Apnée - Tous niveaux

Apnée - Tous niveaux

Notions de physique

L'eau

Le masque joue un rôle correcteur. En le portant, nous plaçons en fait devant nos yeux une bulle d'air — le milieu à travers lequel nos yeux sont habitués à voir. Cela permet de distinguer nettement les objets, bien que le système présente un léger inconvénient. Les rayons lumineux atteignant les yeux du plongeur traversent d'abord l'eau, puis la vitre du masque (dont l'indice de réfraction diffère de celui de l'eau et de l'air) et enfin l'air contenu dans le masque. Il en résulte que l'image finale perçue par la rétine diffère de la réalité : elle apparaît 33 % plus grande et 25 % plus proche.

L'eau ne fait pas que réfracter la lumière, elle l'absorbe également. Ce phénomène altère les couleurs du spectre, car les différentes longueurs d'onde sont absorbées en fonction de la profondeur : dans les dix premiers mètres, le rouge et l'orange disparaissent ; entre dix et vingt mètres, le jaune et le vert s'estompent ; et au-delà de vingt mètres, seule la lumière bleue subsiste.

Pelizzari, U., Tovaglieri, S., & Pelizzari, U. (2004). Manual of freediving : Underwater on a single breath. Idelson-Gnocchi.

La pression

L'eau est plus dense que l'air et agit sur l'organisme en provoquant des modifications lourdes de conséquences pour l'apnéiste. L'aspect qui requiert le plus d'attention est la pression.

Dans le contexte de la plongée, il est nécessaire de définir les termes suivants :

Pression atmosphérique(ATM). La pression exercée par le poids d'une colonne d'air de 10 000 m de hauteur (hauteur de l'atmosphère entourant la Terre) sur un centimètre carré au niveau de la mer.

Pression hydrostatique(ATU). La pression exercée par la hauteur de la colonne d'eau au-dessus de chaque centimètre carré d'un corps immergé. Chaque tranche de 10 m de profondeur correspond à 1 ATM.

Pression ambiante (ATA). Également appelée pression absolue, il s'agit de la somme de la pression atmosphérique au niveau de la mer (qui est toujours de 1 ATM) et de la pression hydrostatique (qui varie de 1 ATM tous les 10 m de profondeur). En d'autres termes : ATA = ATM + ATU

Pelizzari, U., Tovaglieri, S., & Pelizzari, U. (2004). Manual of freediving : Underwater on a single breath. Idelson-Gnocchi.

La pression absolue

Pelizzari, U., Tovaglieri, S., & Pelizzari, U. (2004). Manual of freediving : Underwater on a single breath. Idelson-Gnocchi.

La poussée d'Archimède

Un corps immergé dans un liquide subit une force ascendante égale au poids du volume de liquide déplacé.

Concrètement, si une bouée de 400 g (poids) a un volume d'un litre (et déplace donc 1 kg d'eau), elle subira une poussée hydrostatique ascendante de 1 kg. La force résultante est de 600 g vers le haut, et la bouée flottera en surface. Dans cet exemple, la poussée hydrostatique est supérieure au poids ; on dit alors que l'objet a une flottabilité positive.

Si l'on immerge une ceinture de lest pesant au total 7 kg mais ne déplaçant qu'un litre d'eau (soit 1 kg), la force résultante sera de 6 kg vers le bas et la ceinture coulera. Ici, le poids est supérieur à la poussée hydrostatique ; on dit que l'objet a une flottabilité négative.

Enfin, si un apnéiste de 75 kg se trouve sous l'eau et déplace 75 litres d'eau (soit 75 kg), les forces positives et négatives s'annulent. On dit alors que le plongeur a une flottabilité neutre : le poids et la poussée hydrostatique s'équilibrent, de sorte que le plongeur ne monte ni ne descend, mais reste immobile.

Positive, négative et neutre : tels sont les trois états de flottabilité auxquels tout apnéiste sera confronté lors de la pratique de l'apnée.

Pelizzari, U., Tovaglieri, S., & Pelizzari, U. (2004). Manual of freediving : Underwater on a single breath. Idelson-Gnocchi.

La loi de Boyle-Mariotte

À mesure qu’un ballon rempli d’hélium monte dans l’air, son volume augmente parce que la pression extérieure diminue graduellement. Inversement, quand on comprime le volume d’un gaz, sa pression augmente. Cela s’explique par le fait que les particules de gaz ayant moins d’espace, elles frappent plus souvent les parois du contenant. Au XVIIIe siècle, le chimiste irlandais Robert Boyle et le physicien français Edme Mariotte ont établi la relation entre la pression et le volume des gaz. Cette loi est connue sous le nom de loi de Boyle-Mariotte et s’énonce ainsi : la pression d’une quantité donnée de gaz maintenu à une température constante est inversement proportionnelle à son volume. Le produit de la pression (P) et du volume (V) d’une quantité donnée de gaz à une température donnée (donc pour une masse et une température constantes) est une constante : PV = k1

Chang, R., Goldsby, K. A., Arpin, A., & Papillon, L. (2014). Chimie générale. Chenelière.

Boyle-Mariotte en plongée

Pelizzari, U., Tovaglieri, S., & Pelizzari, U. (2004). Manual of freediving : Underwater on a single breath. Idelson-Gnocchi.

Travaux pratiques 1

1. Un ballon rempli de 10 litres d'air est attaché à un poids de 5 kilos. Quel est le comportement de l'ensemble à la surface ? À 10 mètres de la surface ? À 20 mètres de la surface ?

2. Une gueuse freinée pèse 20 kilos, tout compris (armature, lest et bloc). Des pratiquants ont un bloc de 12 litres, gonflé à 200 bars. Le ballon est un ballon de 60 litres. Ils veulent descendre à 20m de profondeur. Combien de remontées peuvent-ils faire ? Même question s'ils veulent descendre à 30 mètres.

La loi de Dalton

Dans le cas d’un mélange gazeux, il faut comprendre la relation entre la pression totale des gaz et la pression de chacun des gaz constituant le mélange, appelée pression partielle. En 1801, Dalton formula une loi, maintenant appelée loi des pressions partielles de Dalton, selon laquelle la pression totale d’un mélange de gaz est la somme des pressions que chaque gaz exercerait s’il était seul.

Chang, R., Goldsby, K. A., Arpin, A., & Papillon, L. (2014). Chimie générale. Chenelière.

La loi de Dalton

Pelizzari, U., Tovaglieri, S., & Pelizzari, U. (2004). Manual of freediving : Underwater on a single breath. Idelson-Gnocchi.

La loi de Henry

La pression extérieure n'influence pas la solubilité des liquides ni celle des solides, mais elle influence grandement celle des gaz. Le rapport quantitatif entre la solu- bilité des gaz et la pression s'exprime par la loi de Henry : la solubilité d’un gaz dans un liquide est directement proportionnelle à la pression qu’exerce le gaz sur la solution. [...]

La quantité de gaz qui se dissout dans un solvant dépend de la fréquence des collisions entre les molécules du gaz et la surface du liquide, collisions qui permettent au liquide de piéger les molécules gazeuses. Soit un gaz et une solution en équilibre dynamique. À chaque instant, le nombre de molécules gazeuses qui entrent dans la solution est égal au nombre de molécules dissoutes qui en sortent. Si l’on augmente la pression partielle du gaz, il y a plus de molécules qui se dissolvent dans le liquide parce qu'il y en a plus qui heurtent sa surface. Ce processus continue jusqu’à ce que le nombre de molécules qui sortent de la solution par seconde redevienne égal au nombre de molécules qui y entrent. Toutefois, à cause de l'augmentation de la concentration des molécules dans le gaz et la solution, le nombre de molécules est plus élevé en B qu'en A, où la pression partielle est plus basse..

Chang, R., Goldsby, K. A., Arpin, A., & Papillon, L. (2014a). Chimie des solutions. Chenelière.

Les gradients de pression

Travaux pratiques 2

La saturation.