Cours théorique N3 : Physique

1. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Lois physiques
(Compressibilité, Pressions partielles, Dissolution,
Flottabilité, Acoustique, Optique, …)
Applications à la plongée
Philippe Jourdren
phil@philjourdren.fr

2. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Plan
• Introduction
• Flottabilité
• Notions de pression
• Compressibilité (Loi de Boyle-
Mariotte)
– Incidence de la température
– Applications en plongée
• Pressions partielles (Loi de
Dalton)
– Seuils de toxicité
– Applications à l’air et au Nitrox
• Dissolution (Loi de Henry)
– Mécanisme
– Eléments de calcul de tables
• Vision dans l’eau
• Acoustique
• Questions / Réponses

3. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Introduction
• Pourquoi (encore) un cours de physique ?
– Approfondir les notions vues au Niveau 1 et 2
– Comprendre finement les phénomènes et les appréhender
dans le cadre de la plongée N3
– Se rappeler que les lois physiques peuvent être à l’origine
d’un accident de plongée

4. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Masse, Volume et Densité
• Masse (notée m) : Mesure d’une quantité de matière
– Exprimée en kilogramme (kg), confondue avec le poids !!!
– Exemple : Philippe a une masse de 74 kg
• Volume (noté V) : Mesure d’un espace occupé par un objet
– Exprimé en m3
– 1 litre d’eau occupe un volume de 1 dm3
• Masse Volumique (notée ρ) : Mesure d’une quantité de matière qu’on peut placer dans un volume
– Calculée en effectuant le rapport entre la masse d’un corps et son volume, exprimée en kg/m3
• Masse volumique de l’eau douce ρeau douce = 1 000 kg/m3
• Masse volumique de l’eau de mer ρeau salée = 1 025 à 1 035 kg/m3
• Densité (notée d) : Rapport entre masse volumique du corps étudié et masse volumique de l’eau douce
– Permet simplement de comparer 2 corps entre eux
– Pas d ’unité
• Densité de l’eau de mer : 1 025/1 000 = 1,025
• Densité du plomb : 11 000/1 000 = 11
Masse : m (kg)
Masse volumique : ρ = m/V
(kg/m3)
Densité : ρ1/ρeau douce (pas d’unité)

5. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Flottabilité
• Formulée à travers le principe d’Archimède :
– « Tout corps plongé dans un fluide reçoit de la part de celui-ci une poussée
verticale, dirigée de bas en haut, égale au poids du volume de fluide déplacé »
• Mise en évidence de la poussée d’Archimède
– Prendre une savonnette et une bassine remplie d’eau
– La savonnette coule aussitôt
– Placer la savonnette pendant 15’’ au micro-ondes à 750 w
– La savonnette flotte !
– Pourquoi : elle a juste changé de volume tout en gardant la même masse et
donc le même poids !

6. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Flottabilité
• Notion de Poids apparent
– PoidsApparent = Poidsréel – PousséeArchimède
– En plongée on considère que Poids = masse
Plongeur : 72 l
Bloc : 12 l
Combi : 3 l
Gilet : 6 l
Plongeur : 70 kg
Bloc : 15 kg
Combi : 1 kg
Gilet 3 kg
89 kg
93 l
Dans notre exemple il faut 4 kg de lest pour
équilibrer notre plongeur

7. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Flottabilité
• Applications à la plongée
– Il faut soigner son lestage :
• On le vérifie à chaque plongée (rituel de mise à l’eau),
• On conseille les autres,
• On a un regard critique sur le lestage des plongeurs de la palanquée.
• On note son lestage dans son carnet de plongée
– Choix de votre matériel en vue de plongées profondes
• Volume du gilet stabilisateur
– Calculs de relevage d’ancre
• Savoir déterminer combien d’air mettre dans un parachute de relevage

8. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Compressibilité des gaz
• La compressibilité des gaz a été mise en évidence
– Au Royaume-Uni, par Robert Boyle en 1662
– En France, par l’abbé Edme Mariotte en 1676
• Enoncé de la Loi de compressibilité des gaz (dite Loi
de Boyle-Mariotte)
« A température constante, le volume d’un gaz est inversement
proportionnel à la pression qu’il subit »
P.V = constante
P1.V1 = P2.V2
P1 = (P2.V2) / V1 V1 = (P2.V2) / P1

9. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Compressibilité des gaz
Profondeur
(mètres)
Pabs
(bar)
Volume occupé (litres) P x V
Surface 1 6 6
10 2 3 6
20 3 2 6
30 4 1,5 6
40 5 1,2 6
50 6 1 6
60 7 0,86 6
• Applications à la plongée
– Les variations de volumes sont d’autant plus importantes que le plongeur est proche
de la surface.
– Barotraumatismes (oreilles, surpression pulmonaire, …)
x 2
x 1,5
x 1,33
x 1,25
x 1,2
x 1,16

10. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Compressibilité des gaz
• Incidence de la température
– On constate que la compression d’un gaz s’accompagne d’une augmentation de la
température et que la détente s’accompagne d’une baisse de la température.
• Pompe à vélo, gonflage de blocs
• Vidage de blocs, de tampons
• La loi de Boyle-Mariotte prend en compte cet aspect
• Attention !
– T représente la température absolue, exprimée en degrés Kelvin.

11. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Compressibilité des gaz
• Applications à la plongée
– Calcul d’autonomie et de calcul de consommation (Rappels Niveau 2)
– Problèmes de relevage d’ancre à l’aide d’un parachute
– Problèmes de gonflage de blocs à partir de tampons
– Problèmes de refroidissement de blocs après gonflage
• Mise en application au travers de petits exercices !

12. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Compressibilité des gaz
• Relevage d’une ancre
– À la fin d’une plongée à 40 m, on souhaite relever l’ancre du bateau (l’ancre
occupe un volume de 10 dm3 et est constituée d’un métal de densité 3,5) à l’aide
d’un parachute de 40 litres.
– Un Guide de Palanquée a encore un pression de 55 bar dans son bi-bouteille
2x10 litres. Il ne veut pas utiliser plus de 5 bar.
• Combien d’air peut-il mettre dans le parachute ?
• Est-ce que l’ancre peut monter ?
• Le plongeur a l’idée d’utiliser un bout entre l’ancre et le parachute. Quelle doit être la
longueur du bout pour que le parachute remonte seul ?

13. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Compressibilité des gaz
• Relevage d’une ancre (solution)
– L’ancre occupe une volume de 10 litres (10 dm3) et a donc un « poids » de 10 x 3,5 = 35 kg,
avec la poussée d’Archimède, elle a un poids apparent de 25 kg
– A 40 mètres, on a une Pabs de 5 bar
– 5 bar consommés dans le bi du GP représentent un volume global de 5 x 2 x 10 = 100 litres (à
1 bar)
– Ces 100 litres occupent un volume de 100 / 5 = 20 litres à 40 mètres (20 litres à 5 bar)
– L’ancre ne peut donc remonter : 20 litres de volume n’équilibrent pas 25 kg
– Pour que le parachute remonte l’ancre, il faut que son volume soit un peu supérieur à 25 litres,
considérons donc 26 litres. Les 100 litres d’air injectés occuperont un volume de 26 litres à une
pression absolue de 3,8 bar
– Donc à 28 mètres, le parachute pourra soulever l’ancre. Il faudra donc mettre un bout de 12
mètres pour relever l’ancre du fond, il y aura encore 12 mètres à remonter « à la main » !
P1.V1 = P2.V2

14. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Compressibilité des gaz
• Gonflage de blocs à partir de tampons
– Vous désirez gonfler un bi de 2×10 litres, sachant qu’il reste 30 bar dans le bi. Vous
disposez de deux bouteilles tampons de 50 litres chacune, gonflées à 250 bar.
– Au préalable à tout calcul, vous semble-t-il possible de gonfler le bloc à exactement
200 bar ?
– Le bloc est mis en équilibre avec les deux tampons en même temps.
• Quelle est la pression finale dans le bloc ?
– Le bloc est mis en équilibre avec les deux tampons l’un après l’autre.
• Quelle est la pression dans le bloc lors du premier équilibre?
• Quelle est la pression dans le bloc lors du second équilibre ?
– Quelle est la méthode optimale de gonflage ?

15. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Compressibilité des gaz
•
P1.V1 = P2.V2

16. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Compressibilité des gaz
• Température d’un bloc après gonflage
– Après le gonflage de votre bouteille de plongée à 225 bar, la température du
bloc est de 37° C.
– Avant de plonger, vous constatez que votre bloc s’est refroidi et que sa
température est de 14° C.
– Quelle est la nouvelle pression de votre bouteille ?

17. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Compressibilité des gaz
•

18. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Pressions partielles
• La notion de pression partielle d’un mélange
gazeux a été mise en évidence par John Dalton
• La pression totale d’un mélange gazeux se répartit
en proportion de chacun des gaz qui le compose.
– Par exemple dans l’air (21% d'O2 et 79% de N2)
• 21% de la pression totale est exercée par l’oxygène,
• 79% par l’azote.
• La pression exercée par chacun de ces gaz
s’appelle la pression partielle (Pp)
• La somme des pressions partielles est égale à la
pression absolue.
• Dans un mélange gazeux, chaque gaz se comporte
comme s’il était seul.
0,6 bar d’O2 (20 %)
2,4 bar de N2 (80 %)
0,6 + 2,4 = 3 bar
Pabs = PpO2 + PpN2
Pp = Pabs * %gaz

19. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Dissolution des gaz
• Le principe de dissolution des gaz a été mis en évidence par William Henry
en 1803
• Enoncé
– « A température constante et à saturation, la quantité de gaz dissous dans un liquide
est proportionnelle à la pression du gaz au dessus du liquide »
• Lorsqu'un gaz est en contact avec un liquide il se produit un échange gazeux
entre eux, le gaz se dissoud dans le liquide.
• La Tension est le nom donné à la pression exercée par le liquide sur le gaz
dissous dans ce liquide.
• La Saturation est l'état par lequel la pression du gaz et sa tension dans le
liquide sont en équilibre, c'est à dire lorsque le maximum de gaz est dissout.

20. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Dissolution des gaz
• Les facteurs qui influencent la dissolution sont :
– La nature du gaz et du liquide
• L’air ne se dissout pas de la même manière dans l’eau et dans l’huile
– La pression, la température, la surface d'échange
• La pression augmente la dissolution
• Le froid favorise la dissolution
• Plus la surface d’échange est grande, plus la dissolution est importante
– La diffusion du gaz (c'est sa propriété à pouvoir pénétrer dans un liquide )
• L’azote se diffuse beaucoup mieux dans l’eau que l’oxygène
• La dissolution n'est pas instantanée, la période caractérise l'affinité entre le gaz et le liquide.
– La Période est le temps nécessaire à un liquide pour atteindre la demi-saturation, à chaque période le liquide dissout 50%
du gaz.
– L'évolution de la charge de gaz dans le temps est donnée par une équation qui à servi à produire les tables de plongée :
dp/dt=K(P-p0)
– Haldane a résolu le premier cette équation, et pour cela il a émit des hypothèses pour simplifier la résolution :
• On détermine un certain nombre de tissus, chacun aura sa période.
• La pression des gaz dissous est uniforme à l'intérieur d'un tissu,
• Les tissus sont considérés comme isolés entre eux et n'échangent des gaz qu'avec la circulation sanguine,
• La pression se transmet instantanément au gaz contenus dans les alvéoles pulmonaires.

21. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Dissolution des gaz
•

22. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Dissolution des gaz
Période Ti Tf Dissolution Tension réelle
1 0,8 4 (4 - 0,8) / 2 = 1,6 0,8 + 1,6 = 2,4
2 2,4 4 (4 - 2,4) / 2 = 0,8 2,4 + 0,8 = 3,2
3 3,2 4 (4 - 3,2) / 2 = 0,4 3,2 + 0,4 = 3,6
4 3,6 4 (4 - 3,6) / 2 = 0,2 3,6 + 0,2 = 3,8
5 3,8 4 (4 - 3,8) / 2 = 0,1 3,8 + 0,1 = 3,9
6 3,9 4 (4 - 3,9) / 2 = 0,05 3,9 + 0,05 = 3,95
… … 4 … …
Le tableau représente les tensions
Ti = tension initiale
Tf = tension finale
Tréelle = tension du gaz à la fin de la période

23. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Optique : Vision dans l’eau
• La vision est altérée par l’eau
– Nous devenons tous hypermétropes dans l’eau : notre œil est fait pour fonctionner dans l’air
• 2 phénomènes se superposent
– Réfraction
• Lorsque la lumière change de milieu , elle change de direction. L'importance du changement de
direction est donné par la différence entre les deux indices de réfraction des deux milieux.
– Air : 1,0003
– Eau : 1,33
– Verre : 1,5
– Vide spatial : 1
– Absorption
• Le milieu traversé absorbe l'énergie de la lumière (les photons) sous forme de chaleur. L'absorption
dépend :
– du milieu
– de la présence de particules
– de la longueur d'onde.

24. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Optique : Vision dans l’eau
• Conséquences de l’absorption
– Les couleurs disparaissent avec la profondeur.
– Le rouge disparaît vers 5 mètres.
– Le bleu disparaît vers 60 mètres.
– Il faut emporter une lampe pour restituer la vision des couleurs
• Conséquences de la réfraction
– Les objets semblent plus proches de 1/4
– Les objets semblent plus gros de 1/3

25. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Acoustique : propagation des sons dans l’eau
• Le son se propage très bien dans l'eau, l'atténuation est beaucoup plus faible que la
lumière. Les ondes acoustiques sont le meilleur moyen de transmission dans l'eau.
– Plus le milieu est dense, moins il est compressible et plus la vitesse de propagation sera grande.
• La vitesse du son :
– Dans l’air environ 330 m/s
– Dans l’eau environ 1500 m/s
– La propagation est donc 4,5 fois plus rapide que dans l’air
• Conséquences pour la plongée
– On entend très bien les bruits, les bateaux.
– On ne distingue pas la direction d'où vient le son
– Un moteur de cargo (basses fréquences) s’entendra de loin
– Un moteur de hors-bord (hautes fréquences) s’entendra au dernier moment

26. Formation Niveau 3
Lois Physiques
Questions / Réponses

27. Formation Niveau 3
Lois Physiques
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Mise à jour : Mars 2023
Certains schémas de cette présentation
sont extraits de Illustra-Pack 3 de Alain Foret