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Gaz respiré

Une bouteille de plongée contient de l’air, comme ce que nous respirons en surface. On entend parfois chez les non-initiés que les plongeurs respirent de l’oxygène : en fait, c’est un abus de langage. En effet, l’oxygène n’est qu’un constituant de l’air, qui contient bien d’autres choses, mais nous y reviendrons.

Principes élémentaires de physique

Un objet est toujours caractérisé par plusieurs propriétés :

  • une masse (qu’on appelle parfois improprement poids), que l’on peut mesurer en kilogrammes (kg)
  • un volume, que l’on peut mesurer en mètres-cubes (m3) ou en litres (L)

Flottabilité

Constat

Considérons un ballon de baudruche gonflé, que l’on immerge à une certaine profondeur. On constate qu’il a tendance à remonter, tout seul. Mais alors, comment est-ce possible ?

Principe

Le principe d’Archimède établit que tout corps plongé dans un liquide subit de la part de ce liquide une force dirigée vers le haut.

Par “corps”, on entend ici “tout objet”, c’est-à-dire, dans le cas qui nous intéresse, le plongeur et tout son équipement.

L’ensemble {plongeur et équipement} subit donc deux forces :

  • son poids (poids de l’individu + poids du scaphandre, des plombs, de la combinaison, de la lampe, etc.), qui l’entraîne vers le bas,
  • la poussée d’Archimède, qui l’entraîne vers le haut.

On définit la flottabilité comme la différence entre ces deux forces :

$$ \text{Flottabilité}=\text{Poussée d’Archimède}-\text{Poids} $$

Si la flottabilité est négative (ce qui revient à dire que la poussée d’Archimède est inférieure au poids), l’objet coule.

Si la flottabilité est positive (ce qui revient à dire que la poussée d’Archimède est supérieure au poids) l’objet remonte (en surface, il “flotte”).

Si la flottabilité est nulle (ce qui revient à dire que la poussée d’Archimède est égale au poids), l’objet est stable, il ne bouge pas.

Applications pratiques

Ballon : Reprenons notre ballon de tout à l’heure. Lorsqu’il est immergé à une certaine profondeur, il occupe un volume qui était auparavant occupé par de l’eau (on dit qu’il la “déplace” ailleurs). Ce volume d’eau subissait auparavant deux forces : une poussée d’Archimède et son propre poids, qui sont égaux (par définition, nous en verrons la raison au niveau 2 en faisant les calculs), donc la flottabilité était nulle : l’eau était stable. L’espace est maintenant occupé par de l’air, plus léger donc son poids diminue. Par contre, son volume ne change pas donc sa poussée d’Archimède est inchangée : la flottabilité du ballon est donc positive, ce qui est cohérent avec l’observation.

Combinaison : La combinaison est généralement faite de néoprène, un caoutchouc qui contient de petites bulles de gaz microscopiques, permettant d’assurer la protection thermique du plongeur. Ces petites bulles de gaz ont un volume important mais sont très légères. Elles ont donc tendance à faire flotter le plongeur. Pour compenser cette flottabilité apportée par la combinaison, nous utilisons du lestage, qui est souvent des plombs, portés à la ceinture ou dans des poches dédiées, sur le gilet.

Lestage : Considérons un plongeur stable à une certaine profondeur, c’est-à-dire dont le poids est égal à la poussée d’Archimède. Un autre plongeur, situé à côté de lui, lui tend un plomb d’un kilogramme, qu’il attrape. Le poids du plongeur augmente donc d’un kilogramme. Le volume du plongeur augmente aussi, du volume du plomb. Ce volume additionnel est très petit. (En effet, le plomb est un matériau lourd, dont un tout petit volume peut avoir un poids important). La poussée d’Archimède du plongeur augmente donc certes, mais très peu. Elle devient inférieure au poids : le plongeur coule.

Gonflage des poumons : Considérons un plongeur stable à une profondeur donnée, c’est-à-dire dont le poids est égal à la poussée d’Archimède. Il décide de gonfler fortement ses poumons en respirant dans son détendeur. Ses poumons se remplissent d’air, leur volume augmente. Il y a aussi moins d’air dans la bouteille, mais pourtant, son volume ne change pas (elle n’est pas élastique :-)). Le volume total du plongeur équipé augmente donc. Sa poussée d’Archimède augmente donc aussi. Pourtant, son poids n’a pas changé : la quantité totale d’air contenu dans le plongeur équipé n’a pas changé et il n’a pas maigri 🙂 La poussée d’Archimède est donc maintenant supérieure au poids : le plongeur remonte.

Variations de pression et de volume

Constat

Considérons un certain volume d’air dans un ballon de baudruche fermé, sous l’eau à une certaine profondeur.

Faisons une expérience : descendons ce ballon à une profondeur plus importante. En pratique, on constate que son volume diminue : le ballon devient plus petit ! Mais que s’est-il passé ? De l’air s’en est-il échappé ? Non, car aucune bulle n’est apparue ! Mieux : si l’on remonte ce ballon à la profondeur initiale, il retrouve son volume de départ. Par quelle magie est-ce possible ?

En fait, la même quantité de gaz a toujours été présente dans le ballon, mais elle a occupé une place moins importante. L’air s’est “compressé”.

Principe

Pour cela, il faut comprendre la notion de “pression”. Tous les objets ont un poids : les personnes (malheureusement !), les objets du quotidien, mais aussi l’eau, et même l’air ! Lorsqu’un objet est situé sur un autre, il exerce une pression dessus. Par exemple, si vous vous asseyez sur une chaise, votre arrière-train exerce une gentille pression sur le siège. En plongée, le principe est le même : à une certaine profondeur, tout ce qui se trouve au-dessus d’un objet immergé exerce une pression sur cet objet. Et qu’y a-t-il au dessus de cet objet ? De l’eau, pardi ! L’objet a au dessus de lui toute une colonne d’eau, de hauteur égale à la profondeur. Et si l’on veut être précis, on devrait même dire de l’eau ET de l’air. Et oui, la colonne d’air de l’atmosphère exerce un poids aussi : l’air est certes très léger, mais la hauteur de l’atmosphère est très grande !

Plus l’objet est profond, plus la hauteur d’eau qui se trouve au dessus de lui est importante, donc plus elle exerce une pression importante sur lui.

En pratique, cela n’a aucun effet sur les solides et les liquides, qui sont indéformables. Par exemple, si l’objet considéré est un ballon rempli d’huile, ou une brique, il subit la pression sans se déformer. En revanche, les gaz ont un fonctionnement différent : lorsque la pression appuie de tous les côtés d’un volume de gaz, les molécules qui le composent se rapprochent les unes des autres. Cela est invisible à l’œil nu. Nous pouvons juste constater que la poche de gaz occupe donc un volume plus réduit.

A la remontée, la profondeur diminue, la colonne d’eau située au dessus de l’objet devient plus petite, donc son poids diminue. La pression qui s’exerce sur l’objet diminue. Si celui-ci est un gaz, il retrouve donc son état initial : les molécules s’écartent les unes des autres, et la poche de gaz retrouve sa forme initiale.

Il faut donc retenir le principe suivant :

  • à la descente, la pression augmente, donc une poche d’air (comme un ballon) voit son volume diminuer,
  • à la remontée, la pression diminue, donc la poche d’air voit son volume augmenter (elle retrouve son volume initial).

Applications pratiques

Quelques notions de physique (N1)

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