Les lois physiques

• Notion de pression
• Loi de Mariotte
• Principe d'Archimède
• Loi de Henry
• Loi de Dalton

Notion de pression 

Tout élément a un poids. L'air et l'eau ne font pas exception à cette règle. Pour ceux qui n'en sont pas convaincu, essayez de porter 1 litre d'eau et 20 litres d'eau !!! Vous sentez la différence ?
Pour l'air, cette notion de poids est moins évidente à percevoir. Si vous avez une balance très sensible, il suffit de peser un ballon avec un litre d'air et un ballon avec par exemple 10 litres d'air : le poids indiqué par la balance n'est pas le même.
Nous allons voir que ces affirmations ont un impact important sur les plongeurs. La PRESSION engendrée par ce poids sur le corps d'un plongeur a des conséquences physiques et physiologiques qu'il faut connaître.

Enoncé

La pression est le rapport d'une force appliquée sur une surface :
 

F P = --        S

Avec : P = Pression F = Force en kilogramme S = Surface en cm²

En plongée, on exprime la pression en bar :     1 bar = 1 kg /cm²
 

Explications et exemple

Au niveau de la mer, notre corps subit en permanence le poids de l'air que nous avons "au dessus de nos têtes". Chaque cm² de notre corps supporte environ 1 kg représentant le poids de l'atmosphère : c'est la pression atmosphérique au niveau de la mer. Nous ne la ressentons pas car notre corps est incompressible et ses cavités (sinus, poumons...) contiennent de l'air à la pression ambiante. Cette pression s'exerce en tous sens et se répartit uniformément.  

Dans l'eau, notre corps va subir le poids de l'eau. Plus on va être loin de la surface, plus la quantité d'eau au dessus de nous sera importante, donc plus son poids sera important. A 10 mètres de profondeur, chaque cm² de notre corps supporte le poids  d'un  litre d'eau.  Sachant qu'un litre d'eau  pèse (aproximativement) 1 kg,  la  pression due  à l'eau à  -10 m est donc  de 1 kg/cm². Elle s'applique en tous sens et uniformément sur le corps. C'est la pression hydrostatique (appelée aussi pression relative). Tous les 10 mètres, la pression augmentera de 1 bar. Exprimé autrement, on peut dire :

Quand nous plongeons, nous subissons donc deux pressions : la pression atmosphérique (1 bar) et la pression hydrostatique (pression de l'eau). Celle-ci évolue en fonction de la profondeur. C'est la pression absolue :

Le tableau ci dessous résume cette situation :

Nous constatons que pour un même écart de profondeur, la pression ne varie pas de la même manière en pourcentage :

• De 0 à -10 m         :  + 100 % d'augmentation (x 2  )
• De -10 m à -20 m  :  + 50 % d'augmentation  (x 1,5)
• De -20 m à -30 m  :  + 33 % d'augmentation  (x 1,3)
• ....etc

Ces variations de pression auront des conséquences sur l'organisme  d'où  la  nécessité d'être  particulièrement vigilant entre -10 m et la surface, notamment pour prévenir les accidents barotraumatiques.

Loi de Mariotte

Enoncé

Le volume occupé par une masse gazeuse est inversement proportionnel à la pression qu'il subit :

Autrement dit, plus la pression augmente, plus le volume diminue.

Explications et exemple

Les corps solides et liquides sont pratiquement incompressibles. Par contre les gaz sont aisément compressibles. La pression exercée par l'eau (voir notion de pression) va donc comprimer les gaz.
Il est facile de le vérifier. Si on retourne un verre gradué dans une bassine d'eau et que on l'enfonçe, on remarque que l'eau monte progressivement dans le verre, comprimant ainsi l'air qu'il contient.

Soit sur un ballon de 10 litres en surface et que l'on descend à différentes profondeurs. Si on applique l'énoncé de la loi de Mariotte, on peut en déduire le tableau suivant :

 Remarques :

1. La plus grosse variation de volume a lieu entre 0 m et 10 m.
2. Le produit Pression x Volume est égal à une constante (P x V = P1 x V1 = P2 x V2 = constante).

Conséquences appliquées à la plongée

Dans notre corps se trouve des cavités remplies d'air (poumons, oreille interne, estomac, sinus...). L'air de ces cavités va suivre la loi de Mariotte : lors d'une plongée, la pression ambiante varie en fonction de la profondeur et donc l'air contenu dans le corps va subir cette pression et se comprimer et se décomprimer en fonction de la profondeur. Nous verrons que cette loi (et ses conséquences) est directement liée aux accidents barotraumatiques.

L'air se trouve ailleurs que dans les cavités naturelles du corps humain lors d'une plongée: la combinaison  de plongée contient également de l'air qui va obéir à cette même loi de Mariotte : celle-ci est en effet composée de milliers de petites bulles d'air prises en sandwich entre deux couches de néoprène. C'est cet air qui assure l'isolation thermique entre l'eau et le corps. Plus on descend, plus la pression de l'eau augmente sur la combinaison, comprimant ainsi les bulles d'air et réduisant par la même occasion l'épaisseur de celle-ci, la rendant ainsi moins isolante. Un autre phénomène (la pression d'Archimède) rentre aussi en ligne de compte : la combinaison étant moins épaisse en raison de la pression, son volume est aussi plus faible, ce qui a une incidence sur la flottabilité.

Quand nous plongeons, nous utilisons un détendeur qui nous fournit de l'air à la pression ambiante à laquelle nous sommes. (Si nous sommes à -20m, le détendeur nous fournit de l'air à environ 3 bars). Admettons que nous respirions 2 litres d'air à -20 m. Si nous remontons vers la surface en n'expirant pas, l'air dans nos poumons va augmenter de volume (car la pression diminue en remontant : c'est la loi de Mariotte). Or, nos poumons ne sont pas extensibles (ou très peu). 2 litres d'air à -20 m egal 6 litres à la surface. Si nous n'expirons pas, nos poumons éclatent : c'est un accident barotraumatique.

Principe d'Archimède

Enoncé

Tout corps plongé dans un liquide reçoit de la part de celui-ci une poussée verticale dirigée de bas en haut égale au poids du volume déplacé.

Explications et exemples
 

Exemple 2 :
Prenons un cube ayant un volume de 1 décimètre cube (1 litre) et pesant 500 grammes. Plongeons le dans l'eau : il flotte. Ajoutons dans ce même cube un poids de 500 grammes et replongeons le dans l'eau : nous constatons qu'il se met à l'équilibre, quelle que soit la profondeur. Ajoutons maintenant un poids de 1kg : le cube coule. Pourquoi ?

Le cube a un volume de un décimètre cube, ce qui équivaut à un litre, et un poids de 500 grammes. Nous savons par ailleurs qu'un litre d'eau pèse 1 kg. Nous  voyons donc que :
     - si le cube est plus léger que la quantité d'eau ayant le même volume que lui, il flotte;
     - s'il pèse le même poids, il est en équilibre;
     - s'il est plus lourd, il coule.

C'est l'application de la poussée d'Archimède (P.Archi) : le poids apparent  qui est la différence entre le poids réel et la poussée d'archimède. Nous pouvons écrire :
 

P.Ap = P.Re - P.Archi

Avec : P.Ap = Poids Apparent, le poids du corps dans l'eau P.Re = Poids Réel, le poids du corps dans l'air P.Archi  = Poussée d'Archimède

• Si le poids réel est inférieur à la poussée d'Archimède, alors le poids apparent est inférieur à 0, c'est à dire négatif. A ce moment, le corps flotte. On dit qu'il a une flottabilité positive.

• Si le poids réel est égal à la poussée d'Archimède, alors le poids apparent est égal à 0, c'est à dire nul.  A ce moment, le corps est en équilibre. On dit que le corps a une flottabilité nulle.

• Si le poids réel estplus grand que la poussée d'Archimède, le poids apparent sera supérieur à 0, donc positif.  A ce moment, le corps coule. On dit qu'il a une flottabilité négative.

Conséquences appliquées à la plongée

Un nageur fait la planche en surface. Il  les poumons plein ; il flotte. S'il expire, son volume diminue donc la poussée d'Archimède qu'il reçoit également, et il coule.

De même, un plongeur bien équilibré dans l'eau inspire. Son volume augmente, donc la poussée d'Archimède augmente et le plongeur remonte. Si il expire, il redescend.

Une autre conséquence met en relation la poussée d'Archimède et la loi de Mariotte. Un plongeur est équipé d'une combinaison de plongée. Celle-ci est composée de milliers de bulles d'air dans un tissus néoprène. Cette combinaison plus légère que l'eau augmente le volume du plongeur, et donc augmente la poussée d'Archimède. Celui-ci doit, si il veut descendre, compenser cette poussée en plaçant à sa ceinture des plombs qui ont un poids important pour un faible volume. Le nombre de poids doit équilibre la poussée d'Archimède. Mais l'exactitude de ce lestage est impossible à tenir à toutes les profondeurs. Car d'après la loi de Mariotte, plus la pression va augmenter (quand on descend), plus le volume diminue (donc la poussée d'Archimède diminuera aussi). L'air contenu dans les poumons, sinus, estomac, combinaison...., vont diminuer de volume. Un corps bien équilibré à la surface sera trop lourd à 20 ou 30 mètres. Le lestage devrait donc être théoriquement calculé en fonction de la profondeur à atteindre. En réalité, on détermine le lestage pour que le plongeur soit équilibré à une profondeur de 3 mètres ; cette profondeur de 3 mètres est prise en compte car c'est la profondeur du dernier palier à effectuer : si on est équilibré à cette profondeur, on ne risque pas de remonter à la surface lors du palier suite à une flottabilité trop importante, non compensée par le lestage. cette détermination doit se faire normalement avec la bouteille pratiquement vide car il faut prendre en compte le cas le plus défavorable (qui est d'arriver au palier de 3 mètres avec une bouteille presque vide !!! si si ça arrive !!!.

Conséquence inverse. Imaginons un plongeur à 40 mètres qui gonfle son gilet stabilisateur avec 5 litres d'air. A la remontée, la pression va diminuer et l'air va se dilater, augmentant ainsi la poussée d'Archimède. Le plongeur qui était bien équilibré à 40 mètres va commencer à remonter à grande vitesse si il ne fait pas attention.

Loi de Henry

Quand des molécules de gaz se regroupent au sein d'un liquide, elles forment une bulle. Dans les liquides, beaucoup de molécules de gaz ne se regroupent pas, elles sont "dissoutes" dans le liquide et se promènent librement. Dans un verre d'eau, une certaine quantité d'air dissout est présent. Cette quantité dépend de la température et de la pression atmosphérique. Si ces paramètres ne changent pas, la quantité de gaz dissout reste la même, le liquide est alors "à saturation".

Enoncé

A température constante et à saturation, la quantité de gaz dissous dans un liquide est proportionnelle à la pression qu'exerce ce gaz sur le liquide.

Henry a remarqué que la quantité de gaz dissout dans un liquide est directement proportionnelle à la pression que ce gaz exerce sur le liquide. Si on augmente la pression du gaz, des molécules de ce gaz passeront dans le liquide jusqu'à saturation. Inversement, si on réduit la pression, le liquide se trouve en "sursaturation" et des molécules de gaz vont s'en échapper pour tendre vers une nouvelle saturation.

Conséquences appliquées à la plongée

Ce phénomène génère des bulles lorsque la pression baisse trop rapidement. En plongée, on respire de l'air comprimé qui va se dissoudre dans le corps. L'azote de l'air n'est pas consommé par l'organisme et peut former des bulles dans nos tissus si on remonte trop rapidement d'une plongée. Ces bulles peuvent obstruer des vaisseaux, comprimer des tissus vitaux,... C'est "l'accident de décompression", qu'on évite en remontant lentement et en faisant des paliers.

Loi de Dalton 

Loi de Dalton - 2

Pour un volume donné, la pression partielle  d'un gaz dans un mélange est la pression qu'aurait ce gaz s'il occupait seul ce volume.

Cette loi concerne la description des mélanges gazeux. Elle trouble le débutant car elle peut s'exprimer de trois façons différentes !

Dans l'air il y a approximativement 80% d'azote et 20% d'oxygène. A la pression atmosphérique il règne environ 1 bar. La part de pression due à l'azote est proportionnelle à sa concentration dans l'air : il participe donc pour 80% à la pression atmosphérique. On dit que à la pression atmosphérique, la "pression partielle" de l'azote est de 0,8 bar.

A une profondeur de 20 m, il règne une pression absolue de 3 bar, la pression partielle d'oxygène dans le détendeur sera donc 3× 20% = 0,6 bar. On note respectivement les pressions partielles de l'oxygène et de l'azote PpO₂ et PpN₂.

Une des expressions de la loi de Dalton donne la formule de calcul de la pression partielle d'un gaz dans un mélange :

Une autre expression de la pression partielle d'un gaz est :

Une dernière expression de la loi de Dalton qui découle logiquement des précédentes :

La notion de pression partielle est importante pour définir les seuils de toxicité des gaz. Par exemple, l'oxygène représente un danger pour les plongeurs à partir d'une pression partielle de 1,6 bar. Quand on plonge à l'air, cette valeur critique est atteinte à la profondeur de 70 m.
Les plongeurs au nitrox respirent un mélange enrichi en oxygène, la PpO₂ limite de 1,6 bar sera atteinte encore plus tôt.
Les nageurs de combat qui respirent de l'oxygène pur dans leur scaphandre à circuit fermé ne pourront dépasser sans danger la profondeur de 6 m !

Last updated on 02/01/02 by T.P.M.