2 Notions de Physique - Deep Dive

Mémento du Plongeur niveau 2
Renaud Flavigny - MF1 n° 10297
Ce document
1 Objet Ce document est un résumé des notions de théorie de plongée présentées lors
de la formation au Niveau 2 de plongeur.
Il correspond principalement à la compétence n° 6 « Connaissances
théoriques » telle que définie dans le Manuel du Moniteur de la FFESSM
version 10/04.
D'autres notions théoriques ou rappels sont présentés comme support
d'autres compétences de la même formation. Ce document est destiné au stagiaire niveau 2. Il doit être considéré comme
un aide mémoire et ne peut suffire par lui-même à l'acquisition des
compétences théoriques du Niveau 2 de plongeur.
En particulier, il doit être complété et expliqué par une formation
dispensée par un moniteur qualifié. Ce document ne contient pas tout ce
qu'il faut savoir sur le sujet.
2 Organisation Ce document est organisé en 4 chapitres. Le premier présente des notions générales de physiques liées au milieu et
aux moyens de la plongée. Il s'intéresse à la flottabilité des corps et le
comportement des gaz. Le deuxième chapitre est axé sur les caractéristiques des accidents liés à
la pratique de la plongée sous-marine. Il vise à les décrire et à proposer
quelques règles de préventions. Le troisième chapitre expose l'usage des tables de décompression à l'usage
des plongeurs ainsi que les procédures de gestion de la décompression. Le quatrième et dernier chapitre expose de façon succincte le cadre
législatif et l'organisation de la plongée en France et dans le monde. Quand le sujet s'y prête, un certain nombre de questions ou d'exercices
permettant au lecteur d'évaluer ses connaissances sont proposés.
Les questions posées correspondent au niveau de connaissance théorique qui
peut être exigé lors d'un examen théorique du Niveau 2 pour la validation
de la compétence 3 Diffusion La reproduction exacte et la distribution intégrale de ce document sont
autorisées sans redevance et sur tous supports sous réserve qu'il ne soit
pas modifié et que l'auteur soit précisé. Notions de Physique
1 La flottabilité : la comprendre et la maîtriser
1 Constat Le nageur flotte à la surface de l'eau, de même qu'un bateau même s'il est
fabriqué en matériaux plus denses que l'eau !.
La bouteille de plongée, une fois immergée semble beaucoup plus légère à
porter.
Dans d'autres registres, on constate que la montgolfière s'élève dans
l'air. On constate donc :
. que certains objets flottent et que d'autres coulent
. que la matière de l'objet n'est pas directement en cause (un bateau en
fer flotte alors qu'un fer à repasser coule)
. que l'on flotte mieux en mer qu'en eau douce 2 Explication Ces phénomènes sont connus depuis l'antiquité. Si le bateau ne coule pas, c'est qu'il subit une force qui s'oppose
exactement à son poids qui l'entraîne vers le bas. Cette force s'appelle la
poussée d'Archimède. La poussée d'Archimède s'exerce de bas en haut et est égale au poids du
volume du liquide déplacé. Autrement dit, le poids du volume d'eau déplacé
par le bateau - i.e. par la partie de sa coque qui est immergée - est
exactement égale au poids du bateau. La poussée d'Archimède s'exerce au centre de carène. Le centre de carène
est le centre de gravité du volume de liquide déplacé. Définition : La flottabilité est la différence entre le poids et la
poussée d'Archimède. Elle est positive quand le corps tend à
remonter, négative quand il coule et nulle quant il est en
équilibre. La flottabilité dépend donc du poids mais aussi du
volume du corps immergé. 3 Application à la plongée En plongée, on considèrera dans les calculs que la masse volumique de l'eau
est de 1 kg par litre. Cette simplification ne fera pas oublier d'adapter
son lestage lorsque l'on plonge en mer ou en eau douce car la différence de
densité est sensible[1]
Le plongeur va pouvoir gérer sa flottabilité en agissant sur son poids et
son volume. Toutefois, il va aussi subir des variations de poids et de
volume au cours de la plongée. Le tableau ci-dessous reprend ces différents
effets. | |Variations subies |Variations voulues |
|Poids |Perte due à la |Lest |
| |consommation d'air |Matériel |
|Volume |Écrasement de la |Poumon ballast |
| |combinaison avec la |Gilet de stabilisation |
| |profondeur |Vêtement sec |
4 Exercices Exercice 1
a) Une bouteille de plongée en acier a une masse de 14,5 kg, son volume
extérieur est de 12,5 litres. Quel sera sont poids apparent une fois
immergée ?
b) Une bouteille en alu du même volume a une masse de 10,5 kg. Quel sera
son poids apparent une fois immergée ?
c) Qu'en déduisez vous quant à l'adaptation de lestage qu'il faudra faire
lors du passage de la bouteille acier à la bouteille alu ?
Exercice 2
On veut remonter une ancre d'une masse de 15 kg et d'un volume de 2
litres à l'aide d'un sac de relevage d'une masse de 1 kg et d'un volume
à vide de 2 kg.
Quel volume d'air devra t-on mettre dans le sac ?
Exercice 3
Un ponton est constitué par un caisson en forme de parallélépipède
rectangle. La surface (parallèle à l'eau) est constante et représente
un rectangle de 3 m X 3 m.
Dix plongeurs et leur matériel représentant une masse globale de 900 kg
montent sur le ponton.
De quelle hauteur le ponton va t-il s'enfoncer ?
2 La pression et ses effets
1 Constat En plongée, on constate que le volume de la combinaison et du gilet diminue
avec la profondeur. Il faut remettre régulièrement de l'air dans le gilet
pour maintenir le volume.
Dans d'autres domaines, les raquettes permettent au promeneur de ne pas
s'enfoncer dans la neige alors qu'un marcheur du même poids en chaussures
ne pourrait progresser. 2 Explications Les différents phénomènes ci dessus sont dus à des variations de la
pression. Définition : La pression est définie comme le rapport d'une force sur
une surface. [pic]
3 Application à la plongée Dans le cas du plongeur, la variation de pression est liée à l'augmentation
de la force. C'est la force exercée par l'eau sur le plongeur qui augmente
directement avec la profondeur. La surface ne varie pas c'est celle du
plongeur. Définitions :
. La pression s'exprime en bar. Un bar est la pression exercée par le
poids d'une masse de un kilogramme sur une surface de un centimètre
carré.
. On appelle pression atmosphérique la pression due à l'air. A la
surface de la mer, on considérera qu'elle est constante et égale à un
bar. On la note PATM.
. On appelle pression hydrostatique la pression due à l'eau. On estimera
qu'elle croit avec la profondeur de 1 bar tous les dix mètres. On la
note PH
[pic]
. La pression absolue est la somme de la pression atmosphérique et de la
pression hydrostatique.
[pic] Ordres de grandeur :
1) La pression atmosphérique correspond au poids de la colonne d'air.
Elle est d'environ un bar à la surface de la mer. Elle diminue avec
l'altitude.
2) La pression hydrostatique est due au poids de la colonne d'eau sur le
plongeur. Elle augmente d'environ un bar tous les dix mètres de
profondeur.
3) La pression de service courante d'une bouteille de plongée est de 200
bars. 4 Exercices Exercice 4
Un plongeur s'immerge à 25 mètres en mer.
1) Quelle pression hydrostatique subira t il ?
2) Quelle pression absolue subira t il ?
Exercice 5
A quelle profondeur un plongeur doit il s'immerger pour subir une
pression absolue de 5 bars ?
Exercice 6
Une voiture de 2,1 tonnes a ses pneumatiques gonflés à 2,7 bars. Quelle
est la surface totale de contact avec le sol ? 3 Pression et volume des gaz
1 Constat On a vu que le gilet de stabilisation s'écrase - son volume diminue -
lorsque la pression augmente.
De la même façon, on constate que le parachute de palier a demi rempli au
fond est complètement gonflé une fois en surface.
Enfin, tous les plongeurs ont remarqué que l'aiguille du manomètre baisse
bien plus vite lorsque la profondeur s'accroît. 2 Explications L'explication de ce phénomène tient en une caractéristique des gaz par
rapport à la pression : le volume d'un gaz varie lorsque la pression du gaz
varie.
Lorsque la pression augmente, le volume du gaz diminue et lorsque la
pression diminue le volume augmente. Ces variations sont globalement
proportionnelles.
Ce phénomène est très intéressant lorsqu'il s'agit de gonfler des
bouteilles de plongée : on augmente la pression à l'aide d'un compresseur,
le volume diminue ce qui permet de mettre plus d'air dans la bouteille.
A titre d'exemple, dans une bouteille de 12 litres à 200 bars, on stocke
2,4 m3 (2400 litres) d'air à pression atmosphérique (1 bar).
Allons voir que cette caractéristique n'est pas exempte de problèmes pour
le plongeur. La relation entre la pression et le volume d'un gaz est exprimé par la loi
de Boyle-Mariotte. Cette loi est une approximation qui ne s'applique qu'aux
gaz dits « parfaits ». [pic]
où
> P est la pression
> V le volume
> n le nombre de mole
> R la constante des gaz parfaits
> T la température absolue On constate donc qu'à température constante, le produit PV est constant. On
peut donc écrire la relation suivante entre deux états d'un gaz donné : [pic] 3 Applications pour le plongeur En plongée, on considère que la loi de Boyle-Mariotte s'applique à tous les
gaz et à l'air quelque soit la pression. De plus on ne tient pas compte des
éventuelles