[PDF] Apports physique ACEL Archimède et flottabilité 1

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Le 28/12/17 Frédéric Imbach

Apnéistesconfirmés en eau libre

Notions de Physique

Pourquoi?

Comprendreleseffetsdumilieu

Théorème

d'Archimğde

Lois de Mariotte

Loi de Dalton

Pression

ForceMasse

Poids densité

Comprendrelesmécanismesquiengendreles

accidentspourmieuxlesprévenir

Masse volumique

PLAN -Archimède et flottabilité -Vision sous l'eau -Audition sous l'eau -Rappel de quelques notions préliminaires -La pression -La compressibilité des gaz, Mariotte -Dalton, les pressions partielles

Rappel de quelques notions préliminaires

LaForce:

C'estuneinteraction,uneactiondont

laconséquenceestlamodificationde lavitessedel'objetsurlequelelleest

Unsens,uneintensité,uneunité"le

Newton»

AEla force gravitationnelle (force à distance)

AEla poussĠe d'Archimğde (force de contact)

Rappel de quelques notions préliminaires

Elleestfonctiondelatailledel'objet

volume

Elleestfonctiondela

naturedelamatière

Rappel de quelques notions préliminaires

Lepoids:

AEEn apnée, on assimilera des forces à des masses !

Rappel de quelques notions préliminaires

Onversedansunecarafede1litre:

Lamassevolumique:

PolystyrèneEau Cailloux

AEYu'estcequiestlepluslourd?

Rappel de quelques notions préliminaires (fin)

Ladensité:

AEL'eau est ~770 fois plus dense que l'air

MatièreDensité

Eau douce1,0

Béton2,4

Sable1,6

Fer, acier7,8

Or19,3

Plomb11,3

0,92

Essence0,75

Eau de mer1,03

d'unitĠ)

Etladensitéducorpshumain?

Densité

Muscle ~ 1,7

Densité

Graisse ~ 0,92

Densité

Os ~ 1,8

en moyenne ~ 1,06 AEDensitĠ du corps humain proche de celle de l'eau

La Pression

LaPression:

etsurface:Pression=Force/Surface.

La pression subie

en apnée

1.Lapressionatmosphérique

La Pression (suite)

La pression subie

en apnée

2.Lapressionhydrostatique

La Pression (suite)

Pression absolue

1 bar

1,5 bar

2 bar

2,5 bar

3 bar 4 bar + 50 % + 33 % + 25 % + 20 %

Profondeur

0 m 5 m 10 m 15 m 20 m 30 m

Plus on est proche

de la surface, plus les variations relatives de pression sont importantes !

Variation

x2

Variation

x2

Variation relative

de la pression

Coefficient

multiplicateur

La Pression (fin)

Compressibilité des gaz, La loi de Mariotte

Injection d'air ă ǀolume Ε constant

AEla pression augmente

Injection d'air ă ǀolume ǀariable

AELa pression n'augmente pas

AEIl y a une relation entre pression et volume

La loi de Mariotte se rapporte aux variations de volume des gaz en fonction de la pression : (à température constante) A la pression de 1 bar le volume est de 1 litre : 1 x 1 = 1 A la pression de 2 bar le volume est de 0,5 litre : 2 x 0,5 = 1 A la pression de 3bar le volume est de 0,333 litre : 3 x 0,333 = 1 A la pression de 4 bar le volume est de 0,325 litre : 4 x 0,25 = 1

Compressibilité des gaz -La loi de Mariotte

Enoncé de la loi de Mariotte :

Intervient dans Les

accidents barotraumatiques

Intervient dans

les variations de flottabilité

En apnée verticale, un volume de gaz emprisonné en surface va diminuer à la descente (pression augmente).

-l'écrasement de la combinaison néoprène,

Une quantité de gaz emprisonnée en immersion va voir son volume ré-augmenter à la remontée.

-les caǀitĠs d'air dans le corps humain ͗ poumons, oreille moyenne, sinus... -Les variations de flottabilépendant la descente et la remontée

Archimède et flottabilité

Le théorème d'Archimğde se rapporte au poids apparent des objets dans l'eau.

EnoncĠ du thĠorğme d'Archimğde :

Tout corps immergé dans un liquide reçoit de la part de ce liquide une poussée verticale dirigée de bas en haut égale au poids du volume de liquide déplacé Poids apparent = poids réel-poussée d'Archimède

Papp < 0

Flottabilité positive

Papp = 0

Flottabilité neutre

Papp > 0

Flottabilité négative

Exemples de facteurs influençant la flottabilité :

Archimède et flottabilité

-La prise d'air aǀant apnĠe (ǀolume pulmonaire) -La combinaison (nature, épaisseur, résistance écrasement) -le poids de l'eau dĠplacĠ -le lestage -un plongeur de volume 80 litres en eau douce déplace : (80 * 1) = 80 kg d'eau -un plongeur de volume 80 litres en eau salée en mer déplace : (80*1,03) = 82,4 kg d'eau AEvariation du poids apparent de 2,4 kg (à corriger par le lestage) -Volume de 6 litres en surface PV = 1b*6l = 6 -Volume de 2,4 litres à 15 mètres PV = 2,5b*2,4l= 6 AESoit une variation de poids apparent de 3,6 Kg entre la surface et 15m de profondeur. Le ǀolume d'air des poumons ǀarie aǀec la profondeur ͗

Volume indicatif combinaisons :

Shorty: ~ 1/2 litres

Mono-pièce 3mm : ~ 3/4 litres

Mono-pièce 5mm : ~ 4/5 litres

Mono-pièce 7 mm : ~ 5/6 litres

Deux pièces 7 mm : ~ 6/7 litres

Le volume de l'air embarqué

dans les poumons

La compression combinaison

La densitĠ de l'eau

Zoom sur 3 facteurs du poids apparent de l'apnéiste, dont certains ǀarient pendant l'immersion ͗

La combinaison se comprime avec les variations de pression : pression (hypothèse d'Ġcrasement de Ε 50%) : AEvariation du poids apparent de 1,2 kg avec une combinaison 3 mm

Archimède et flottabilité

AEvariation du poids apparent de 1,8 kg avec une combinaison 7 mm

Archimède et flottabilité

Eǀolution de flottabilitĠ d'un apnéisteen profondeur sans combinaison (80 kg et 83 l poumons pleins 6l) :

-Sans lest supplémentaire -Avec 1 kg de lest suppl. -Avec 2 kg de lest suppl. -Avec 3 kg de lest suppl.

Quel lestage choisir ?

AEPas de lestage suppl.

Quel écart de flottabilité

entre la surface et 24 m ?

Quels sont les risques ?

4,2 kg

indépendant du lestage

Archimède et flottabilité

Eǀolution de flottabilitĠ d'un apnéisteen profondeur avec combinaison(81 kg et 89 l poumons pleins 6l) :

-Avec 2 kg de lest suppl. -Avec 3 kg de lest suppl. -Avec 4 kg de lest suppl. -Avec 5kg de lest suppl.

Quel lestage choisir ?

3 kg pour 24 m

4 kg pour 15 m

Quel écart de flottabilité

entre la surface et 24 m ? 6 kg indépendant du lestage

Quels sont les risques ?

Archimède et flottabilité

Eǀolution de flottabilitĠ d'un apnéisteen profondeur avec différentes combinaisons ayant toujours

flottabilité positive de 3 kg en surface : -Avec combinaison 0 mm -Avec combinaison 3 mm -Avec combinaison 5 mm -Avec combinaison 7 mm

Influence de la

combinaison ?

Plus la combinaison

est épaisse, plus la variation de flottabilité est grande

Entre 4,2 et 6,4 kg

Quelle Combinaison

choisir ?

Adaptée au milieu

Archimède et flottabilité

FlottabilitĠ d'un apnéistesur un parcours horizontal et vertical : centre géométrique ou de symétrie de l'apnéiste centre de masse ou de gravité de l'apnéiste

Effort de correction

nécessaire (couple)

Pas d'effort

de correction Mais le point d'action des forces n'est pas le mġme ͊

Archimède et flottabilité

FlottabilitĠ d'un apnéistesur un parcours horizontal :

1. Avoir une flottabilité positive

AEsécurité

Exploration peu profonde

Entrainement piscine

résultante

Archimède et flottabilité

2. Rapprocher le point d'action des forces ͗

quels lestages et où les placer ?

Archimède et flottabilité

AEDĠpend de la silhouette de l'apnéiste

et de son genre morphotypes

Mince, squelette

Étroit et long

Musclé

Squelette large

Prédisposé

embonpoint Archimède et flottabilitéSynthèse flottabilité :

En apnée verticale : variation importante de flottabilité due à la compression du volume pulmonaire

Dépend du milieu :

DĠpend de l'apnéiste:

variation relative plus forte prêt de la surface

Réglage flottabilité par lestage -sécurité : toujours positif en surface, facilement largable

DĠpend beaucoup du ǀolume d'air dans les poumons plus grande avec combinaison variation plus forte avec combinaison et si combinaison plus épaisse lestage à adapter à la profondeur explorée sécurité : au minimum positive dans la 2èmepartie de la remontée et surface sensibilitĠ au point d'action des forces AEéviter le couple de force sécurité : légèrement positive à la profondeur explorée, positive surface utiliser de lestages adaptés à la morphomogiede l'apnéisteet à son équipement

Edžercice d'application

Gueuse légère

AEDescendre avec un poids

Archimède et flottabilité

Apnéistede 80 kg / 85 litres avec une ceinture de 4 kg de lest, en mer.

Quelle masse pour le lest ?

P appapnéisteseul = 80+4 -85*1,03 = 84 -87,6 = -3,6 kg "flottabilité positive»

Si on prend un lest de 6 kg :

P appapnéiste+ lest = 84+6 -87,6 = + 2,4 kg "flottabilité négative»

AEOn descend

AELâcher le poids au fond

AERemonter

Edžercice d'application gueuse lourde

La gueuse pèse 35 kg et de volume 15 litres. Le ballon à une capacité de 50 litres. L'apnéisteretire sa ceinture de lest, il a une flottabilité nulle au fond à 20 m

Archimède et flottabilité

AEDescendre avec une gueuseApnéistede 80 kg / 85 litres avec une ceinture de 4 kg de lest, en carrière.

P appapnéistesurface = 80 -85*1 = 80 -85 = -5kg "flottabilité positive» Combien de litres d'air ă mettre dans le ballon pour dĠcoller facilement du fond ͍ P appgueuse = 35 -15*1 = 20 kg "flottabilité négative» Papp apnéiste+ gueuse = -5 + 20 = 15 kg "flottabilité négative» P appapnéisteet gueuse au fond = 0 + 20 = 20 kg Il faut plus de 20 litres d'air dans le ballon pour retrouǀer une flottabilitĠ positiǀe,

30 litres d'air, ă 20 m cadà 3 bar : PV = 3*30 = 90

A la surface, P=1 bar : PV = 1*90 = 90 AEle ballon a une capacité de 50 l P = 90 / 50 = 1,8 b AEdes bulles s'Ġchappent ă partir de 8 m

AEGonfler un ballon au fond

AERemonter

Dalton, les pression partielles

On gonfle le pneu à

l'azote N2 ͗ 2 bar

Pression du mélange

dans le pneu en final ?

Puis on ajoute de

l'odžygğne ͗ 1 bar N 2O2

Mélange

N2 O2

2 b N2 + 1 b O2 = 3 bar

Dalton, les pression partielles

-d'odžygğne ͗ Ε 20 й -d'azote ͗ Ε 80 й

2 bar d'air ͗

-Combien de pression d'azote N2 ͍ -Combien de pression d'odžygğne O2 ͍ Air

2 bar * 80% = 2 bar * 0,8 = 1,6 bar

2 bar * 20% = 2 bar * 0,2 = 0,4 bar

AE0,2 bar

AE0,8 bar

Les règles de Dalton

La pression exercée par un mélange gazeux est égale à la somme des pressions de chacun des gaz constituant le

La pression partielle est égale au produit de la pression totale du mélange par le pourcentage du gaz dans le

mélange : PP= % P Chacune de ces pressions s'appelle "pression partielle».

Dalton, les pression partielles

Eǀolution des pressions partielles de N2 et d'O2 en fonction de la profondeur ͗ (hypothğse ͗ pas de consommation d'O2 pendant la descente)

Cela permet de comprendre

pourquoi on peut se sentir

Mais aussi les risques de

syncope à la remontée

Cela permet de comprendre

désaturation pour les

La ǀision sous l'eau

Les objets paraissent plus gros : de 33%

I·HMX MNVRUNH OHV

couleurs de la lumière

Les objets paraissent plus rapproché : de 25%

L'audition sous l'eau

IM YLPHVVH GH SURSMJMPLRQ GX VRQ GMQV O·HMX HVP NHMXŃRXS SOXV UMSLGH TXH GMQV O·MLU AELa localisation des sons dans O·HMX HVP LPSRVVLNOH -Détection : plus de différence entre les 2 oreilles -Passe par la boite cranienne La YLPHVVH GH SURSMJMPLRQ G·XQ VRQ GpSHQG GH OM densité du milieu : * Dans O·MLU environ 330 m/s * Dans O·HMX environ 1500 m/s AEDans O·HMX 4BD IRLV SOXV UMSLGH TXH GMQV O·MLU

Avez-vous des questions ?

Références :

Apports physique N2 plongée F. Imbach

Plongée Plaisir niveau 3 (Alain Foret et Pablo Torres, Editions Gap) CR Centre Apnée : cours de physique de Cédric Viou

Définitions wikipedia

Photographies et dessins Google

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