Physique
La pression (P) est une force (F) appliquée à une surface (S). On peut résumer la chose par la formule
P = F/S
Plus la force est grande, plus la pression est élevée. A force équivalente, la pression sera d'autant plus élevée que la surface est petite.
Une petite expérience hilarante peut mettre en évidence ce phénomène. Dans votre appartement du 2eme étage d'un immeuble en comprenant 10, débouchez la purge d'un radiateur (chauffage collectif). Vous pourrez éviter la fuite par simple pression du doigt sur le trou de la purge. Dévissez maintenant l'un des tuyaux conduisant au même radiateur. Sauf à être Tarzan, vous n'arriverez pas à boucher le tuyau à mains nues, la force de l'eau est trop importante, alors que la pression de l'eau est identique dans les deux cas. Solution: appelez les pompiers et alertez les voisins du dessous. En ce qui vous concerne, vous saurez très bien après ce petit incident (badin) ce qu'est une pression.
La pression s'exprime en bars (b), hauteur de mercure (mmHG) ou pascals (Pa). 1 bar (pression atmosphérique en bord de mer) est la pression exercée par 1 Kg (10 m de hauteur d'eau) sur 1 cm2 de surface. 1 bar équivaut à 760 mmHG et à 100 000 Pa (1000 Hpa).
Trrrrès important de connaître ce que c'est qu'une pression en plongée. 200 bars d'air dans une bouteille, ça vous causera dorénavant.
Et en immersion, les aminches, si l'eau n'exerce pas une pression sur votre petite plastique, je veux bien être pendu. Ainsi à 10m de profondeur, vous avez une colonne de 10 m d'eau par cm2 de bidoche, soit 1 bar de pression hydrostatique. En rajoutant le 1 bar de pression atmosphérique, vous avez donc une pression totale environnante de 2 bars. D'où la formule
Ptotale = Phydro + Patm
Allez! Un petit exercice pour mettre en forme. Question: à quelle pression serez-vous soumis à 30 mètres de profondeur en plongée en mer? Idem pour 40, 50 et 60 mètres. A vos stylos.
Le principe d'Archimède
Le principe d'Archimède veut que tout corps plongé dans un liquide reçoit une poussée (force) verticale s'appliquant de bas en haut équivalente au poids du volume d'eau déplacé par ce corps. Vous avez un poids apparent qui peut être résumé par la formule:
Poids App. = Poids Surf. - Poids VolEau
Cela veut dire que si vous immergez une gueuse en béton de 1m3 sous l'eau, vous coulerez avec, mais non sans avoir la douce satisfaction de savoir qu'elle déplace 1m3 d'eau et que donc son poids apparent est diminué d'autant, soit d'1 tonne. Conséquence: il vaut mieux recevoir sur le pied une gueuse sous l'eau qu'à terre.
Plus prosaïquement, cela explique la flottabilité des objets. Vous qui me lisez, si vous pesez dans les 70 kg et vous avez un volume de 68dm3 les poumons vidés; votre poids apparent en immersion sera de 70-68 soit 2 kg. Votre flottabilité est négative et vous coulerez. En gonflant vos poumons, vous allez passer à 71-72dm3. Votre poids apparent sous l'eau est de 70-72, soit -2kg. Votre flottabilité est positive et vous flottez. Cette remarque n'est pas innocente. En dehors de la respiration nécessaire, on joue beaucoup sur le volume d'air dans les poumons en plongée pour modifier sa flottabilité. Ca s'appelle technique du poumon ballast.
La loi de Mariotte
La loi de Mariotte dit qu'à température constante, le volume (V) d'un gaz varie en raison inverse de sa pression (P). En fait on utilise la formule simplifiée en plongée:
PV = Cste
Cela signifie tout simplement qu'un gaz ayant un certain volume à la surface de l'eau verra ce même volume diminuer au fur et à mesure qu'on le descend sous l'eau.
Ainsi, 20 litres d'air à la surface (1 bar) n'en feront plus que 5 à 30 m de profondeur (Ptot=4b). Un dernier truc très important à ce sujet. Vous pesez 75kg et votre volume poumons pleins (4dm3 d'air ou 4 litres) est de 73dm3. Vous vous immergez et vous coulez puisque votre poids apparent sera de 75-73 soit 2 kg. Vous arrivez à 10m de profondeur, la pression environnante (PTotale) est de 2bars. Le volume d'air dans vos poumons n'est plus que de 2l. Votre volume global ne sera plus que de 71dm3. Votre poids apparent sera alors de 75-71 soit 4kg. Vous coulerez encore plus vite.
Allez! Encore un petit exercice, maintenant que vous êtes bien en jambes. Vous pesez 73 kg, vous occupez un volume de 71 dm3 (ou litres) poumons vides. Vous prenez 4 litres d'air à la surface et vous plongez pour une apnée.
Que se passe t'il dans un premier temps?
Vous arrivez à 10m et arrêtez de palmer. Que se passe t'il?
Vous continuez de descendre jusqu'à 15m et vous arrêtez de palmer. Que se passe t'il?
A vos stylos et ne copiez pas sur le voisin!.
La loi de Dalton
La loi de Dalton concerne les mélanges gazeux. Est-il utile de rappeler que l'air que nous respirons est un mélange d'azote (N2) à 80%, d'oxygène (O2) à 19%, le reste étant essentiellement du gaz carbonique ou dioxyde de carbone (CO2) et des gaz rares. Souvent, pour la commodité des calculs, on considérera que l'air est un mélange à 80% de N2 et 20% de O2.
Ce savant a mis en évidence que la pression d'un mélange gazeux pouvait être considéré comme la somme des pressions de chaque gaz le constituant. Chaque pression (dite pression partielle ou PP) étant liée à la proportion de gaz contenu dans le mélange. La somme des PP indique la pression globale du mélange.
Si on considère que la pression de l'air (80% N2 - 20% O2) à la surface de la mer est de 1bar, cela signifie que la pression partielle d'azote (PPN2) de cet air est de 0.8bars. La pression partielle d'oxygène (PPO2) est de 0.2bars.
La Formule générale peut être énoncée de la manière suivante:
PPgaz1 + PPg2 + . . . + PPgn = Pmélange
Cette loi est fondamentale en plongée. Lorsqu'on descend plonger, l'air respiré est à la pression du milieu et cette pression augmente avec la profondeur. En conséquence, la pression partielle des gaz constituant cet air augmente également. Ce phénomène explique à lui seul les narcoses à l'azote, les intoxications à l'oxygène (effet Lorrain Smith, effet Paul Bert) et aussi la nécessité d'effectuer des paliers, cela en liaison avec la loi de Henry et les facteurs de saturation-désaturation de l'azote emmagasiné dans le corps lors d'une plongée.
La loi de Henry
La loi de Henry porte sur la dissolution des gaz dans les liquides à température constante. A température donnée, la quantité de gaz dissous à saturation dans un liquide est proportionnelle à la pression du gaz au-dessus du liquide.
A pression atmosphérique, les liquides que contient notre corps sont saturés à certaines valeurs par les différents gaz contenus dans l'air, l'azote notamment. Etre saturé signifie qu'une proportion équilibrée des différents gaz contenus dans l'air est dissoute dans vos tissus.
Si la pression ambiante (plongée) augmente, les valeurs de saturation de ces gaz vont changer et ce, proportionnellement à l'évolution de la pression ambiante.
A la remontée, la pression ambiante diminuant, nos tissus se retrouveront sursaturés en gaz qui vont vouloir s'échapper. Ils VONT s'échapper pour que les valeurs de saturation tendent à retrouver des valeurs en conformité avec la pression ambiante.
Si la baisse de pression consécutive à la remontée est trop rapide, ça fait des bulles. Ca peut être très dangereux pour l'organisme humain (voir chapitre Accident - l'accident de décompression).
Saturation & désaturation
Faisons ensemble une petite expérience.
Prenez une bouteille de boisson pétillante récente qui n'a jamais été débouchée. Débouchez-la très doucement afin de permettre au gaz en suspension au-dessus de votre boisson favorite de s'échapper TRES lentement. Observez attentivement le liquide. Que voyez-vous? Rien. Quelques bulles apparaissent, mais pas de quoi en faire une rave party.
On peut faire un parallèle entre cette situation et celle où, en plongée, vous effectuez une remontée contrôlée suivie de vos paliers. Vous évacuerez le trop plein de gaz en cours de respiration essentiellement.
Prenez une autre bouteille ayant les mêmes caractéristiques et débouchez-la brutalement. Observez attentivement le liquide. Que voyez-vous? PLEIN de BULLES.
On peut faire un parallèle entre cette situation et celle où, en plongée, vous effectuez une remontée trop rapide et/ou n'effectuez pas vos paliers. C'est l'accident de décompression.
Le gaz le plus important, et qui nous concernera dorénavant à ce sujet est l'azote. Les saturations se font sur un mode qui n'est pas linéaire. La courbe de saturation ressemble à celle de la charge d'un condensateur. On emmagasine beaucoup au départ (c'est la tension d'azote TN2), puis de moins en moins au fur et à mesure du temps qui passe. Le temps qu'un tissu se sature à demi valeur maxi s'appelle la période du tissu. Sur le schéma, sont représentés deux tissus T1 et T2. Leurs périodes sont respectivement Pt1 et Pt2. le -1- désigne la pression partielle de N2 dans l'air respiré à la profondeur maxi. -2- désigne la courbe de saturation du tissu T1. -3- désigne la courbe de saturation du tissu T2.
Différents scientifiques ont mis en évidence le comportement semblable de différents éléments physiologiques. Chaque ensemble d'éléments physiologiques se comporte comme un tissu unique. On parle alors de compartiment. Sur notre schéma, on a donc le compartiment T1 et le compartiment T2.
Les tables dites MN90 (Marine Nationale - révision 1990) préconisées par la FFESSM prend en compte 12 compartiments de périodes respectives 5, 7, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 120 mn.
Au début d'une remontée, chaque compartiment aura absorbé une certaine quantité d'azote dépendant de sa période et des pressions auxquelles les tissus auront été soumises. Au fur et à mesure que la pression baisse, chaque compartiment va se retrouver en sursaturation. La courbe de désaturation va (tenter de) le montrer.
On ne représente ici qu'un seul compartiment . -1- indique la PPN2 de l'air à la profondeur maxi atteinte. -2- représente la courbe de saturation. -3- représente la PPN2 respirée lors de la remontée (Rem). -4- représente la courbe de désaturation. Pendant la durée de plongée (Dp), les compartiments saturent. Même après le début de la remontée, ils pourront continuer à saturer tant que PPN2 respirée est supérieure à la tension des compartiments. Cela est très fréquent avec les compartiments les plus lents (ex compartiment de période 120mn). Puis s'amorce la désaturation. Chaque compartiment possède un coefficient appelé coefficient de sursaturation critique (Csc)qui symbolise le seuil au-delà duquel il y aura formation de bulles (souvenez-vous de la bouteille de tout à l'heure). Le coefficient de sursaturation (Cs) se calcule:
Cs = TN2Comp. / PAbs
TN2Comp représente la tension d'azote existant dans le compartiment étudié. La tension d'un gaz est sa pression quand il est dissout, alors que la pression partielle est sa pression en phase gazeuse. Tout comme il y a la tension du gaz carbonique dissous dans votre boisson gazeuse. On peut considérer ces deux termes tension et pression partielle comme désignant des mesures identiques, simplement l'utilisation de l'un ou de l'autre indique intrinsèquement l'état du gaz concerné. PAbs représente la pression de l'environnement du compartiment, donc la pression à laquelle on se trouve un moment donné dans l'eau, ou hors de l'eau.
Si lors d'une remontée Cs atteint la valeur Csc de tel ou tel compartiment, il faut stopper. C'est le palier, qui durera le temps nécessaire à une baisse du Cs permettant de reprendre la remontée.
Les tables de plongée sont donc calculées en fonction de compartiments (12 pour le tables MN90) ayant chacun leur Csc. Pour les tables MN90:
Comp |
5 |
7 |
10 |
15 |
20 |
30 |
40 |
Csc |
2.72 |
2.54 |
2.38 |
2.2 |
2.04 |
1.82 |
1.68 |
Comp |
50 |
60 |
80 |
100 |
120 |
Csc |
1.61 |
1.58 |
1.56 |
1.55 |
1.54 |
Le compartiment qui déclenche l'arrêt (le premier atteignant son Csc) est appelé compartiment directeur. Malgré les paliers, il reste toujours de l'azote résiduel dans le corps et dans le compartiment directeur qui ne sera éliminé qu'au bout de 8h30. Cette valeur résiduelle est visualisée par une lettre sur les tables MN90.
Pour faire les calculs de saturation en azote des tissus, on dispose de la formule:
TN2 = Ti + (Tf - Ti)(1 - 0.5dt/T)
TN2 étant votre tension d'azote recherchée, Ti la tension initiale, Tf la tension finale, dt le temps passé à tension Tf, et T la période du tissu (ou du compartiment) étudié.
Pour fixer les choses, agrémentons-les d'un exemple.
Nous allons étudier le comportement du compartiment 120mn lors d'une plongée à 10m pendant 4heures. On admettra que ce compartiment était "vide" préalablement.
On sait d'ores et déjà que le Csc du tissu 120 est de 1.54. On sait également que Ti est égal à 0.8 bars.
On connaît également la période T qui est de 120mn, et on connaît dt qui est de 4 heures, soit 240mn.
On peut également connaître Tf qui sera de 1.6 bars.
Visualisons la courbe de saturation et constatons ensemble que tous les éléments sont réunis pour nous permettre de calculer TN2.
La courbe de saturation (évolution de TN2 dans le temps) est représentée par l'indice -2-. L'indice -1- représente la profondeur maxi atteinte (10m). L'indice -5- pointe sur le TN2 réel au moment de la décision de remontée, Dp indiquant le temps de plongée (240 mn).
TN2 = Ti + (Tf - Ti)(1 - 0.5dt/T)
TN2 = 0.8 + (1.6 - 0.8)(1 - 0.5240/120)
TN2 = 0.8 + (0.8)(1-0.52)
TN2 = 0.8 + (0.8)(0.75) = 0.8 + 0.6 = 1.4 bars
Cette valeur étant inférieure à 1.54 (Csc), on peut en déduire que, dans le cadre d'une telle plongée, un palier est inutile. Mais nous verrons également que, dans le cadre d'une plongée en altitude faite "un certain temps" après celle-ci, nous devons mémoriser cette tension. C'est le rôle de la lettre dont je parlais tout à l'heure. Nous en reparlerons dans le chapitre "plongées en altitude" notamment.
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