Cours physique niveau 2 casc / 2004-2005





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Cours physique – niveau 2 CASC / 2004-2005


THEORIE NIVEAU 2

LA PHYSIQUE


SOMMAIRE





1.La physique en plongée : pourquoi ? 3

2.Les unités 3

La masse 3

La densité 3

Le poids 3

La pression 3

3.La Pression 3

La pression atmosphérique 3

La pression relative 4

La pression absolue 4

Exercices 5

4.Le principe d’Archimède 5

Mise en évidence 5

Loi et formule 6

Application à la plongée 6

Exercices 6

5.Loi de Mariotte – Boyle 6

Mise en évidence 7

Loi et formule 7

Application à la plongée 7

Exercices 8

6.Loi de Dalton 8

Composition de l’air 8

Loi et formule 8

Application à la plongée 9

Exercices 9

7.Loi de Henry 9

Mise en évidence 9

Loi 9

Application à la plongée 10

8.L’Acoustique 10

Le monde du silence 10

Application à la plongée 11

Exercices 11

9.L’Optique 11

Application à la plongée 12

Exercices 12

10.Solution des exercices 13

11.Exercices supplémentaires 15


  1. La physique en plongée : pourquoi ?



La plupart des accidents sont régis par des lois physiques. Une bonne compréhension de celle-ci permet de bien intégrer les règles de sécurité et d'évolution.


  1. Les unités




La masse



La masse d’un corps caractérise la quantité de matière qui constitue ce corps. Elle ne dépend, ni de la température, ni de la pression, ni du lieu où se trouve le corps.

L’unité légale de masse est le kilogramme (kg).

La densité



La densité d’un corps est le rapport entre sa masse et celle d’un autre corps choisi comme référence, occupant le même volume. Dans le cas des solides et liquides, la référence est l’eau. C’est une grandeur sans unité.

Le poids



Le poids d’un corps est une force qui s’exerce sur lui de haut en bas résultante de l’attraction terrestre.

L’unité légale de poids est le newton (N).
Cette unité est peu parlante, et dans la pratique on exprime le poids en kilogramme :

1 kg ~ 10 N
C’est totalement illégal et n’a aucun sens sur le plan physique mais c’est tellement plus commode.

La pression



Pression = Force (N) / Surface (m2)

L’unité légale est le pascal (Pa).

1 bar = 100 000 Pa

On utilisera plus volontiers le bar.


  1. La Pression




La pression atmosphérique



C’est la pression exercée par le poids de l’air qui entoure la Terre. Au niveau de la mer, la pression atmosphérique est d’environ 1 bar. Elle diminue avec l’altitude (0,8 bar à 2000 m).

1 bar ~ 1 atm ~ 760 mm de Hg

La pression relative



C’est la pression exercée par le poids de l'eau. Elle est également appelée pression hydrostatique.





On considère une colonne d’eau 1 cm2 x 10 m soit 1 litre.

Or 1 litre d’eau pèse 1 kg, la pression est donc de 1 kg / cm2 soit 1 bar.
On en tire :


P relative (bar) = Profondeur (mètre) / 10
Autrement dit, la pression augmente de 1 bar tous les 10 mètres.

La pression absolue



C’est la pression réelle subie dans l’eau.
Pression absolue = Pression relative + Pression atmosphérique
Remarque : Les plus grandes variations de pression ont lieu dans la zone des 10 mètres.


Exercices



Exercice n°1

A quelle profondeur correspond la pression absolue de 1,3 b ?


  1. Le principe d’Archimède


Archimède : Mathématicien de l’antiquité, né à Syracuse, 287-212 avant JC

Mise en évidence




Loi et formule



Tout corps plongé dans un fluide reçoit une poussée de bas en haut égale au poids du volume du fluide déplacé.
Dans l’eau, la poussé d’Archimède d’un volume de 2 dm3 est de 2 kg.

Poids apparent = Poids réel - Poussée d'Archimède


Si Poids apparent > 0, l’objet coule.

Application à la plongée





  • Poumon ballast

  • Calcul de levage (voir paragraphe 4)

  • Utilisation du gilet stabilisateur
    La flottabilité diminue quand la profondeur augmente à cause de la diminution du volume de la combinaison, elle augmente en cours de plongée par la consommation de l'air contenu dans la bouteille.

  • Calcul de lestage
    Le lestage dépend de la densité du corps, de la densité de l’eau, de la combinaison, du bloc. Un bon lestage est un lestage qui permet de tenir le palier avec une stab vide. Attention, un surlestage entraîne :
    - une consommation excessive
    - une flottabilité mal maîtrisée
    - un risque d’essoufflement
    - un mal au dos



Exercices



Exercice n°2

Quel est le poids apparent d’une bouteille de 12 litres qui pèse 15 kg ?

Quel est son poids apparent une fois gonflée à 200 bars ?

Masse de l’air = 1,293 g/dm3
Exercice n°3

Un plongeur de 98 kg a un volume de 100 litres avec tout son équipement.

Quel est le lestage qu’il devra prendre en lac ?

Même question en mer (densité = 1,03) ?
Exercice n°4

Quel est le poids apparent d’un plomb de 1 kg (densité = 11,3) ?


  1. Loi de Mariotte – Boyle


Abbé Edme Mariotte, physicien français, 1620-1684

Robert Boyle, physicien irlandais, 1627-1691

Mise en évidence




On retourne un verre vide à la surface d’un récipient rempli de liquide. Le volume d'air contenu dans le verre correspond au volume intérieur du verre (schéma 1).

Lorsque l'on immerge le verre, la pression augmente. Plus le verre est enfoncé (schéma 2 & 3), plus le liquide remonte à l'intérieur du verre. Pourtant, aucune bulle d'air ne s'échappe du verre. On constate donc que le volume d'air diminue lorsque la pression augmente.

Loi et formule



A température constante, le volume d'un gaz est inversement proportionnel à sa pression.

P x V = constante



Application à la plongée





  • Compresseur (voir cours 9 sur le matériel)

  • Calcul de levage

  • Calcul d’autonomie

  • Barotraumatisme (voir cours 4 sur les accidents barotraumatiques)



    Que se passe t-il si un plongeur remonte de 20 m en bloquant sa respiration ?
    Volume pulmonaire ~ 5 litres
    Vol poumon 20 m x Pression à 20 m = Vol poumon surface x Pression surface
    soit 5 x 3 = Vol poumon x 1
    Le volume des poumons en surface serait de 15 litres ! Aie…



Exercices



Exercice n° 5

Antoine, dont la consommation est de 20 litres / mn en surface, descend sur un fond de 35 m avec un bloc de 15 L pour une plongée d’exploration. Après quelques minutes de plongée, son manomètre indique 200 bars.

De combien de temps dispose-t-il encore à cette profondeur de devoir amorcer sa remontée ?

Antoine fait une autre plongée avec les mêmes paramètres mais cette fois un violent courant lui déclenche un essoufflement. Sa consommation devient 60 litres / mn.

Même question.
Exercice n°6

Un groupe de plongeurs de la commission fédérale archéologique obtient l’autorisation de remonter une statue en pierre qu’ils ont récemment découvert par 40 mètres de fond. Cette statue pèse 81 kilos pour un volume total de 68 dm3. Ils descendent avec un parachute de levage de 15 L et une bouteille de 0.4 L gonflée à 150 bars. Après avoir arrimé la statue et mis en place le matériel, ils ouvrent la bouteille. Que se passe-t-il ?

A partir de quelle profondeur, la statue peut remonter sans l’aide des plongeurs ?


  1. Loi de Dalton


John Dalton, physicien anglais, 1766-1844

Composition de l’air





Azote (N2

78,034 % 

Oxygène (O2

20,946 % 

Argon

0,934 % 

Gaz Carbonique (CO2

0,033 % 

Autres gaz (Néon, Crypton,...) 

0,053 % 


On simplifiera
Azote (N2) 80 %

Oxygène (O2) 20 %

Loi et formule



A température constante, la pression d'un mélange gazeux est égale à la somme des pressions qu'aurait chacun des gaz s'il occupait seul le volume total.


Pression partielle gaz = % gaz x P absolue



Application à la plongée




  • Toxicité des gaz (voir cours 5 sur les accidents toxiques)



Exercices



Exercice n°7

L'oxygène représente un danger pour les plongeurs à partir d'une pression partielle de 1,6 bar. Quelle est la profondeur critique en plongée à l’air ?
Exercice n°8

Quelles sont les pressions partielles d'oxygène et d'azote respirées par un plongeur à 30 m ?
Exercice n°9

Un bloc a été rempli avec un air qui contient 0,5% de CO2.

La pression partielle de CO2 limite pour l’organisme est de 30mbar.

Quelle est la profondeur limite ?


  1. Loi de Henry


Joseph Henry, physicien américain, 1797-1878

Mise en évidence





Loi



A température donnée, la quantité de gaz dissous à saturation dans un liquide est proportionnelle à la pression partielle du gaz sur ce liquide.


Application à la plongée





  • Lors d’une plongée, on respire de l’air comprimé qui va se dissoudre dans le corps. L’azote contenu dans l’air n’est pas consommé par l’organisme et peut former des bulles dans nos tissus si on remonte trop rapidement (voir cours 5 sur les accidents de décompression).

    Plusieurs facteurs influent sur la dissolution :

    - La température : saturation plus importante dans une eau froide
    - La nature du gaz : plongée à l’hélium ou l’hydrogène
    - La nature du liquide : différents compartiments
    - La surface de contact gaz/liquide : tissus +/- vascularisés
    - La pression : profondeur
    - La durée : durée de la plongée
    - L'agitation du liquide : pas d’effort pendant et après la plongée






  • Table MN 90 (voir cours 6 et 7 sur l’utilisation des tables)


  1. L’Acoustique




Le monde du silence



C’est une illustration aussi fausse que médiatique.
L'eau est un milieu incompressible, le son s'y propage donc très vite et très loin.

V air ~ 330 m/s

V eau ~ 1500 m/s
La vitesse du son dans l’eau est 5 fois plus rapide.
Sur Terre, c’est le léger décalage entre la perception de chaque oreille qui permet de situer la provenance d’un son. Dans l’eau, la vitesse est tellement élevée que le son arrive en même temps aux deux oreilles. Il est impossible de situer le son.

Application à la plongée





  • Communication entre plongeur : shaker, avertisseur,…

  • Sécurité : on entend le bruit bateau mais on ne le voit pas !

  • Sondeur

Exercices



Exercice n°10

Au palier, au bout de combien de temps entendra t-on une explosion qui s’est produite à 3 km ? Le plongeur sort de l’eau 7 s après l’explosion, que se passe t-il ?
Exercice n°11

L’onde d’un sondeur met 1/10 sec pour atteindre le fond.

Quelle est la profondeur ?


  1. L’Optique



La réflexion

La réfraction



En passant de l’air dans l’eau, l’angle des rayons lumineux est modifié car l’indice de réfraction de l’eau est de 1,33.

Conséquence : le masque rapproche et grossit.

Distance apparente = Distance réelle x 3/4



Taille vue = Taille réelle x 4/3


L’absortion

La diffusion
C’est l’effet brouillard dû aux particules en suspension.

Application à la plongée




  • Rapprochement

  • Grossissement

  • Rétrécissement du champ de vision : nouveau concept de masque

  • Absorption de la lumière et des couleurs : même de jour, le phare est utile



Exercices



Exercice n°12

Un plongeur voit un poisson de 80 cm à 5 m de distance.

Quelle est sa taille réelle ? A quelle distance réelle est-il ?


  1. Solution des exercices



Solution n°1

Palier au 3 m
Solution n°2

Poids apparent bouteille vide = 15 – 12 = 3 kg

Poids air = 1,293 x (12 x 200)/1000 = 3,10 kg

Poids apparent bouteille pleine = 15 – 12 + 3,1 = 6,1 kg
Solution n°3

En lac, Poids apparent= 98 – 100 = - 2 kg

Lest = 2 kg

En mer, Poids apparent= 98 – 100 x 1,03 = - 5 kg

Lest = 5 kg
Solution n°4

Volume du lest = 1 / 11,3 = 0,088 dm3

Poids apparent du lest = 1 – 0,088 = 0,912 kg
Solution n°5

Quantité air à 35 m = (200 – 50) x 15 / 4,5 = 500 l

Autonomie = 500 / 20 = 25 mn

Autonomie = 500 / 60 = 8,33 mn soit 8 mn 20 s
Solution n°6

Volume parachute = 0,4 x 150 / 5 = 12 l

Poids apparent = 81-68 -12 = 1 kg

La statue reste au fond

Pabs = 12 x 5 / 13 = 4,62 b

La statue est en équilibre à 36,2 m
Solution n°7

Pabs = 1,6 / 20% = 8 b soit 70 m
Solution n°8

PpO2= 20% x 4 = 0,8 b

PpN2= 80% x 4 = 3,2 b
Solution n°9

Pabs = 0,03/0,005 = 6 b soit 50 m
Solution n°10

Temps dans eau= 3000/1500 = 2 s

Temps dans air= 3000/330 = 9,09 s

Le plongeur entend une 2ime fois l’explosion.
Solution n°11

Profondeur = 1500 x 0,1 / 2 = 75 m
Solution n°12

Taille réelle = 80 x 3/4 = 60 cm

Distance réelle = 5 x 4/3 = 6,66 m


  1. Exercices supplémentaires



Exercice A

Pression absolue à 40 m ?
Exercice B

Profondeur si Pabs = 3 bar ?
Exercice C

Volume d’un ballon de 12 litres (en surface) immergé à 10 m ?
Exercice D

Un boîtier de caméra pèse 4 kg et a un volume de 5 dm3. Quel poids doit-on ajouter pour l’équilibrer dans l’eau ?
Exercice E

On dispose d’un bloc de 12 litres gonflé à 200 bars. A une profondeur de 20 mètres en consommant 20 litres par minutes en combien de temps est-on sur réserve ?
Exercice F

Un plongeur doit remonter l’ancre d’un bateau qui pèse 50 kg et a un volume de 10 dm3.

Elle se trouve à une profondeur de 40 m. Le plongeur attache un parachute à l’ancre et le remplit de 30 litre d’air. Que se passe t-il ? Jusqu’à quelle profondeur le plongeur devra remonter l’ancre en palmant ?
Exercice G

A quelle profondeur aura t-on PpO2= 1,7 b ?
Exercice H

Profondeur d’un plongeur qui respire de l’air avec une PpO2= 0,525 b ?
Exercice I

Pour quel mélange O2 / N2 a t-on Pp02 = 1,7 bar à 40 m ?
Solutions
A : 5 bar

B : 20 m

C : 6 l

D : 1 kg

E : 30 mn

F : l’ancre reste au fond car Papp= 10 kg et 27,5 m

G : 75 m

H : 16,25 m

I : 34% d’O2 et 66% de N2

Claude BARRIER – http://clapiluba.free.fr /

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