Les lois mis à profit en plonger.
La poussée d'Archimede
Définition.
« Tout corps plongé dans un fluide au repos, entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre, subit une force verticale, dirigée de bas en haut et opposée au poids du volume de fluide déplacé ;
Cette force est appelée “poussée d'Archimède”. »
Elle s’exprime sous la forme:
où M f est la masse du fluide contenu dans le volume V déplacé,
g la valeur du champ de pesanteur.
Si la masse volumique ρ du fluide est elle aussi uniforme, on aura :
Ou encore, si l'on considère les intensités (ou normes) des forces :
L'intensité PA de la poussée d'Archimède s'exprime en newtons (N) si la masse volumique ρ est en kg⋅m-3, le volume de fluide déplacé V en m3 et l'accélération de la pesanteur g en N⋅kg-1 (ou m⋅s-2).
La poussée d'archimède s'exprime tous les jours.
En effet c'est t-elle qui fait que les bateau puissent flotter, que votre paille dans votre boissons remonte ou encore lorsque vous jetez une pierre dans de l'eau elle coule.
Ces aplication peuventr se résumer sous le schéma suivant:
Ce schéma nous montre que si Fp (soit la pesanteur ou poids) est supérieur à Fa (soit la poussée d’Archimède) l’objet couleras. Dans le cas inverse ou Fp est inférieur à Fa l’objet flotteras. Néanmoins si Fa est égal à Fp l’objet restera immobile.
La poussée d’Archimède s’exerce dans le sens inverse de la pesanteur.
Lien avec la plongée
Le fait que nous pouvons contrôler notre flottabilité en plongeant en dégonflant ou en gonflant notre gilet stabilisateur est expliqué par la poussée d’Archimède.
Portrait d'Archimède
Lois de boyle mariotte
Définition
Le produit du volume V d’un gaz par sa pression P à une température fixée est une constante, « Le volume d’une masse gazeuse est inversement proportionnel à la pression » Soit
PV=k
P1V1=P2V2
P=k/V
P étant la pression ; V étant le volume ; k étant une constante de proportionnalité
PV constante pour une température donnée constante.
La loi de Boyle-Mariotte peut se résumer sous la forme de schéma
D'apres le schéma nous constatons que plus la pression augmente plus le gaz est compressée. La pression dépend de la distance à la surface donc plus qu’on descend plus la pression augmente et donc plus le volume de gaz diminue.
Attention la masse de gaz est constant.
Expérience.
On considère une seringue remplie d’1 litre d'air et reliée à un manomètre qui indique 1 bar, ce qui correspond à la pression atmosphérique.
On diminue de moitié le volume occupé par l’air. On constate alors que le manomètre affiche une pression de 2 bar, soit deux fois plus grande que celle mesurée précédemment.
Pour un volume de 0,33 L (donc trois fois plus petit que le volume initial), on obtient une pression trois fois plus grande soit 3 bar.
De même, pour un volume quatre fois plus petit que le volume initial, on obtiendra une pression quatre fois plus grande.
Lien avec la plongée
La loi de Boyle-Mariotte a plusieurs conséquences en plongée :
Lors d’une plongée, nous respirons de l'air qui avec la pression va se comprimé et va se dissoudre dans le corps. L'azote de l'air qui n'est pas consommé par l'organisme peut former des bulles d’oxygène dans nos tissus ou vaisseaux sanguin si nous remontons trop rapidement à la surface. Ces bulles peuvent obstruer des vaisseaux, comprimer des tissus vitaux,... Lorsque nous remontons lentement et respectons les paliers de décompression ; c’est « l’accident de décompression » que nous évitons.
La loi de Boyle-Mariotte influe aussi sur la consommation de l'air en effet la quantité de l'air consommée pour un même volume augmente avec la profondeur.
Boyle-Mariotte.
Boyle
Mariotte
Mariotte a rajouté a la loi de Boyle "a tampérature constante " donc à l'origine c'est Boyle qu a définit cette loi.
en france nous connaissons cette loi sous le nom de Mariotte car ce dernier est français et en angletterre c'est le nom de Boyle car lui est anglais.
Lois Henry
Définition
À température constante et à l'équilibre, la quantité de gaz dissous dans un liquide est proportionnelle à la pression partielle qu'exerce ce gaz sur le liquide.
La constante d’henry est noté :Hi
pression partielle d'un corps pur gazeux
fraction molaire dans un solvant
une constante de la constante de volatilité spécifique du gaz donné.
Pour mesurer la solubilité d'un gaz dans un solvant liquide qui est en contact avec ce gaz
concentration maximale (dite « à saturation ») du composé
la pression partielle du gaz
la « constante de Henry » qui dépend de la nature du gaz, de la température, et du liquide.
une constante de la constante de volatilité spécifique du gaz donné.
Schéma
La loi de henry peut s'appliquer de la facons suivante :
Sous une faible pression au-dessus du liquide, peu de molécules d’oxygène se retrouvent en solution aqueuse (a). Si on accroît la pression du gaz en abaissant le piston, les molécules d’oxygène seront poussées vers l’intérieur du liquide, augmentant ainsi sa solubilité (b).
LA SATURATION : Le plongeur respire de l’air à la surface. Il est à l’état d’équilibre.
LA SOUS-SATURATION : Lorsque le plongeur s'immerge, l'azote qui est engendré par l'eau augmente avec la pression. Néanmoins l'organisme n'est pas encore saturer en Azote.
LA SATURATION : Le plongeur est au fond depuis un moment. La quantité d’Azote engendrée par le milieu augmente et l’organisme du plongeur a emmagasiné l’azote (l’oxygène étant consommée par l’organisme du plongeur), il est comme à la surface en état d’équilibre. Le plongeur est immergé depuis un certain temps , l'azote augmente mais il est accumulé par l'organisme car l'oxygene est consommée. Le plongeur est e l'état d’équilibre.
LA SUR-SATURATION : Le plongeur remonte normalement (plongeur rouge sur le schéma). L’Azote engendré par le milieu diminue. L’organisme du plongeur n’a pas eu le temps d’éliminer la totalité de l’azote en excès contenu dans son organisme. Il remonte lentement et effectue ses paliers. Lorsque le plongeur remonte normalement(plongeur rouge) et qu'il effectue ses paliers. L'Azote diminue mais comme l'azote n'est pas totalement éliminer par l'organisme, le plongeur est en états de sur-saturation quand il sort de l'eau.
LA SUR-SATURATION CRITIQUE :Le Plongeur remonte anormalement (plongeur bleu sur le schéma), il n’a pas le temps d’éliminer correctement l’azote excédentaire. Les bulles de gaz s’évacuent se forment dans l’organisme du plongeur. Au-delà de cette sursaturation critique, un dégazage anarchique se produit, menant le plongeur à un accident inévitable.
Lien avec la plongée
Nous venons de voir que l'Azote, lorsque nous remontons trop rapidement peut bloquer les vaisseaux sanguin empêchant ainsi la circulation du sang. Donc lorsque nous remontons à une vitesse idéale c'est à dire en respectant les paliers de décompression c'est « l'accident de décompression » que l'on évite.
Henry
Lois de Dalton
Les lois de Dalton concerne notamment les pression: deux pour définir la pression partielle et la derniere la pression absolue.
La premiere est une formule:
PpGaz = Pourcentage Gaz × Pabsolue
La deuxieme est la définition de la pression partielle:
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.
La troisieme lois résulte des deux premieres:
La pression absolue d'un mélange gazeux est la somme des pressions
partielles des gaz qui composent ce mélange.
Schéma: Pression absolue.
Sur ce schéma nous comprenons bien que la pression absolue est la pression atmosphérique (1 bar) plus la pression relative.
Pression partielle.
Nous voyons sur ce schéma que la pression d'un mélange de gaz est égale a la sommes des pression des différents gaz s'il occuper seule ce volume (qui ne varie pas )
Lien avec la plongée.
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 !