins il y a de frottements, et plus le déplacement peut être rapide. C’est ainsi que nombre de records sont battus en altitude à l’instar des Jeux Olympiques de Mexico en 1968 pendant lesquels 26 records furent battus sur 36 épreuves (records dans les épreuves de vitesse, de saut, de lancer mais pas dans les épreuves de fond …). De la même façon, les records de vitesse en chute libre sont battus lors de saut en parachute à des altitudes de plus de 35 000 m où l’air devient très rare et donc peu résistant (cependant il ne faut pas oublier d’adapter son équipement …). Le recordman du monde est l’autrichien F. Baumgartner avec une vitesse de 1 341,9 km.h-1 (plus vite que le son !) réalisé le 14 octobre 2012.

Loi d’Avogadro-Ampère :

Conséquences : * Un gaz chauffé se dilate, c’est-à-dire que le volume qu’occupe ses molécules augmente avec la température. Cela explique que l’air chaud permet de gonfler une montgolfière alors qu’il y a toujours le même nombre de molécules.

* Une fois gonflée, la montgolfière monte car dans l’air chaud les molécules sont très éloignées les unes des autres, il est donc moins dense que l’air froid ce qui permet sa montée (cf météo).

Conclusion : L’étude de l’évolution de la pression d’un fluide nous permet ici de comprendre les effets

physiologiques ressentis en plongée subaquatique et l’influence de l’altitude sur les performances sportives.

Cependant, notre étude ne s’est faite que dans un cadre qualitatif et non quantitatif. Or les

performances et les effets physiologiques se mesurent bien évidemment dans le Sport. Et, pour cela, les chercheurs

utilisent une grandeur spécifique : la quantité de matière. C’est ce que nous verrons dans le prochain cours.

Compétences exigibles

- Savoir que, dans les liquides et dans les gaz, la matière est constituée de molécules en mouvement.

- Utiliser la relation P = F / S, F étant la force pressante exercée sur une surface S, perpendiculairement à cette surface.

- Savoir que la différence de pression entre deux points d’un liquide dépend de la différence de profondeur.

- Savoir que la quantité de maximale de gaz dissous dans un volume donné de liquide augmente avec la pression.

- Savoir que, à pression et température données, un nombre donné de molécules occupe un volume indépendant de la

nature du gaz.

- Pratiquer une démarche expérimentale pour établir un modèle à partir d’une série de mesure.

dans les mêmes conditions de pression (p < 10 bars) et de température,

un même nombre de molécules occupe toujours un même volume,

quelle que soit la nature du gaz.