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Philippe CLÉMENT (PALM 72 – octobre 2006) 1

• Comment marche le poumon ballast?

• Pourquoi utilise-t-on un gilet stabilisateur?

• Pourquoi met-on une ceinture de plomb en

plongée?

• Est-il vrai que tout corps plongé dans un liquide

en ressort mouillé?

Cours théorique niveau 2

« Archimède »

Plan :

•Archimède

•Principe

•Poids apparent

•Flottabilité

•Application plongée

•Exercices


Archimède : Syracuse vers 287 - Syracuse 212 av. J.-C.

• Savant grec. Il fit ses études à Alexandrie où il fut l’élève d’Euclide.

Son œuvre scientifique est considérable, tant en mathématiques qu'en physique ou en mécanique : approximation de π grâce à la mesure de polygones inscrits dans le cercle et circonscrits à celui-ci ; invention des leviers « donnez-moi un point d'appui, je soulèverai le monde », de la vis sans fin, du boulon formé d'une vis et d'un écrou, de la roue dentée, de machines de guerre (Pendant trois ans, il tint en échec les Romains, qui assiégeaient Syracuse, et fut tué lors de la prise de la ville) ; … et en hydrostatique, formulation du principe qui porte son nom.

• La poussée d'Archimède :

La découverte de la "poussée d'Archimède" est liée à Hiéron, roi de Syracuse, qui lui avait demandé de vérifier si sa couronne était faite d'or pur:

"Tout corps plongé dans un liquide subit, de la part de celui-ci, une poussée exercée du bas vers le haut, et égale, en intensité, au poids du liquide déplacé."

Ayant découvert cette loi en prenant son bain, il se serait précipité nu dans les rues de la ville en criant "Eurêka !…Eurêka !"(j'ai trouvé !).

Archimède

Plan :

•Archimède

•Principe

•Poids apparent

•Flottabilité


•Exercices


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

Tout dépend de deux facteur : LE POIDS ET LE VOLUME

Les effets de ce principe sont omniprésents en plongée.

Application : une bouteille de plongée de 12ℓ déplace un volume d'eau d'environ 12 litres, soit un masse d'eau de 12 kg.Ma bouteille de plongée reçoit une poussée verticale vers le haut de 12kg (Force ou poids de 120 Newton pour les physiciens).Ma bouteille est donc plus légère de 12 kg lorsque je la plonge dans l'eau.

☺La masse d'un litre d'eau douce est de 1 kg environ,ça facilite les calculs!

Principe d’Archimède

Plan :

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•Poids apparent

•Flottabilité


•Exercices


Une bouteille de plongée est lourde quand on l'a sur le dos, et devient beaucoup plus légère lorsqu'on s'immerge.La bouteille semble avoir un autre poids…

Le poids que nous apparaît avoir la bouteille est appelé POIDS APPARENT par opposition au POIDS RÉEL.

Le poids apparent est plus faible que le poids réel et la différence entre les deux est due à la poussée d'Archimède

Poids apparent = Poids réel – poussée d’Archimède

Poids apparent

Plan :

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•Poids apparent

•Flottabilité


•Exercices


Exemple : Un plongeur a un volume de 68 litres.Il pèse tout équipé 72 kg.Quel sera son poids apparent dans l’eau?

Poids apparent = Poids réel - poussée d’Archimède

Le plongeur totalement immergé prend la place de 68 litres d’eau, donc de 68 kg. Autrement dit, il reçoit une poussée de 68 kg.

Poids apparent = Poids réel de 72 kg - poussée de 68 kg = 4 kg

Le plongeur coule…

Poids apparent

Plan :

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•Poids apparent

•Flottabilité


•Exercices


Dans l'eau , certains corps flottent, d'autres coulent ou restent entre deux eaux : leur FLOTTABILITÉ est différente.

Flottabilité = Poussée d’Archimède - poids réel= - Poids apparent

Lorsqu'un corps flotte, il a une FLOTTABILITÉ POSITIVE, le poids réel est inférieur à la poussée d'Archimède (bouée)

Lorsqu'un corps coule, il a une FLOTTABILITÉ NÉGATIVE,le poids réel est supérieur à la poussée d'Archimède (ancre)

Lorsqu'un corps flotte entre deux eaux, il a une FLOTTABILITÉ NULLE ou NEUTRE, le poids réel égal la poussée d'Archimède

Flottabilité

Plan :

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•Principe

•Poids apparent

•Flottabilité


•Exercices


Un plongeur en maillot pèse 76 kg pour un volume de 75 litres.Il met sa combinaison qui pèse 3 kg pour un volume de 10 litres.Sa bouteille gonflée pèse 15 kg pour un volume de 12 litres.Ce plongeur va t'il flotter ou couler ?

Flottabilité = Poussée d’Archimède - poids réel

Poids réel = 76 + 3 + 15 = 94 kgVolume = 75 + 10 + 12 = 97 litres > Poussée d'Archimède = 97 kg

La poussée d'Archimède est supérieure au poids réel, il va flotter.

S'il veut descendre sans difficulté, il doit rajouter à sa ceinture de plomb : 3 kg (97 - 94 = 2).

Note: Pour être exact, il faudrait prendre en compte la flottabilité de tout son équipement : détendeur, PMT, gilet, parachute, phare, appareil photo, couteau, …

Flottabilité

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•Principe

•Poids apparent

•Flottabilité


•Exercices


LE POUMON BALLAST

• Le cycle respiratoire peut mobiliser des volumes différents. - Le volume courant est en moyenne de 0,5 ℓ (volume d'air inspiré et

expiré lors d'un cycle normal, sans intervention volontaire).- Le volume de réserve inspiratoire vaut 2,5 ℓ en moyenne (volume

supplémentaire pouvant être inspiré lors d'une inspiration forcée).- Le volume de réserve expiratoire vaut 1,5 ℓ en moyenne (volume

supplémentaire pouvant être expiré lors d'une expiration forcée).- Le volume résiduel est d'environ 1,5 ℓ (volume restant dans les poumons après

une expiration forcée - renouvellement fait par brassage).

Un plongeur modifie sa flottabilité en faisant varier le volume d’airdans ses poumons, donc son poids apparent de +1,5kg à -2,5kg.

Application à la plongée

Plan :

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•Flottabilité


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LE GILET

Lorsque la variation du volume pulmonaire ne suffit pas à obtenir l’effet escompté, on purge ou rempli son gilet (10 à 20 litres disponibles selon les modèles de gilet). Lorsqu'un plongeur gonfle son gilet, il augmente son volume sans augmenter son poids réel. La poussée d'Archimède augmente et le plongeur remonte.

l Le volume du corps humain, composé essentiellement d’eau, ne varie quasiment pas avec la profondeur, donc sa flottabilité non plus… alors pourquoi a-t-on besoin d’utiliser son gilet?(Indice : variation de flottabilité = variation de poids ou de volume)

- le volume de la combinaison varie par l’écrasement du néoprène avec la profondeur (10 ℓ pour une taille L de 7 mm en surface) - le poids de la bouteille diminue par consommation de l’air : 3kg d’air dans une bouteille 12ℓ et 4kg dans une 15ℓ gonflée à 200bars

L'utilisation principale du gilet est donc d'assurer une flottabilité nulle pour éviter de fatiguer en palmant, ceci à n'importe quelle profondeur en compensant ces phénomènes


Plan :

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•Poids apparent

•Flottabilité


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LE LESTAGE

• Les règles de sécurité imposent que son lestage soit déterminé de façon à pouvoir maintenir un palier à 3 m en fin de plongée (flottabilité nulle).

Une bouteille de 12ℓ gonflée en début de plongée à 200 bars a perdu 2,3 kg d’air lorsque sa pression vaut 50 bars en fin de plongée au palier (2,9kg pour une 15ℓ).Votre flottabilité est augmentée de 2 à 3 kg en fin de plongée.

Une combinaison en néoprène perd à 3m 30% de son volume sous l’effet de la pression (voir cours sur Pression & volume).Si elle fait 8ℓen surface, elle perd 8x0,3=2,4ℓ à 3m, donc 2,4 kg de flottabilité.Votre flottabilité est diminuée de 2 à 3 kg à 3m.

Un plongeur équilibré en surface en début de plongée, est équilibré à 3m en fin de plongée.


Plan :

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•Principe

•Poids apparent

•Flottabilité


•Exercices


LE PARACHUTE DE RELAVAGE

Si l'on veut remonter un objet lourd du fond, il vaut mieux demander à Archimède de nous aider plutôt que de risquer un essoufflement.On augmente donc le volume de l'objet sans augmenter son poids grâce à un parachute de relevage.

• Supposons qu'on ait à remonter un objet pesant 5 kg, de volume 1ℓ, posé au fond de l'eau. Un tel objet a un poids apparent de 4 kg, il reste au fond. Mais si on lui attache un parachute, qu'on remplit de plus de 4 ℓ d'air (de poids réel négligeable), le poids réel de l'ensemble reste de 5 kg, mais son volume devient de plus de 5 ℓ. Le poids apparent devient donc négatif, la flottabilité positive.


Plan :

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•Poids apparent

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Un plongeur pèse 80 kg et possède un volume de 85 ℓ lorsque ses poumons sont remplis d'air.Quel est son poids apparent ?Pour obtenir un poids apparent nul en immersion, quelle modification doit-il apporter à son lestage ?S'il expire, que se passe t'il ?


Poids apparent = Poids réel 80 kg - poussée 85 kg = - 5 kgIl flotte donc en surface.

Poids apparent = (Poids réel – poussée) + lestage = 0 kg-5kg + lestage = 0 kg

lestage = 5 kg

S’il expire, il coule.

Exercices

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•Exercices


Un plongeur dont le poids tout équipé est de 69 kg a une flottabilité nulle en eau douce (densité 1, soit 1 litre d’eau = 1 kg).Que devra-t-il faire pour avoir la même flottabilité en eau de mer (densité 1,03 , soit 1 litre d’eau = 1,03 kg) ?

Flottabilité = Poussée d’Archimède - poids réel

Dans l’eau douce :Flottabilité = Poussée d’Archimède - poids réel = 0 kg Poussée d’Archimède = 69 kg,donc le volume du plongeur est de 69 litres

Dans l’eau de mer :Le volume et le poids du plongeur ne changent pas.Le volume de 69 litres d’eau de mer pèse 69 x 1,03 = 71,07 kgFlottabilité = Poussée d’Archimède 71 kg - poids réel 69 kg

= 2 kgLe plongeur flotte. Il devra augmente son lestage de 2kg pour retrouver une flottabilité neutre.

Exercices

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•Exercices


Vous devez remonter une ancre de bateau à l’aide d’un parachute dans une eau densité 1. L’ancre est en acier (densité 8) et sa masse est de 16 kg.Quel est le volume minimum du parachute nécessaire ?


Densité = Masse / Volume

Pour calculez le poids apparent de l’ancre, il nous faut son volume.Densité de l’acier = Masse en kg / Volume de l’ancre en litreVolume de l’ancre = Masse en kg / Densité = 16 kg / 8 = 2 litres

Poids réel de l’ancre = 16 kgPoussée d’Archimède = Volume x densité eau = 2 litres x 1 = 2 kgPoids apparent = 16 – 2 = 14 kg

Pour pouvoir remonter en surface, le poids apparent de l’ancre doit être inférieur ou égale à zéro. Donc le parachute devra avoir un volume supérieur ou égale à 14 litres

Exercices

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•Exercices


Exercices

Vous, tout équipé, avez une flottabilité nulle en carrière(eau douce de densité 1 ; soit 1 litre d’eau = 1 kg).Que devrez faire pour avoir la même flottabilitéen océan atlantique (densité = 1,026) ?en mer méditerranée (densité 1,027) ?en mer rouge (densité 1,0285) ?

Flottabilité = Poussée d’Archimède - poids réelDensité eau de mer (kg/l): 1 + S x 6.33 10-4,où S est la salinité en g/l, à température ambiante

• En surface, à 10 degrés, pour une salinité de 35g/l, la densité est d'environ 1027 kg/m3Les eaux les plus denses (1,07) se trouvent dans les fosses marines profondesLa moins dense se trouve en été en mer Baltique (1,003)

• Salinité moyenne en surface : Océan Atlantique 36,50 g/l -- Mer Méditerranée 38,50 g/l -- Mer Rouge 39,70 g/l

Dans l’eau douce :Flottabilité = Poussée d’Archimède - poids réel = 0 kg Poussée d’Archimède = A kg, donc votre volume est de A litres.

(Calcul avec A = 100 kg)En océan atlantique, PA = A x 1,026 = 102,6 kgEn mer méditerranée, PA = A x 1,027 = 102,7 kgEn mer rouge, PA = A x 1,0285 = 102,85 kgConclusion…?

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