Les LOIS PHYSIQUES
La pression est une notion utilisée de façon permanente en plongée sous marine. Bien comprendre la pression c'est assimiler ses effets sur le plongeur ainsi que sur son équipement.
Cela permet d'appréhender différentes techniques de la plongée telles que: l'équilibrage et la consommation en air. Cela permet aussi de mieux comprendre et d'expliquer certains accidents de plongée : les barotraumatismes
La pression est une force qui s'applique sur une surface :
P = F / S
L'unité légale de la pression est le Pascal (Pa) correspondant à 1 Newton(N) / m².
En plongée, on exprime souvent la pression en bar (b).
Une pression de 1 bar correspond à une force de 1 Kg s'exerçant sur une surface de 1 cm².
La pression est donc d'autant plus grande :
- que la force exercée est grande.
- que la surface sur laquelle elle s'exerce est petite.
La pression atmosphérique :
L'air, en pesant (1.293 gr/l), exerce une pression sur tous les corps avec lesquels il est en contact. Au niveau de la mer la pression atmosphérique est environ égale à 1 bar.
A noter que la pression atmosphérique diminue avec l'altitude. Par exemple à 1000 m elle est de 0.88 bar et à 5000 m de 0.5 bar.
La pression relative ou hydrostatique :
Tout corps plongé dans l'eau subit une pression résultant du poids de la colonne d'eau qu'il a au dessus de lui ; c'est la pression relative. Ainsi, à 10 m de profondeur, un corps immergé subit sur chaque cm² de sa surface une pression égale au poids d'une colonne d'eau de 10 m de haut par 1 cm² de section (soit le poids de 1000 cm3 d'eau, soit 1 kg). Cette pression est donc égale à 1 kg par cm², soit 1 bar, à 10 m de profondeur.
De même, si le corps est immergé à 20 m, on obtient par calcul qu'il subit une pression de 2 bars. Et de 3 bars à 30 mètres...
Conclusion : la pression relative augmente de 1 bar tout les 10 m de profondeur.
La pression absolue :
Les liquides transmettent intégralement les pressions. Ainsi tout corps plongé dans la mer subit ,en plus de la pression relative liée à l'eau, la pression atmosphérique bien que ce corps ne soit pas directement en contact avec l'air.
La somme de ces 2 pressions est appelée pression absolue.
Le tableau suivant récapitule les différentes pressions en fonction de la profondeur d'immersion
ProfondeurP atmospheriqueP relativeP absolue
On remarque que les plus grandes variations de pression absolue ont lieu près de la surface.Ainsi entre la surface et une profondeur de 10 m, la pression absolue double.
La loi de Boyle Mariotte :
La loi de Boyle Mariotte décrit les effets de la pression sur les gaz. En effet, les gaz sont compressibles et en plongée ils se compriment à la descente (la pression augmentant) et se dilatent à la remontée (lapression diminuant).
Mise en évidence :
On immerge à 20 mètres de profondeur un ballon contenant une certaine masse de gaz. A cette profondeur, le ballon occupe un volume V1 = 1 litre à la pression P1 = 3 bars. En remontant, le ballon se gonfle et on observe qu'à 10 mètres, son volume est de V2 = 1.5 x V1 = 1.5 litres, la pression étant de P2 = 2 bars. A la surface, le volume du ballon est de V3 = 3 x V1 = 3 litres, la pression est de P3 = 1 bar.
On constate donc que :
- A 20 mètres P1 x V1 = 3 x 1.33 = 4
- A 10 mètres P2 x V2 = 2 x 2 = 4
- A 0 mètres P3 x V3 = 1 x 4 = 4
Les conséquences de la loi de Boyle Mariotte en plongée sont nombreuses :
- Accidents barotraumatiques : la compression ou la décompression de l'air dans l'organisme peut entrainer des accidents.
- Effets sur la consommation d'air : l'air étant comprimé en profondeur, pour un même volume d'air inspiré la quantité d'air consommée augmente avec la profondeur.
- Effets sur l'équipement : utilisation du gilet stabilisateur, compression de la combinaison et donc effet sur le poids apparent du plongeur.
La poussée d'Archimède :
Tout corps plongé dans un fluide subit de la part de celui-ci une poussée verticale dirigée de bas en haut égale au poids du volume du fluide déplacé.
Ainsi dans notre exemple ci-dessus, le cube subit une force qui augmente au fur et à mesure qu'il s'enfonce dans l'eau. Lorsque le corps est totalement immergé, cette force est égale au poids du volume d'eau que le corps a déplacé.
Lorsque le plongeur s'immerge, cela met en jeu 2 forces qui s'opposent : son poids réel, qui a tendance à le faire couler, et la poussée de l'eau, aussi appelée la poussée d'Archimède. Le poids du plongeur est appelé son poids apparent, il est égal au poids réel du plongeur, diminué de la poussée d'Archimède.
Poids apparent = Poids réel - poussée d'Archimède
Le plongeur jouera sur différents éléments pour faire varier sont poids apparent et ainsi s'équilibrer dans l'eau :
- Le lestage permet d'augmenter son poids apparent (il augmente sensiblement le poids réel sans beaucoup faire varier le volume d'eau déplacé).
- Le gilet stabilisateur permet en le gonflant d'augmenter le volume d'eau déplacé sans faire varier le poids réel du plongeur. Son poids apparent diminue donc et cela permet au plongeur de s'équilibrer à toute profondeur ou de remonter.
- Le poumon ballast agit de la même façon que le gilet : lorsque le plongeur gonfle ses poumons, il diminue son poids apparent et inversement.
D'autres éléments agissent sur la flottabilité :
- Le poids de la bouteille qui agit comme un lest. A noter que le poids réel de la bouteille diminue au cours de la plongée (consommation d'air), en fin de plongée la bouteille est plus légère d'environ 3 kg. Il faut donc en tenir compte lors du lestage. De même le lestage devra être adapté au type de bouteille, une bouteille en alu étant plus légère qu'une bouteille acier.
- La combinaison agit comme une "bouée" en augmentant le volume du plongeur sans en faire varier significativement le poids réel. Donc plus un plongeur porte une combinaison épaisse, plus son lestage sera important. A noter que le volume de la combinaison diminue avec la profondeur (la combinaison s'écrase) et donc que le plongeur est plus lourd au fond.
- La densité de l'eau. L'eau de mer est plus dense que l'eau douce, la poussée d'Archimède est donc plus importante en mer qu'en eau douce. Ainsi 1 litre d'eau douce pèse 1 kg, 1 litre d'eau de mer environ 1.024 kg et 1 litre d'eau de mer à forte salinité (Mer Rouge) 1.035 kg. Ce paramètre doit donc être pris en compte lors du choix du lestage.
La consommation d'air :
Toute plongée en bouteille s'effectue avec une quantité limitée d'air. Il est donc indispensable de savoir contrôler sa consommation d'air au cours de la plongée afin de pouvoir effectuer une remontée et d'éventuels paliers tout en concervant une marge de sécurité suffisante (la réserve d'air de 50 bars).
Cela passe par la consultation de son manomètre mais aussi par la compréhension de certaines notions permettant d'évaluer son autonomie en air en fonction de différents paramètres et principalement en fonction de la profondeur.
Consommation d'air et profondeur :
Rappel : la Loi de Mariotte établit qu'à température constante, le volume d'une masse gazeuse est inversement proportionnel à la pression qu'il subit. Ou encore P1V1 = P2V2
La ventilation de l'Homme en surface lors d'un effort modéré est d'environ 20 litres d'air par minute. L'air est alors à une pression de 1 bar. A 10 mètres de profondeur, d'après la loi de Boyle-Mariotte, l'air est deux fois plus dense. Donc lorsqu'un plongeur respire 1 litre d'air à cette profondeur, cela correspond à 2 litres d'air en surface.
On voit donc que la consommation en air augmente avec la profondeur. Un plongeur ayant une autonomie d'air de 2 heures en surface vera cette autonomie être divisée par 2 à 10 mètres (et donc passer à 1 heure), par 3 à 20 mètres (soit 40 minutes).
Calcul d'autonomie :
Exemple : calculons l'autonomie à 30 mètres de profondeur d'un plongeur respirant 20 litres d'air par minute et disposant d'un bloc de 12 litres à 200 bars.
Deux méthodes peuvent être utiliser pour connaître son autonomie :
Méthode 1 : calculer sa consommation en litres équivalent surface à la profondeur donnée.
Une consommation de 20 litres d'air à 30 mètres (4 bars) par minute correspond à :
20 * 4 = 80 litres d'air par minute en équivalent surface. Il suffit alors de diviser le volume d'air disponible en surface par 80 soit :
(12*200) / 80 = 2400/80 = 30 minutes. Le plongeur pourra rester 30 minutes.
Méthode 2 : calculer le volume d'air disponible à la profondeur donnée.Les 2400 litres d'air disponibles en surface dans le bloc correspondent à 2400 / 4 = 600 litres d'air à 4 bars.
Le plongeur consommant 20 litres d'air par minute, on obtient une autonomie de 600 / 20 = 30 minutes.
La réserve :
Tout plongeur doit remonter en surface en ayant conservé une pression de 50 bars dans sa bouteille : c'est ce qu'on appelle communément la réserve.
Il convient donc de retirer de la pression initiale de la bouteille les 50 bars de la réserve. Le volume d'air disponible en surface pour un bloc de 12 litres gonflé à 200 bars est alors de (200-50)*12 = 1800 litres d'air.
Autres paramètres :
D'autres paramètres influent sur la consommation d'air du plongeur, et donc sur son autonomie :
- Le niveau de stress, généré par exemple par des conditions de plongée difficiles (faible visibilité, courant), augmente la consommation d'air.
- Le froid a aussi un effet sur notre ventilation et augmente la consommation d'air.
- L'équipement : un lestage mal adapté, une combinaison ou un gilet stabilisateur trop sérré par exemple provoquent une surconsommation d'air.
- L'entrainement physique : une bonne hygiène de vie, un entrainement régulier en mer ou en piscine permettent de diminuer la consommation.
- Un comportement "nerveux" : palmage inefficace ou rapide, mouvements de bras... ont aussi un effet néfate sur la consommation.
- Le facteur physilogique : chaque individu à une consommation "de base" qui lui est propre.
La pression partielle des gaz, loi de Dalton :
La pression partielle d'un gaz résoulte de la loi de Dalton.
La loi de Dalton
La loi de Dalton définit que la pression totale exercée par un mélange est égale à la somme des pressions partielles des constituants. Cette loi est une conséquence de l'équation des gaz parfaits.
P = ∑PP
Cette loi peut être mise en évidence avec l'expérience de Bertholet. On place deux gaz distincts dans deux mêmes volumes à une même pression reliés entre eux. A l'ouverture de la liaison, on constate que les deux gaz se répartissent uniformément dans les deux volumes en conservant la pression initiale.
La pression partielle
La pression partielle d'un gaz dans un mélange est égale au pourcentage de ce gaz multiplié par la pression absolue.
PPgaz = Pabs x %gaz
Exemple de l'air respiré en surface
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PPO2 = 1 x 20% = 1 x 0,2 = 0,2 bar
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PPN2 = 1 x 80% = 1 x 0,8 = 0,8 bar
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Pabs = PPO2 + PPN2 = 0,2 + 0,8 = 1 bar
Exemple de l'air respiré à 30 m
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PPO2 = 4 x 20% = 4 x 0,2 = 0,8 bar
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PPN2 = 4 x 80% = 4 x 0,8 = 3.2 bar
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Pabs = PPO2 + PPN2 = 0,8 + 3,2 = 4 bar
Les conséquences en plongée
La variation de la pression absolue avec la profondeur atteinte par le plongeur fait varier la pression partielle des différents gaz composant le mélange respiré. L'organisme réagit de manière différente selon les gaz à ces augmentations et il existe des seuils de toxicité pour chacun d'entre eux, ce sont les accidents biochimiques.
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pour l'oxygène, c'est l'hyperoxie à partir de PPO2 = 1,6 bar
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pour l'azote PPN2, c'est la narcose à partir de PPN2 = 3,2 bar
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pour l'azote PPCO2, c'est l'essouflement à partir de PPCO2 = 0,02 bar