A Notions élémentaires de Physique appliquée à la plongée





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date de publication11.12.2019
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Physiologie appliquée

Mercredi 26 novembre

Charlotte Rosset et Claire Aubert

PHYSIOLOGIE DE LA PLONGEE

I Prés requis
a) Notions élémentaires de la physique appliquées à la plongée

b) Loi de Boyle Mariotte

c) Loi de Henry
II) Application à la plongée libre
a) Loi de Boyle Mariotte

b) Loi de Henry

I Prés requis (diapo 2 à 5)

Cloche hermétique avec une réserve d’air. Utilisée depuis l’Antiquité pour construire les piliers des ponts.
a) Notions élémentaires de Physique appliquée à la plongée


densité eau > densité air

1L air = 1,293g (ici l’air est à une pression barométrique d’altitude 0 donc au niveau de la mer)

1L eau = 1000g

Pambiante = 1 atm (atmosphère), on parle donc aussi de pression atmosphérique.

Sous l’eau, on ajoute à cette Patm la pression qui s’exerce sur la surface de la personne qui va être proportionnelle à la hauteur de la colonne d’eau entre la personne et la surface de l’eau,

Donc : Pabsolue = Patm + Phydrosatatique

+ 760 mmHg / 10m d’eau

≈ 1Kg / cm2 / 10m d’eau
ex : Quand on est à la surface : P = 1atm = 760 mmHg

Quand on est à –10m : P = 2atm = 2x760 mmHg

Quand on est à –20m : P = 3atm = 3x760 mmHg

Quand on est à –30m : P = 4atm = 4x760 mmHg.
Ainsi les variations de pression sont d’autant plus importantes que l’on se rapproche de la surface.
Les variations relatives sont plus importantes près de la surface de l’eau, donc quand on passe de –50m à –60m la variation relative est plus faible que lorsqu’on passe de –10m à –20m où là le facteur est doublé.

Car quand on passe de -50m à -60m,on passe d’un facteur 6 à un facteur 7 (et oui surtout ne pas se tromper, comme à la surface on a 1atm à –50m on a 6atm et non pas 5atm !!!!)

C’est pourquoi le plus grand nombre d’accidents se passe lorsqu’on se rapproche de la surface de l’eau.
Conséquences : - organes solides : il n’y a pas d’effet de cette variations sur ces organes car ils sont plein d’eau.


  • organes liquides (plasma, LCR), pas d’effet non plus.




  • Cavités aériennes : les gaz sont compressibles à la différence des liquides.

La cavité pulmonaire contient environ 4L d’air. Si on descend à –10m, glotte fermée, la pression d’ambiance augmente d’un facteur 2 (donc 2atm) donc le gaz qui est compressible va occuper un volume 2 fois plus faible donc 2L.

Si on descend à –30m la pression est multipliée par 4 (4atm) donc le volume de cette même masse de gaz sera divisé par 4 donc 1L. Et ainsi de suite.

Ceci se fait alors que la glotte est fermée, donc il n’y pas de mouvement d’air dans les VAS c’est pourquoi il y a compression du gaz. (Il faut noter que même si le volume du gaz varie, la masse de celui-ci ne varie jamais.)

Petite aide : penser à la seringue remplie d’air. On a toujours la même masse de gaz même quand on fait varier la pression et donc le volume.
Par contre quand on plonge avec une bouteille, le plongeur respire et il respire un gaz qui va être à la pression d’ambiance c’est à dire la pression qui correspond à la profondeur à laquelle il se trouve, donc le volume d’air dans son thorax va rester à 4L mais la masse va augmenter d’un facteur 4 (Loi de Mariotte, vue plus loin).

Ce plongeur expire aussi et quand il remonte, il doit garder un volume d’air de 4L. Il va donc devoir expirer plus qu’il n’inspire pour que la masse de gaz dans son thorax diminue. Sinon il risque une surpression thoracique.


  • Gaz dissous : (Loi de Henry) Un gaz (comme l’azote) peut se dissoudre dans les liquides de l’organisme. Et cette quantité dissoute va être proportionnelle au coefficient de solubilité propre au gaz et proportionnelle à la pression d’ambiance.

Ce coefficient de solubilité reste à peu près constant mais la pression d’ambiance augmente donc la quantité de gaz dissous augmente donc la masse de gaz augmente aussi dans les liquides de l’organisme.

Cette augmentation de masse dans les liquides suit une exponentielle.

Au bout d’un certain temps, la masse de gaz dissous augmente dans les tissus, et quand le plongeur remonte, suivant le temps passé en profondeur, il aura une quantité plus ou moins importante de gaz dissous (s’il reste longtemps, il aura une grande quantité de gaz dissous et en particulier du gaz inerte).

Or la pression d’ambiance diminue quand on remonte donc la masse de gaz dissous se retrouve en sursaturation et donc plus il va remonter plus cette saturation va être grande par rapport à la pression d’ambiance.

De plus lorsque la pression partielle de ce gaz inerte est 2 fois supérieure à la pression partielle de ce gaz pour une ambiance donnée il y a sursaturation et apparition de bulles dans les tissus.
Ex : la bouteille de Perrier. Si on la décapsule vite, le liquide avec beaucoup de C02 dedans est exposé à la pression atmosphérique et comme la masse de gaz dissous dans le liquide est importante, il y sursaturation et donc des bubules !
C’est pourquoi il faut prendre son temps en remontant pour éliminer ce gaz dissous dans les tissus.
b) Loi de Boyle Mariotte
A la descente : P.V = cste donc action sur les cavités aériennes ++++
Si la cavité est fermée et à parois mobiles (cavité thoracique à glotte fermée) :

la variation de pression entraîne une variation de volume.

(par exemple, de 0 à -30 m, la pression est multipliée par 4 et le volume diminué de

1 L à 0.25 L) la cavité thoracique est comprimée.
Si la cavité est fermée et de volume +/- invariable (ex sinus de la face ou oreille externe), la pression à l’intérieure devient inférieure à la pression extérieure (ici, le volume ne peut pas varier donc il y a une dépression relative par rapport à la pression ambiante : à l’intérieur il y a tjs 1atm alors qu’à l’extérieur il y a 4atm à –30m). Conséquences :

Barotraumatisme sinusien (avec suffusion de plasma voire de sang)

Barotraumatisme de l’oreille (le tympan fait protrusion à l’intérieur de l’oreille

moyenne avec risque de rupture et surdité).

c) Loi de Henry
Vol de gaz dissout = F part. x P absolue (atm) x x Vol de liquide
donc action sur les gaz dissous +++.

A température constante et à saturation, la quantité de gaz dissout dans un liquide est proportionnelle à la pression qu'exerce ce gaz sur le liquide. La dissolution est proportionnelle à la nature du gaz, la température, la pression
A la descente,
Pour l’azote de l’air (N2),

Faction partielle du gaz = (P partielle / P absolue) = 70%,

= 0.13,

Vol de liquide = vol liq extracelullaire + vol liq intracellulaire = 42 L
À la surface : Vol N2 dissout = 70% x 1 (atm) x 0.13 x 42 = 0.4 L

À 30 m : Vol N2 dissout = 70% x 4 (atm) x 0.13 x 42 = 1.6 L

À 300 m : Vol N2 dissout = 70% x 31 (atm) x 0.13 x 42 = 12 L
La dissolution des gaz est un phénomène qui n’est pas instantané mais exponentiel par rapport au tps.


II Application à la plongée libre (diapo 6 à 17)



a) Loi de Boyle Mariotte
A la descente,
pour éviter la « rétraction » des cavités, il faut augmenter la masse de gaz pour maintenir le volume intra cavitaire (M=P/P0 x M0)
cavité pulmonaire : respiration avec l’embout buccal d’un gaz dont la masse augmente de façon proportionnelle à l’augmentation de la P absolue sans modification des fractions gazeuses du mélange respiratoire,
cavités sinusiennes : la pression s’équilibre avec la pression des voies aériennes supérieures, la pression du mélange respiratoire. Si les méats sont obstrués, il faut développer des effort de surpression nasale à nez pincé, pour éviter une dépression relative.
cavité auriculaire moyenne : déglutition pour équilibrer les pressions intra et extra cavitaires.
A la remontée,
Si la cavité est fermée et à parois « mobiles » (cavité thoracique à glotte fermée) :

la variation de pression entraîne une variation de volume (par exemple, de -30 à 0 m, la pression est divisée par 4 et le volume augmente de 1 L à 4 L)

la cavité thoracique est distendue, la limite d’élasticité pulmonaire surpassée. survenue d’accident de surpression pulmonaire.
Il faut donc faire des paliers de décompression (1 palier = ½ de la profondeur à laquelle on se trouve). Il faut rester entre 15 et 20 min à chaque palier. Et ainsi de suite. Donc plus on remonte, moins les paliers sont importants car plus les variations relatives de pression sont importantes.
Donc importance du temps de remontée et de l’expiration active.


A la remontée,
la cavité thoracique est distendue, la limite d’élasticité pulmonaire est surpassée.

Donc survenue d’accident de surpression pulmonaire avec

• dilatation pulmonaire

• diffusion accrue (embolies gazeuses possibles)

• effet garrot sur la petite circulation (surcharge cardiaque droite due à un collapsus des capillaires et des artérioles pulmonaires qui entraînent une augmentation très importante des résistances)

• claquage alvéolaire : embolie cérébrale, pneumo-médiastin, pneumothorax.

A la remontée,
Si la cavité est fermée et à parois « mobiles » (voies digestives) :

• douleurs abdominales

• rarement compliquées
Si la cavité est fermée et de volume +/- invariable, la pression à l’intérieur devient

supérieure à la pression extérieure donc :

Barotraumatisme de l’oreille (le tympan fait protrusion à l’extérieur de l’oreille moyenne avec risque de rupture et surdité)
+++ Temps de remontée et expiration active +++
b) Loi de Henry



Saturation = quantité d’O2 fixé sur l’Hb.


Explication : quand la pression partielle en O2 passe du point veineux au point artériel, la saturation augmente de 40% à 100%.

En bas, crbe 2 : O2 dissous ds sang.


A la descente,
La dissolution des gaz est un phénomène qui n’est pas instantané mais exponentiel /tps
L’O2 dissous dans les tissus va être utilisé donc pas de problème de saturation. Mais le problème se pose pour l’azote qui n’est pas métabolisé par l’organisme.

On voit sur la courbe qu’il faut attendre 6h pour atteindre 90% de la quantité totale d’azote qui peut être dissoute.


A l’équilibre, il y a la même masse de gaz dans les poumons, le sang et les liquides de l’organisme.

Et donc à la remontée, la masse de gaz va être inférieure car la pression d’ambiance sera inférieure.

Mais dans le sang, il y a toujours la masse de gaz inerte qui est inférieure à la quantité qui devrait être la sienne à l’équilibre : il y aura donc sur saturation et donc un gradient de diffusion du sang vers le gaz alvéolaire.
En résumé : Ppartielle dans le liquide est 2 fois supérieure à celle qui devrait être à l’équilibre donc apparition de bulles.

Loi de Henry : Vol de gaz dissout = F part. x P absolue (atm) x x Vol de liquide
Le volume du gaz présent dans les tissus devient supérieur au volume du gaz qui peut être dissout, c’est vrai pour le N2, les gaz rares,

c’est faux pour l’O2 qui est consommé,
Dès que la Pp du gaz dans les poumons < Pp du gaz dissout dans le sang veineux, les tissus sont en état de sursaturation pour le gaz considéré.
Quand la P du gaz dissout > 2x la P du gaz dans les poumons, SURSATURATION
Quand le seuil de sursaturation est dépassé, il y a « vaporisation » des gaz avec formation de bulles dans les liquides extracellulaires, le sang et les liquides intracellulaires (+ la graisse pour le N2). Donc le N2 va surtout dans le cerveau car il y a beaucoup de graisse

Dans les vaisseaux il y a sursaturation progressive à la remontée.

Lorsqu’il y a des bulles dans les vaisseaux, il va y avoir compression de cette bulle quand la pression passe de la Pdiastolique à la Psystolique. Cela entraîne un arrêt circulatoire dans l’artère → embolie artérielle → accident ischémique.
S’il y a des bulles dans un organe ou dans la circulation il y a ischémie et compression des tissus (ex compression nerveuse dans cerveau) donc dès que le plongeur ressent des troubles, il faut le « recompresser » dans un caisson de compression pour faire disparaître les bulles qui vont se redissoudre dans le sang. On leur fait également respirer de l’air avec plus de 21% d’02.

A la remontée,
En remontée lente avec respect des paliers de décompression :

libération du volume des gaz dissous du sang vers les poumons (diffusion cap pulmonaire)

libération des gaz dissous des tissus vers le sang (diffusion cap systémique)

sans « vaporisation » entre 1 et 2 fois la P du gaz dans les poumons.
En remontée rapide, le seuil de sursaturation peut être dépassé avec formation de bulles.

Le prof s’est arrêté là

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