LOIS PHYSIQUES
applicables à la PLONGÉE : TORRICELLI   &   BOYLE et MARIOTTE

A) NOTION DE PRESSION :

        Un corps pesant exerçant sur un support horizontal une force égale à son poids. Si ce support est déformable, la déformation sera fonction non seulement du poids, donc de la force appliquée, mais aussi de la surface d'appui de cette force. Cette notion est facile à illustrer :
 
        Un homme sur la neige s'y enfonce, s'il est chaussé de skis il reste à la surface, car dans ce cas son poids est réparti sur une surface plus grande.
En général la pression est donnée par une formule simple

P = F/S

P = pression   F = force ou Poids  S = surface

B) MESURE et UNITÉS DE PRESSION
     Le globe terrestre est entouré d'une couche d'air pesante qui est l'atmosphère.

    Cette Couche n'est pas homogène car les couches inférieures pressées par les couches supérieures, sont d'autant plus denses que l'on est plus près du sol.

    A la surface de la terre la pression exercée est celle de toute l'atmosphère qui nous entoure.

Cette pression atmosphérique ou barométrique n'est normalement pas ressentie dans les cavités (poumons, oreilles, sinus) de l'organisme.

    Cette pression équilibre (expérience de Torricelli) une colonne de mercure de 1 cm² de section et de 760 mm, de hauteur.

Formule intégrale de calcul :
Surface de base (SdB) 1cm2 multiplié par la hauteur (H) 76cm égale Volume (V) 
 (Mêmes unités   cm,  cm2, cm3,)

V = 76 cm3     => 0.76 dm3 => 0.76 litre

Densité (D) du mercure étant de 13,6

La pression exercée par cette colonne de mercure sera de :

76 cm3 x 13,6 = 1,033 Kgf/cm2,   (selon l'ancien système)

    La pression atmosphérique nouveau système est de 1,013 bars, soit 760mm Hg (TORRICELLI) le facteur de pesanteur au niveau de la latitude étant prise en compte à 44° Nord ~ ( 0,9806)

La Pression varie avec l'Altitude

    L’examen du tableau montre qu'il faut s'élever à 5.000 mètres pour diminuer la pression de moitié environ et à 10.000 mètres pour la diminuer au quart.

    Une descente spéléologique en grottes souterraines à moins 1.500 mètres n'augmente la pression que de 
 102 mm Hg, 138gr/cm2  ou  135 mbar donc très faiblement.

C) MESURE des UNITÉS de PRESSION
        La mesure de la pression atmosphérique peut se faire avec le baromètre à mercure ou le baromètre anéroïde.

        Pour la mesure de pressions supérieures à la pression atmosphérique (réservoir de gaz comprimé, manomètre de profondeur ou bathymètre),
             nous utilisons des manomètres métalliques dont la particularité est d'indiquer  << 0 >> à la pression atmosphérique.
     
        Ces manomètres donnent donc une pression relative à la pression atmosphérique.

        La Pression Absolue est la Pression Relative lue sur le manomètre PLUS la Pression Atmosphérique

D) VARIATIONS DE PRESSION EN PLONGÉE
Elles vont découler des notions acquises précédemment
    Nous avons vu que 10,33 m d'eau douce et 10,07 m d'eau de mer correspondent à 1 bar de pression
    En conséquence tous les 10 m. de profondeur environ le plongeur supportera une pression supplémentaire de 1 bar venant s'ajouter à la pression atmosphérique.
 
    En gros, nous pouvons dresser un tableau donnant pour quelques profondeurs d'immersion les pressions relatives et absolues : 
    Les chiffres sont arrondis et valables pour l'eau de mer et l'eau douce.
    La correction eau de mer  eau douce étant négligeable ( moins de 150 grammes pour 50 mètres de profondeur )

On constate immédiatement qu'il suffit de descendre à 10 mètres pour doubler la pression 
Pour 1a doubler encore, il faut passer de 10 à 30 mètres,

Pour la doubler une nouvelle fois il faut passer de 30 à 70 mètres.

Les variations de pression sont donc d'autant plus rapides que l'on est plus près de la surface.

Cette notion, nous le verrons, est très importante.

E) ACTION DE LA PRESSION SUR LA MATIÈRE ET L' ORGANISME
    Très schématiquement l'organisme humain est constitué par des solides (les os), des liquides (tissus, sang) et des cavités remplies de gaz (oreilles, sinus, poumons, tube digestif).

        - Les liquides sont incompressibles, ils se contentent de transmettre intégralement la pression, c'est ce qui explique d'ailleurs qu'une colonne d'eau prise entre 0 et 10 mètres ou entre 70 et 80 mètres correspond toujours à 1 bar. (En fait, ils sont très légèrement compressibles, ce qui intervient en particulier dans le cas des bathyscaphes où l'essence du flotteur varie de volume).

        - Les solides sont également incompressibles, la pression, si elle s'exerce uniformément sur eux, ne les modifie donc pas. Par contre, si elle exerce non uniformément (sur une seule face d'un plan, par exemple), un solide, suivant sa rigidité et son élasticité peut subir une déformation irréversible ou réversible pouvant aller jusqu'à la rupture ou le bris.

    C'est le cas d'un réservoir d'air comprimé (bouteille de plongée) qui peut éclater si la pression intérieure est supérieure à celle compatible avec la résistance des matériaux constitutifs.

        - Les gaz sont compressibles et leur volume varie en fonction de la pression selon la loi de Mariotte

    Cette loi s'exprime en disant :
      << Que le produit de la pression (P.) par le volume d'un gaz(V.) est constant (C.) >>
         ou encore
      << Que le volume d'un gaz est inversement proportionnel à sa pression>>, ceci pour une température donnée.
 
La formule suivante exprime cette loi :
P x V = R T = Constante

ou P = pression en bars
     V = volume en litres
     R = constante des gaz parfaits
     T = température absolue

Le tableau suivant donne le volume d'un ballon souple de 1 litre au niveau de la mer  à différentes pressions :

On constate immédiatement qu'il suffit de descendre à 10 mètres pour diminuer de moitié alors qu'il faut s'élever à  5 500 mètres pour le doubler .

F)  CONSÉQUENCES DE LA LOI DE MARIOTTE
1° La loi de MARIOTTE s'applique lorsqu'un gaz est isolé du milieu ambiant donc lorsqu'il est dans une cavité close.

    C'est le cas des gaz de l'intestin, des bulles incluses dans le néoprène mousse des habits isothermiques, de l'air emprisonné entre l'habit et le corps.

    Au cours de la descente, ces gaz vont donc se comprimer et diminuer le volume total du plongeur, ce qui va modifier sa flottabilité.

    En vertu du principe d'ARCHIMÈDE, le plongeur subit, comme tout corps plongé dans un liquide, une poussée de bas en haut égale au volume du liquide déplacé.

    Son poids apparent dans l'eau sera égal à la différence entre son poids dans l'air et le poids du volume déplacé.

    La pesée du plongeur a pour but d'équilibrer ces deux forces antagonistes (ceinture de lest de plombs) pour une profondeur donnée. Mais cet équilibre instable est détruit par la variation de profondeur qui entraîne une variation de volume des gaz inclus, le mouvement qui s'ensuit vers le haut (flottabilité positive) ou vers le bas (flottabilité négative) s'accélère de lui-même s'il n'est pas compensé immédiatement par des variations de volume.

    Le plongeur autonome peut réaliser ces variations par le jeu de l'inspiration ou de l'expiration et l’utilisation d’une stabilizing-jacket

    Ce problème de la pesée était particulièrement important chez le scaphandrier lourd dont l'habit totalement étanche et contenait un volume d'air important.

    Si une descente brusque et rapide s'amorçait, et si elle n'était pas immédiatement contrée, elle entraînait le "squeeze" (écrasement) ou "coup de ventouse", accident typique dus scaphandrier lourd.

    L'habit plaque et le corps est aspiré dans le casque rigide qui se comporte comme une ventouse, entraînant des fractures et des hémorragies mortelles.

    Aujourd’hui avec les vêtements étanches souples et les casques modernes, ce risque est inexistant

    Inversement, si une remontée rapide s'amorce, non compensée par la mise en jeu de la soupape d'évacuation d'air, l'air du vêtement étanche actuel (ou l’habit du scaphandrier lourd) augmente de volume, l'habit se distend et devient rigide, l’homme surgit en surface, les bras en croix, incapable de tout mouvement.

C'est la "remontée en ballon" ou "blowing up" des Anglo-Saxons.

    Chez le plongeur autonome, ces problèmes sont importants également, bien qu'il ne craigne pas ces deux types d'accident en utilisant un vêtement humide, un masque traditionnel et une Stab. .

    En effet, un plongeur, correctement pesé pour une immersion de 10 à 20 mètres sera trop lourd à 40 ou 50 mètres du fait de la compression de son habit et de son intestin.

2° Si le volume gazeux est en communication avec l'extérieur comme c'est le cas des gaz des poumons, les variations de pression
vont se traduire par des variations de masse de gaz.
    Ainsi un plongeur dont les poumons ont une capacité totale de 4,5 litres, aura à 40 m. un volume qui sera toujours de 4,5 litres mais à 5 bars de pression (en raison du principe d'équipression cité plus haut).
    Ceci correspond à un volume détendu à la pression atmosphérique de :
                        4.5   x 5 = 22,500 litres.

    Ce fait nous entraîne à envisager la consommation d'air aux différentes immersions et, par la même, l'autonomie du plongeur consommation d'air et autonomie
    Supposons un plongeur équipé d'un réservoir de 20 litres de capacité contenant de l'air comprimé à 150 Bars .
    En effort modéré, le plongeur consomme à la minute, environ 30 Litres d'air; en négligeant la remontée et la descente, nous aurons les autonomies suivantes

Cet exemple est, bien entendu, purement théorique, ces temps devant inclure la descente et la remontée, les temps de palier.

Le débit ventilatoire peut aussi varier 

    Le débit ventilatoire/minute est égal au produit de l'air ventilé à chaque respiration par la fréquence respiratoire.

    En eupnée (condition de repos), la fréquence moyenne est de 16 respirations/minute,
    Le débit est donc de 16 X 0.5 (air courant) soit 8 litres/minute.

    En hyperpnée (condition d'effort) , avec une fréquence de 20 cycles respiratoire, 

    Le débit est de  20 X 3.5  (capacité vitale) soit 70 litres minute  et, si la capacité vitale est un peu plus élevée, le débit maximum peut atteindre 120 litres minute/

3) Si un volume gazeux, normalement en communication avec l'extérieur
                (oreille moyenne, sinus, poumons) ne l'est plus pour une raison quelconque, des accidents vont se produire lors des variations de pression.
      
     Ces accidents appelés barotraumatismes sont dus à des déséquilibres de pression entre les cavités, anormalement closes, et le milieu ambiant.

    Ainsi l'oreille moyenne est séparée de l'oreille externe par une membrane souple :   le tympan, et elle est en communication avec les voies respiratoires par la trompe d'Eustache, alors que l'oreille externe communique avec le milieu ambiant.
    Si, au cours de la descente l'air comprimé ne peut pénétrer dans l'oreille moyenne par suite d'une obstruction de la trompe, les deux faces du tympan sont en déséquilibre de pression et, pour une certaine valeur de celui-ci le tympan cédera, son élasticité n'étant pas illimitée.
    Il est facile d'éviter cet accident en compensant l'équilibre en soufflant par le nez ou en déglutissant (manœuvre de VALSALVA).
        A l’inverse, lors de la remontée, l’obstruction de la trompe d’Eustache  empêchant toute évacuation peut provoquer le même incident .
    De même les sinus sont des cavités osseuses de la face et du crâne normalement en communication avec les voies respiratoires, leur obstruction (par un simple rhume de cerveau) crée également un déséquilibre douloureux beaucoup plus difficile à compenser.
    Un des plus graves accidents de la plongée est la surpression pulmonaire;

    Il apparaît lorsque la pression des gaz à l'intérieur des poumons devient supérieure à celle qui s'exerce extérieurement sur la cage thoracique.

    Ceci peut se produire lors d'une variation de pression excessivement brutale (décompression explosive des aviateurs) ou si la communication n'est pas libre entre les pourrons et l'extérieur (spasmes de la glotte, blocage volontaire de la respiration)

    Dans ces conditions l'air des poumons se dilate en suivant la loi de Mariotte jusqu'aux limites d'élasticité des alvéoles pulmonaires, celles-ci finissent par se rompre provoquant une entrée d'air dans la circulation, et éventuellement un pneumothorax.

    Étant donné que les variations de pression et donc de volumes sont d'autant plus grands près de la surface, c'est surtout dans les dix derniers mètres de la remontée que ces accidents peuvent survenir.
    Pratiquement, ils sont relativement rares chez les plongeurs, ils peuvent arriver en cas de panne d'air au fond et d'affolement, le sujet retient sa respiration réalisant ainsi les conditions du blocage.

    Ils sont plus fréquents dans les opérations de remontée libre d'un sous-marin coulé au fond..

    Leur prévention, c'est de maintenir le libre jeu de la respiration et, en cas de besoin, d'expirer constamment surtout dans les derniers mètres de la remontée.

    Deux autres types d'accidents sont dus aux effets mécaniques de la pression, ce sont :
        
            Les coliques des scaphandriers et les accidents de plaquage.
        Les coliques sont dues à une distension d'une partie du tube digestif par le volume gazeux emprisonné.
   Ce type d'accident peut s'observer après la remontée du sujet si celui-ci a avalé de l'air au fond.

    Le plaquage intervient lorsque l'air d'un vêtement ou à l'intérieur du masque se trouve en dépression par rapport à la pression hydrostatique.

    Ce dernier cas s'observe fréquemment lorsque à la descente le plongeur ne souffle pas dans son masque par le nez, celui-ci se comporte comme une ventouse provoquant des hémorragies conjonctivales ou nasales.

L'ensemble de tous ces accidents peut facilement être évité, lorsque le plongeur connaît ces quelques lois physiques et qu'il s'y conforme.

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