Cours théorique N4 : Physique

1. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Compressibilité – Flottabilité
Propagation du son - Vision
Philippe Jourdren
phil@philjourdren.fr

2. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Plan de la présentation
• Introduction
• Forces et Pression
• Compressibilité (Loi de Boyle / Mariotte)
• Flottabilité (Principe d’Archimède)
• Propagation du son dans l’eau
• Vision sous-marine
• Exercices tout au long du cours !

3. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Introduction
Pourquoi encore un cours sur ces sujets ?
• Comprendre l’environnement auquel est soumis le plongeur
• Les phénomènes physiques (ou lois physiques) peuvent être à l’origine d’un
accident de plongée
• Compressibilité des gaz : Barotraumatismes, Calculs d’autonomie en temps de
plongée, Gonflage de blocs
• Flottabilité : Poumon-ballast, Poids apparent => Calculs de lestage
• Propagation du son : Localisation impossible du son d’une hélice
• Vision sous-marine : Perception des objets, Absorption de la lumière
Comprendre ces phénomènes, c’est déjà commencer à savoir éviter
les accidents !

4. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Notions : masse, masse volumique, densité
• Masse (notée m) : Mesure d’une quantité de matière
– Exprimée en kilogramme (kg), confondue avec le poids !!!
– Philippe a une masse de 72 kg (en juin)
• 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 ) : 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 eau douce = 1 000 kg/m3
• Masse volumique de l’eau de mer eau 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 :  = m/V (kg/m3)
Densité : 1/eau douce (pas d’unité)

5. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Notions : forces, pressions
• Force : Tout ce qui est capable de produire ou modifier le mouvement d’un corps, de déformer un
corps
– Définie par son sens, son point d ’application, son intensité
– Le poids est une force (dûe à la gravité)
• Pression : Force appliquée sur une surface
– Mesurée en Pascal (Pa)
• Pression atmosphérique Patmos = 101 325 Pa = 1 013,25 hPa
– En plongée on utilise le bar (bar)
• 1 bar = 100 000 Pa = 105 Pa
• 1 bar est très proche de la pression atmosphérique
• En plongée, il y a plusieurs concepts à comprendre et maîtriser
– Pression atmosphérique (Patmos) : dûe au poids de l’air qui s’exerce à la surface de l’eau
– Pression hydrostatique (Phydro) : dûe au poids de l’eau qui s’exerce sur le plongeur
– Pression absolue (Pabs) : somme des 2
Pabs = Patmos + Phydro

6. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Compressibilité des gaz
• Rappels
– Les solides sont non compressibles
– Les liquides sont non compressibles (ou très peu)
– Les gaz sont compressibles (ouf !)
• Loi de compressibilité des gaz (dite Loi de Boyle-Mariotte)
– A température constante, le volume d’un gaz est inversement proportionnel à la
pression
P.V = constante
P1.V1 = P2.V2

7. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Compressibilité des gaz
• Influence de la température
– À volume constant, la pression d’une quantité fixe
de gaz est directement proportionnelle à sa
température
– Quand on comprime un gaz, il y a élévation de la
température
– Quand un gaz se détend, il y a baisse de
température
P/T = constante
P1/T1 = P2/T2
T1 et T2 sont exprimées en °Kelvin

8. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Compressibilité des gaz - Calcul d’autonomie en air
• Enoncé du problème
– 2 plongeurs s’immergent avec chacun un bloc de 15 litres gonflé à 230 bar. On suppose que leur consommation
moyenne est de 15 litres d’air à la minute.
– Quelle est le temps maximum d’immersion si ils plongent à 30 mètres et qu’ils stoppent leur plongée quand leur
manomètre leur indiquera 50 bar ?
• Solution : 2 façons de s’y prendre
• Raisonner sur la conso en litres d’air
– Stock d’air :
• Stock total : 15 litres x 230 bar = 3 450
litres
• Réserve : 15 litres x 50 bar = 750 litres
• Stock réel d’air : 3 450 - 750 = 2 700
litres
– Consommation à 30 mètres :
• Pression absolue : 4 bar
• 15 litres x 4 bar = 60 litres/minute
– Autonomie théorique
• 2 700 / 60 = 45 minutes
• Raisonner sur la conso en bar
– Stock d’air :
• Stock total : 230 bar
• Réserve : 50 bar
• Stock réel d’air : 230 – 50 = 180 bar
– Consommation à 30 mètres :
• Pression absolue : 4 bar
• 15 litres x 4 bar = 60 litres/minute
• Conso : 60 / 15 = 4 bar/minute
– Autonomie théorique
• 180 / 4 = 45 minutes
Dans ces conditions, les plongeurs ont une autonomie théorique de 45 minutes à 30 mètres
(attention aux paliers cependant !)

9. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Compressibilité des gaz – Gonflage de blocs
• Enoncé du problème
– Un club dispose de 2 blocs tampons de 50 litres chacun, gonflés à 300 bar. Le
responsable du gonflage veut reglonfler 4 blocs 12 litres dans lesquels il reste 50
bar et 2 blocs 15 litres dans lequel il reste 70 bar.
– Quelle sera la pression maximale des blocs si on utilise les 2 tampons
simultanément ?
– Quelle sera la pression maximale atteinte si on utilise les tampons successivement
1 par 1 ?
– Quelle est la meilleure méthode ?

10. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Compressibilité des gaz – Gonflage de blocs
• Gonflage en simultané :
– Volume d’air disponible dans les tampons : 2 x 50 x 300 = 30 000 litres
– Volume d’air résiduel dans les blocs : (4 x 12 x 50) + (2 x 15 x 70) = 2 400
+ 2 100 = 4 500 litres
– Volume d’air global : 30 000 + 4 500 = 34 500 litres
– Capacité des tampons : 2 x 50 = 100 litres
– Capacité des blocs : (4 x 12) + (2 x15) : 78 litres
– Capacité globale : 100 + 78 = 178 litres
– Pression à l’équilibre :
• 34 500 / 178 = 193,82 bar

11. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Compressibilité des gaz – Gonflage de blocs
• Gonflage en successif :
– Volume d’air disponible dans le tampon #1 : 50 x 300 = 15 000 litres
– Volume d’air résiduel dans les blocs : (4 x 12 x 50) + (2 x 15 x 70) = 2 400 + 2 100 = 4 500 litres
– Volume d’air global #1 : 15 000 + 4 500 = 19 500 litres
– Capacité du tampon #1 : 50 litres
– Capacité des blocs : (4 x 12) + (2 x15) : 78 litres
– Capacité globale : 50 + 78 = 128 litres
– Pression à l’équilibre #1 : 19 500 / 128 = 152, 34 bar, soit 152 bar
– Volume d’air disponible dans le tampon #2 : 50 x 300 = 15 000 litres
– Volume d’air résiduel dans les blocs : (4 x 12 x 152) + (2 x 15 x 152) = 7 296 + 4560 = 11 856 litres
– Volume d’air global #2 : 15 000 + 11 856 = 26 856 litres
– Capacité du tampon #2 : 50 litres
– Capacité des blocs : (4 x 12) + (2 x15) : 78 litres
– Capacité globale : 50 + 78 = 128 litres
– Pression à l’équilibre #2 : 26 856 / 128 = 209,81 bar, soit quasi 210 bar
• Au final on a avec cette méthode gagné quasiment 20 bar de pression dans les
blocs, la méthode successive est donc plus rentable

12. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Compressibilité des gaz - Température
• Enoncé du problème
– Après avoir été gonflé à 220 bar, un bloc de 15 litres atteint une température de
40°C. Le lendemain, sa température est de 22°C.
– Quelle est la pression alors mesurée dans le bloc ?
• Solution
– Température après gonflage T1 = 40 + 273 = 313 °K
– Température le lendemain T2 = 22 + 273 = 295 °K
– Pression du bloc après gonflage P1 = 220 bar
– Pression du bloc le lendemain P2 = (P1 / T1) x T2
– Résultat : P2 = (220 / 313) x 295 = 207 bar

13. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Flottabilité
• Rappels
– Certains objets flottent, d’autres coulent, certains s’immergent...
– Explication via le principe d’Archimède
• Enoncé
– Tout corps plongé dans un liquide subit une poussée verticale de bas en haut égale
au poids du volume d ’eau déplacé
– Cette force, c ’est la Poussée d’Archimède
• Notion de Poids apparent
– Le poids apparent est le poids réel auquel on a soustrait la Poussée d’Archimède
Papp = Préel - Parchi

14. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Flottabilité : application à la plongée
• Si Papp est positif alors le plongeur coule
• Si Papp est négatif alors le plongeur remonte ou
flotte
• Si Papp est nul, alors le plongeur est équilibré !!!
• Un plongeur convenablement lesté est équilibré
et fait varier sa flottabilité par le poumon-
ballast (variation du volume, donc de la
Poussée d’Archimède)
• Exemple de calcul de Poids apparent
– Considérons un bloc de 12 litres «pesant» 15 kg
– Préel = 15 kg
– Parchi = 12 kg
– Papp = 15 - 12 = 3 kg
• Le poids apparent est positif, le bloc coule !

15. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Flottabilité - Calcul de lest
• Enoncé du problème
– 1 plongeur (appelons le Philippe) qui «pèse» 72 kg pour un volume de 70 litres plonge en carrière (eau douce)
avec son bloc de 12 litres (masse de 15 kg), son gilet stabilisateur de 10 kg (volume 16 litres) et sa combinaison
de chasse (masse 1kg, volume 4 dm3).
– Comment devra-t-il se lester pour être correctement équilibré (c’est-à-dire avoir un poids apparent nul) ?
– Pour aller plonger en mer, devra-t-il faire varier son lestage, et si oui, comment ?
• Solution
– Tout passer en litres ! (pour la combi : 4 dm3 = 4litres)
– En carrière (Eau douce  densité 1)
• Préel = 72 + 15 + 10 + 1 = 98 kg
• Parchi = 70 + 12 + 16 + 4 = 102 kg
• Papp = Préel - Parchi = 98 - 102 = -4 kg
• Le poids apparent du plongeur est négatif : il flotte. Pour avoir un poids apparent nul et être convenablement équlibré
, il faut donc ajouter 4 kg de plomb
• Son poids réel devient donc Préel = 98 + 4 = 102 kg
– En mer (Eau salée  densité 1,025)
• Le poids réel ne change pas
– Préel = 72 + 15 + 10 + 1 + 4 = 102 kg
• La poussée d’archimède est modifiée !
– Parchi = (70 + 12 + 16 + 4) x 1,025 = 102 x 1,025 = 104,55 kg
• Papp = Préel - Parchi = 102 - 104,55 = -2,55 kg
• Le poids apparent du plongeur est de nouveau négatif, il flotte donc
• Pour avoir un poids apparent nul, il faut donc de nouveau ajouter du plomb, environ 3 kg.
• Son lestage total est donc de 7 kg !!!
Plongeur : 70 litres
Bloc : 12 litres
Stab : 16 litres
Combi : 4 litres
Densité : 1,025
(70+12+16+4)*1,025
Parchi = 104,55
Plongeur : 72 kg
Bloc : 15 kg
Stab : 10 kg
Combi : 1 kg
Lest : 7 kg
72+15+10+1+7
Préel = 105

16. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Compressibilité & Flottabilité - Relevage d’une ancre
• Enoncé du problème
– Après une plongée, on souhaite remonter l’ancre en s’aidant d’un parachute de relevage. L’ancre (d’un volume de 4
dm3) est constituée d’un métal de densité 10, et est posée sur un fond de 40 mètres, le parachute de levage fait un
volume de 50 litres. On introduit 35 litres d’air dans le parachute.
– Que se passe-t-il ?
– Que faut–il faire ?
– Quel volume d’air au total aura été injecté dans le parachute
• Solution
– Masse de l’ancre
• Volume 4 dm3 = 4 litres
• Densité du métal de l’ancre = 10
• Masse de l’ancre 4 x 10 = 40 kg
– Poids apparent de l’ancre : 40 – 4 = 36 kg
– Avec 35 litres dans le parachute, le poids apparent de l’ancre est de 1 kg, elle reste donc posée sur le fond
– Il faut injecter un peu plus d’un litre pour qu’elle commence à remonter sans aide extérieure
– Si on injecte 2 litres, on aura injecté 37 litres à 40 mètres.
– A 40 mètres Pabs = 5 bar
– On aura donc injecté 37 x 5 = 185 litres au total

17. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Propagation du son
• La vitesse du son varie selon le milieu.
• Le son se propage plus rapidement dans l’eau que dans l’air
– Dans l’air : 330 m/s
– Dans l’eau : 1 500 m/s
• Conséquences pour le plongeur
– Comme le son se propage 5 fois plus vite sous l’eau, on a l’impression qu’il vient
« de partout »
– Les sons « basse fréquence » se transmettent loin (moteurs de cargo)
– Les sons « haute fréquence » ne se transmettent qu’à quelques mètres (moteur
de hord-bord)
– D’où l’absolue nécessité d’effectuer le tour d’horizon quand on est proche de la
surface !

18. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Vision sous-marine
• Plusieurs phénomènes surviennent à
la lumière du soleil :
– La Réflexion : les rayons lumineux sont
partiellement réfléchis par la surface de
l’eau
– La Réfraction : un rayon lumineux qui
passe de l’air à l’eau est dévié
– L’absorption : la lumière est absorbée
par l’eau, plus on est profond plus il fait
sombre
– La diffusion : les particules en
suspension absorbent aussi la lumière, il
fait sombre dans une eau chargée

19. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Vision sous-marine
• L’absorption est progressive
• La couleur rouge disparait quasiment dès la
surface
• A 40 mètres, seul le bleu passe encore
• Il faut donc recourir à un phare afin de restituer
les couleurs « réelles » (avec un faisceau
lumineux blanc !)

20. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Vision sous-marine
• Les objets paraissent plus gros et
plus près
– Les poissons nous apparaissent 1/3 plus
grands et 1/4 plus près
– Nous développons tous une espèce
d’hypermétropie sous l’eau
– Notre champ visuel est réduit par l’usage
du masque

21. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
Questions / Réponses

22. Formation Niveau 4 – Guide de Palanquée
Compressibilité – Flottabilité – Propagation du son - Vision
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Mise à jour : Mars 2023
Certains schémas de cette présentation
sont extraits de Illustra-Pack 3 de Alain Foret