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Tous les exposés N4

Claudine Peyrat & Paul FranchiCannes Jeunesse Plongéeversion 23/10/2002

AvertissementCe document est destiné à un usage privé et non à une diffusion publique : il s’agit d’une compilation faite dans le cadre d’une préparation au MF1 à partir des ouvrages cités en référence, avec notamment des emprunts de figures et de schémas.

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Tous les exposés Niveau IV

Références PhysiqueAnatomie & PhysiologieTous les Accidents

BarotraumatismesADDBiochimiquesNoyadeFroidApnéeDangers du milieu

Tables- utilisationTables- conceptionPlongées aux MélangesPlongées en AltitudeMatérielOrganisation des PlongéesMatelotageRéglementation

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Références • Sur le Web

•ABYSS:http://www.abysmal.com/tech-articles.html•LAURENCE MARTIN:http:/www.mtsinai.org/pulmonary/books/scuba/welcome.htm•VINCENT IOZZO:http://www.chez.com/iozzo/•Cours de Plongée au Nitrox, Aldo Ferrucci, 1999•Manuel US Navy•Supports de Cours Cannes - Jeunesse•Niveau I, Blandine Blanc & Fred Durand, 1994•Niveau IV, Blandine Blanc & Fred Durand, 1996•Niveau II, Claudine Peyrat & Paul Franchi, 1997•Nitrox I & II, Claudine Peyrat & Paul Franchi, 2000

•Ouvrages•Guide de Préparation au Niveau IV, Paul Villevieille, 5ième édition, 2000•Dossiers de la CTN INFO•La plongée sous-marine à l’air, Philip Foster, 1993•Plongée Subaquatique, Ph. Molle & P. Rey, édition 2000

•FEDES •FFESSM : http://www.ffessm.fr/•FFESSM Bretagne et Loire : http://www.cibpl.ctr.claranet.fr/index.html•PADI : http://www.padi.com/

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N4 - Physique1. Rappels: Unités, Forces, Pressions 2. Flottabilité3. Compressibilité des gaz4. Pressions Partielles5. Dissolution des gaz6. Optique7. Son

N4 - 5

Unités, Poids, Forces, Pressions1. Expériences vécues

2. Unités SI & dérivées3. Autres unités & conversions4. Force5. Poids6. Pression dans un fluide7. Pression Atmosphérique8. Pression Hydrostatique9. Applications pratiques

Mano, Détendeur, Gonflage, Avion, Baromètre

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Rappels : Notion d’unité

Le système international : SIMètre (longueur)Kilogramme (masse)Seconde (temps)Ampère (intensité électrique)Kelvin (températureMole (quantité de matière) Candela (intensité lumineuse)

MKgSAKMlC

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Rappels : Unités dérivées du SILes unités qui se déduisent du SI

Surface: m2, Volume = m3

Vitesse= m/s, Accélération= m/s2

etc.Les multiples et les sous-multiples

Préfixes Deci, centi, milli, micro, nano,….Deca,hecto, kilo, mega, giga

Noms différentsLitre (volume) = Déci m3

Newton (force) = kg m/s2

mm de Hg, cm d’eau de mer

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Rappels: notion de Force

Une force est une cause capable de modifier le mouvement d’un corps, elle est caractérisée par

sa direction, son sens, son intensité son point d’application.

Elle se mesure en Newton

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Rappels:notion de Poids

Le poids d’un corps est la force qui l’attire vers la terre; cette force est dépendante du lieu.

Un objet de masse m, en un lieu où l’accélération de la pesanteur vaut g (9,81 sur terre), a son poids égal à mg.

Ancienne unité : le kilogramme-force1Kgf=9,81N

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Rappels: notion de Pression

Lorsqu’une force s’exerce sur une surface, l’effet engendré s’appelle une pression.

L’unité SI de pression est donc le N/m2 aussi appelé Pascal (Pa)

Effets d’une pressionmis en mouvement du piston dans un détendeurdéformation des volumes anatomiques

P = F / S.

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Les autres unités de pression

Les multiples :Le bar 1b= 105 PaLe millibar 1 bar =1000 mBL’ hectoPascal 1 hPa =100 Pa

Les autres :Le bar 1b = 105 PaL’atmosphère 1 Atm ≅1013 mBLe mm Hg:1 Atm ≅760mm de HgLe psi 1psi ≅ 14,5 b

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Pression dans un fluide

En tout point d’un fluide la pression s’exerce de manière identique(même valeur) dans toutes les directions.

La force qui résulte de la pression exercée par un fluide sur une surface est toujours perpendiculaire à cette surface

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Pression dans l’eau

air

eau

Pression ambiante(absolue)

= Pression

Atmosphérique+

PressionHydrostatique

(relative)

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Pressions et Unités

Pression atmosphériqueau niveau de la mer: 1013 mb ou hPa = 760 mmHg = 10, 330 m d’eau douce ≈ 1 ben altitude: Palt (b)≈ 1- Alt(m)/100

Pression hydrostatique10m d’eau douce = 0,98 bar10m d’eau de mer ≈ 1b

Pression absolue en merPabs (en bar) ≅ 1+(Prof(m) /10)

Profondeur en merProf(m) ≅ (Pabs(b) -1) * 10

Profondeur en lac (altitude):Prof(m) ≅ (Pabs(b) –Patm(b)) * 10

Pression en altitudeP (en bar) ≅ Patm (en bar)+(Prof(m)/10 )

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Conversion des unités de pression

bar mmHg

Pa

hPa

* 102/102

* 760

/760

* 105

/105

psi

103/14,5

/14,5

mbar

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Flottabilité

Lestage, Poumon Ballast, etc. Pourquoi du plomb ?

Relevage d’objets lourdsFlottabilité d’un bloc

Acier/alu

Expériences vécues Rappel: Unités, Forces et PoidsPrincipe d’Archimède Poids apparentFlottabilitéLestagePoumon ballast

Applications pratiques

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Théorème d’Archimède

Tout corps plongé dans un fluide reçoit de la part de celui une poussée (force) verticale dirigée de bas en haut, égale au poids du volume de fluide déplacé

Cette force s’exerce sur le centre de carène de l’objet (centre de gravité du volume immergé)

PArchim = VOLimmergé * μ fluide

Masses volumiques μ eau douce = 1 Kg/lμ eau de mer = 1,025 Kg/l μ air (niveau mer) = 1,293 g/l

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Poids apparent

ArchimèdedPousséePoidsPapparent '−=

Un objet de poids apparent positif coule

Un objet de poids apparent négatif flotte

Un objet de poids apparent nul est en équilibre

Moins lourd que çà ne parait!

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Poumon ballastLestage du plongeur

Salinité de l’eauEpaisseur de la combinaisonType de bouteille

Gilet de stabilisationParachute de relevageParachute de signalisation

Flottabilité et équilibreAides toi et Archimède t’aideras !

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Un plongeur en maillot a une masse de 70 kg pour un volume de 69 litres (à expiration forcée) et 73 litres (à inspiration forcée).

Il met sa combinaison de masse 2 kg pour un volume de 10 litres. Sa bouteille pèse a une masse de 18 kg pour un volume extérieur de 14 litres.

Poids apparent et flottabilité de ce plongeur en eau douce, en eau de mer ?

Lestage des plongeurs

Mieux vaut expirer que se charger !

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Poids apparent des blocs

On lit sur le corps d'un bloc Roth 230 b en acier : Poids = 18 kg Volume = 12 l

La masse volumique de l'acier est de 7,8 kg/l et l’air a une masse spécifique de 1,3 kg/l.b Quel est le poids apparent de ce bloc dans l’eau, lorsqu’il est vide? plein d’air ?

On lit sur le corps d'un bloc Luxfer 232 b en alu : Poids = 16,1 kg Volume = 12,2 l

La masse volumique de l'alu est de 2,7 kg/l Quel est le poids apparent de ce bloc dans l’eau, lorsqu’il est vide? plein d’air ?

Un bloc peut en cacher un autre !

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Compressibilité des gazExpériences vécues Rappel: Unités et pressions

Loi de Boyle & Mariotte Variation avec la profondeurQuantité de gaz & AutonomiePrévention des BarotraumatismesLoi de Charles Compresseur

Applications pratiques

Gilet, Parachute, pompe à vélo, mongolfières

quelle quantité d’air dans un bloc ?

Gonflage des blocs avec tamponsProfondimètre à capillaire

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Variation du volume en fonction de la pression

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Loi de Boyle(1627-91) Mariotte(1620-84)

A température constante, A quantité de matière constante

La pression d’un gaz est inversement proportionnelle à son volume:

PV= constante

A moins que ce ne soit Mariotte-Boyle!

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Causes des barotraumatismes

Cavité fermée

Sinus, Oreille,Prothèse, caisson

Prof(m)

Pabs(bar)

Vol(l)

Cste

0 1 4 4

10 2 2 4

30 4 1 4

implosionPlacage de Masque,Coup de ventouse,

Dents

succion

explosion

Alvéoles pulmonaires,Dents,Sinus, Oreilles

Estomac, intestins

déformation

N4 - 26

Remontée au gilet

Prof(m)

Pabs(bar)

Papp(kg)

Vol(l)

Flot.

3 1,3 0 0 =

10 2 -5 10

10 2 -10 15

20 3 -5 10

20 3 0 5 =

N4 - 27

Volume minimal du gilet

Prof(m)

Pabs(bar)

VolAir

Combi(l)

VolGilet

(l)

Flot.

3 1,3 15 0 =

20 3 6,5 8,5 =

40 5 3,9 11,1 =

60 7 2,8 12,2 =

Ma Combi: surf= 3m2, vol=21l, dont 15l de bulles d’air fermées

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Relevage des Objets

Prof(m)

Pabs(bar)

Poids(kg)

Vol(l)

Papp(kg)

0 1 20 30 -10

10 2 20 15 0

20 3 20 10 +10

+

-

=

N4 - 29

Calcul de consommation

Prof(m)

Pabs(bar)

PVdu bloc

Réserve Air dispo(en l)

Cons(l/min)

Durée (min)

0 1 200x12 50x12 1800/1 12 150

10 2 200x12 50x12 1800/2 12 75

20 3 200x12 50x12 1800/3 12 50

40 5 200x12 50x12 1800/5 12 30

1800 litres

360litres

N4 - 30

Equation caractéristique des gaz parfaits

P V = n R T

P V T

Boyle (1627-91) & Mariotte (1620-84)« à température fixée » PV = Cste

= Cste Charles (1798)« à volume fixé » P/T = Cste

Gay-Lussac (1802)« à pression fixée » V/T = Cste

La constante des gaz parfaits

Le nombre de molécules dans

une mole

La température en ° Kelvin

Loi de DaltonPpG = PM * %G

N4 - 31

Pourquoi 3 ou 4 étages dans les compresseur ?

Etage 3x 6

Etage 2x 6

Etage 3x 6

PVBloc

Débit(l/min

)

Durée (min)

216 l à 1 b

36 l à 6 b

6 l à 36 b

216x12 216 12

36 là > 6 b

6 là > 36 b

1 là 216 b

196x12=216x12

x293/323

à T=273+50°

à T=273+20°

N4 - 32

Pressions partielles des gazExpériences vécues Rappel: Unités et pressions

Pression partielleComposition de l’air Loi de Dalton Composition de l’airIntoxications O2,N2, CO, CO2

Applications pratiques

Toxicité des gaz:Comment se comporte l’air que nous

respirons en plongée ?Pourquoi une limite juridique à 60 m ?

Plongées aux mélangesTraitement hyperbares

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L’air est un mélange

Dans de l’air il y a :Oxygène : 20,93 %Azote 79,03 %Gaz carbonique 0,03%Quelques traces de gaz rares

Air simplifié en plongée:Oxygène : 21 %Azote 79 %

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Loi de Dalton

Définition : la pression partielle d’un gaz G dans un mélange M est égale à la pression qu’il aurait s’il occupait seul tout le volume occupé par M.

Loi:

GMG PPP .%=

PPG : Pression Partielle de GPM : Pression de M%G : Quantité de G / Quantité de M

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Pour les dyslexiques de la règle de trois

Moyen facile de se rappeler des formules:

Pp = Pa * %Pa = Pp / %% = Pp / Pa *

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Un Dalton peut en cacher un autre

La somme des pressions partielles des composants d’un mélange est égale à la pression du mélange.

Pour l’Air

PAbs = PPN2 + PPO2

Et pour tous les NITROX

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Dalton, coupable?

Toxicité des gazHyperoxie et hypoxie: PPO2

Hypercapnie: PPCO2

Narcose: PPN2

Empoisonnement par un polluant: PPCO

Obligation d’utiliser dans un compresseur des huiles qui ne vont pas carboniser aux PPO2 rencontrées

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Hyperoxie

En immersion l’oxygène peut être toxique dès que PPO2 atteint 1,6b

Profondeur maxi d’un palier à l’O2Profondeur maximum d’une plongée à l’airProfondeur maximum d’une plongée au Nitrox

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Intoxication par un polluant

Norme de non toxicité: Pression partielle de CO2 maximum = 10 mb.

Supposons que nous ayons 0,3 % de CO2 dans l'air.

A quelle profondeur cet air dépassera-il la norme ?

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Dissolution des gazExpériences vécues Rappel: Unités et pressions

Dalton1. Loi de Henry2. Etats de saturation3. Qté de gaz et Tension4. Saturation critique5. Désaturation6. Facteurs de dissolution7. Causes des ADD

8. Applications pratiques

Boissons gazeuses, d’où viennent les bulles ?Qu’est ce que les poissons respirent ?

Calcul des tablesTraitements hyperbares

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Loi de Henry

A température constante A saturation

La quantité de gaz dissoute dans un liquide est proportionnelle à la pression partielle de ce gaz sur ce liquide.

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Une expérience virtuelleles seules qui réussissent toujours !!

1b3 b

Après l’appui, le piston descend d’abord seul (une nouvelle quantité de gaz se dissous) puis se stabilise: c’est un état de saturation

1b1 b

1b 1b1 b

3 b1b

3 b

Un relâchement rapide de la pression, fait apparaître des bulles dans le liquide

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Saturation: atteinte ou pas ?

Saturation = état d’équilibre, le fluide ne peut pas dissoudre plus de gaz (sans changer P ou T)Sous-saturation : le fluide peut encore absorber du gazSur saturation : la pression a diminué, le fluide doit « rendre » du gaz

Attention : solubilité d’un gaz dans un liquide

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Tension d’un gaz dans un liquide

A saturation, on dit que la tension du gaz dans le fluide est égale à la pression partielle ambiante du gaz PpG

Pour les autres états, c’est la pression que devrait avoir ce gaz pour qu’à saturation il y ait la même quantité de gaz dissoute :

A sous–saturation, la tension est inférieure à PpG et elle augmente vers la valeur de PpGA sur–saturation, la tension est supérieure à PpG et elle diminue vers la valeur de PpG

D’après la loi de Henry, la tension mesure bien la quantité de gaz dissoute.

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Facteurs de dissolution en plongée

FluideGaz

Eauà 37 °

EauÀ 90°

HuileÀ 37°

O2 38 23 120N2 20 14 70CO2 1400 900 ?He 10 11 15

Pression (profondeur)DuréeTempérature (froid)Surface de contact (tissu)Agitation (effort)Solubilité (tissu)

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SUR_SATCRITIQUE

3 b

5 b

+

++ +++

++++ +++++

SOUS-SAT

SOUS-SAT

SAT

+++++

++++SUR-SAT

++

SUR-SAT

1 b

Chaque correspond à une PpN2 de 0,8 b

+++

SUR-SAT

Palier de désaturation

Profil de plongée et saturation en N2

+

SAT

SAT

explosion

++

SUR-SAT

Vitesse <15m/min

Vitesse excessive

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Optique sous-marine1. Expériences vécues

2. La réflexion de la lumière3. La réfraction4. L’absorption5. La diffusion6. Applications pratiques

Le bâton briséL’effet « Marseillais»Le grand bleu

La nuit avant le coucher du soleil

L’éclairage et la mise au point en photo sous-marine

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Réfraction

L’indice de réfraction n est caractéristique des matériaux transparents: n = c /v (vitesses de la lumière dans le vide et dans le matériau)La réfraction se produit à la jonction de matériaux d’indice de réfraction différents et fait dévier la trajectoire d'un rayon de lumière .Pour l’eau n =1,33Pour le verre n =1,5

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D’où l’utilité du masque

dans l’air dans l’eau sans dans l’eau avec

masque masque

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Et on est tous des marseillais !!

Le champ de vision est diminué

La profondeur de champ de l’appareil photo est diminuée

Plus gros (Taille x 4/3)

Plus proche (Dist. x ¾)

48° maxi

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Optique sous-marine

Absorption lumineuse:•Intensité lumineuse:

0m 1m 10 m 20m 40m 400m100% 40% 14% 7% 1,5% 0%

•Disparition des couleurs: 0m 5m 15 m 25m 60m 400m

rougeorangejaunebleu noir-blanc

Diffusion : Effet du à la réfraction et à la réflexion des rayons lumineux sur les particules en suspension dans l’eau.

Avec une lampe, les paysages sous marins reprennent de la couleur (application à la photo sous-marine)

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Son sous-marin1. Expériences vécues

2. Vitesse du son3. Direction

4. Communications

C’est pas vraiment « le monde du silence »: Mais d’où vient tout ce bruit ?

Dans l’air 330 m/sDans l’eau 1500 m/s

Pas d’effet stéréo: manque de séparation des 2 oreillesrésonance crânienne

Donc localisation difficile de la sourceCommunications entre plongeurs avec la surface (moyens de rappel)Entre mammifères marinsGuide de palanquée: éduquer les plongeurs encadrés