La physique de la plongée sous-marine

Rhett Allain

J'avais l'habitude de plonger beaucoup plus que je ne le devrais. J'ai pratiquement tout fait: plongées en eau libre, plongées techniques, chasse sous-marine et plongée souterraine. C'est un sport amusant qui vous permet de voir des choses incroyables, mais il y a aussi des tonnes de science qui entrent dans le processus de mettre un humain sous l'eau en toute sécurité. Découvrons donc ce que la plongée sous-marine peut nous apprendre sur la physique.

Peut-être que la première chose à laquelle un plongeur pense quand il s'agit de pression est la pression de la bouteille. Les bouteilles de plongée contiennent beaucoup d'air dans un volume relativement petit, et la seule façon d'y parvenir est de comprimer l'air, produisant une haute pression. Un plongeur peut déterminer la quantité d'air restant dans un réservoir à l'aide d'un manomètre. Habituellement, un réservoir plein a une pression de 3 000 livres par pouce carré (psi). Si vous descendez en dessous de 200 psi, vous devriez être hors de l'eau.

L'air normal - la matière qui recouvre la Terre - est principalement composé de molécules d'azote, qui en constituent environ 79 %. Le reste est de l'oxygène, à environ 21 %. Nous pouvons imaginer que ces molécules sont comme des boules super minuscules se déplaçant à différentes vitesses et dans différentes directions. Si ce gaz se trouvait dans un récipient, certaines des molécules entreraient en collision avec le mur, rebondiraient dessus et changeraient de direction. Ce changement de mouvement signifie que chaque molécule exerce une petite force sur la paroi. (Un mur ou un conteneur plus grand subira plus de collisions et une plus grande force globale.)

Une façon de décrire le mouvement des molécules de gaz est de penser à la force par unité de surface. C'est la pression du gaz :

Si vous mesurez la force en livres et la surface en pouces carrés, vous obtenez la pression en livres par pouce carré, ou psi. C'est l'unité de pression de réservoir la plus courante aux États-Unis.

Lauren Goode

Personnel filaire

Julien Chokkattu

Chevalier

Une autre unité est la barre, où 1 barre est égale à 14,5 psi. La valeur de 1 bar est très proche de la pression de l'air sur Terre. La pression atmosphérique de l'air qui vous entoure en ce moment est probablement de 14,5 psi. (Oui, j'ai dit "probablement" parce que je ne veux pas vous juger. Peut-être que vous lisez ceci depuis le sommet du mont Everest, où la pression n'est que de 4,9 psi, car il y a moins d'air au-dessus de vous qui pousse vers le bas. Si oui, envoyez-moi une photo.) En termes de force et de surface, cela équivaut à 100 000 newtons par mètre carré.

L'eau est également constituée de minuscules molécules en mouvement qui agissent comme des balles, et ces molécules entrent en collision avec des objets sous-marins (comme des personnes), produisant une pression. L'eau a beaucoup plus de molécules que le même volume d'air, ce qui signifie qu'il y a plus de collisions pour produire une plus grande pression. Mais tout comme aller au sommet du mont Everest diminue la pression atmosphérique, aller plus profondément dans l'eau augmente la pression, car la gravité tire vers le bas sur les molécules d'eau. Pour chaque 10 mètres de profondeur, la pression augmente de 1 bar, soit 14,5 psi. Cela signifie que lors d'une plongée à 20 mètres (environ 60 pieds) sous le niveau de la mer, il y aurait une pression de l'eau de 43,5 psi, trois fois supérieure à la pression de l'air à la surface de la Terre.

(Le fait que la pression augmente avec la profondeur empêche toute l'eau de l'océan de s'effondrer en une couche infiniment mince. Comme la pression est d'autant plus grande que l'on va plus profondément, l'eau en dessous monte plus que l'eau au-dessus d'elle ne pousse vers le bas. Cette différence compense la force gravitationnelle vers le bas, de sorte que le niveau d'eau reste constant.)

Cela peut sembler être 43,5 psi, c'est trop pour une personne à gérer, mais ce n'est en fait pas si mal. Les corps humains sont très adaptables aux changements de pression. Si vous avez été au fond d'une piscine, vous connaissez déjà la réponse à ce problème de pression : vos oreilles. Si la pression de l'eau à l'extérieur de votre tympan est supérieure à la pression de l'air à l'intérieur de votre oreille interne, la membrane s'étirera et cela peut vraiment faire mal. Mais il existe une bonne astuce pour résoudre ce problème : si vous poussez de l'air dans la cavité de votre oreille moyenne en vous pinçant le nez tout en essayant d'en expulser de l'air, de l'air sera forcé dans cette cavité. Avec plus d'air dans l'oreille interne, la pression des deux côtés de la membrane sera égale et vous vous sentirez normal. C'est ce qu'on appelle la « péréquation », pour des raisons, je l'espère, évidentes.

Il y a en fait un autre espace aérien que vous devez égaliser pendant la plongée : l'intérieur de votre masque de plongée. N'oubliez pas d'y ajouter de l'air au fur et à mesure que vous avancez, sinon cette chose vous écrasera maladroitement le visage.

Il y a une autre erreur de physique qu'un plongeur pourrait commettre. Il est possible de créer un espace d'air fermé dans vos poumons en retenant votre respiration. Supposons que vous reteniez votre souffle à une profondeur de 20 mètres, puis que vous vous déplaciez jusqu'à une profondeur de 10 mètres. La pression à l'intérieur de vos poumons restera la même pendant cette ascension, car vous avez le même volume pulmonaire et ils contiennent la même quantité d'air. Cependant, la pression de l'eau à l'extérieur d'eux diminuera. La pression externe réduite sur vos poumons donne l'impression qu'ils sont surgonflés. Cela peut provoquer des déchirures dans les tissus pulmonaires, ou même forcer de l'air dans la circulation sanguine, ce qui est officiellement une mauvaise chose.

Il y a un autre problème à gérer lorsque vous êtes sous l'eau : flotter et couler. Si vous voulez rester sous l'eau, il est utile de couler au lieu de flotter, jusqu'à un certain point. Je ne pense pas que quiconque veuille sombrer à des profondeurs telles qu'il ne revienne jamais. De plus, c'est agréable de pouvoir flotter lorsque vous êtes à la surface. Heureusement, les plongeurs peuvent modifier leur « flottabilité » pour différentes situations. C'est ce qu'on appelle le contrôle de la flottabilité.

Les choses coulent lorsque la force gravitationnelle qui tire vers le bas est supérieure à la force de flottabilité qui pousse vers le haut. Si ces deux forces sont égales, alors l'objet flottera de manière neutre et ne montera ni ne descendra. C'est comme planer, mais dans l'eau, et c'est essentiellement ce que vous voulez faire en plongée sous-marine.

Lauren Goode

Personnel filaire

Julien Chokkattu

Chevalier

L'eau a en fait une flottabilité neutre. Oui, l'eau flotte ! Supposons que vous ayez un volume d'eau cubique de 1 mètre de côté et qu'il se trouve au milieu de plus d'eau. Nous savons que cette eau va rester là, ce qui signifie que la force de flottabilité vers le haut et la force de gravité vers le bas doivent être égales.

Remplacez maintenant ce mètre cube d'eau par une pierre de même forme et de même taille. Puisque la force de flottabilité est due à l'interaction entre l'objet et l'eau qui l'entoure, cette roche aura la même flottabilité que le cube d'eau. Cependant, comme il a une masse (et donc un poids) supérieure à celle de l'eau, la force totale exercée sur lui sera vers le bas et il coulera.

Nous pouvons étendre cela à n'importe quel objet générique pour dire que la force de flottabilité sur quelque chose est égale au poids de l'eau qu'il déplace (un certain volume V). Il est utile de penser à la masse par unité de volume d'eau. Nous appelons cela la densité. (Les physiciens aiment le symbole ρ pour la densité.)

Étant donné que le poids de l'eau déplacée dépend de la densité de l'eau (ρw) et du champ gravitationnel (g), nous obtenons l'expression suivante pour la flottabilité :

Lauren Goode

Personnel filaire

Julien Chokkattu

Chevalier

Le poids d'un objet dépend aussi de sa densité. Si la densité de cet objet est inférieure à celle de l'eau, la force de flottabilité sera supérieure à son propre poids et il flottera. La plupart du bois a une densité inférieure à celle de l'eau, il flotte donc. Un bateau en métal peut flotter parce qu'il n'est pas en métal solide - l'air à l'intérieur rend sa densité inférieure à celle de l'eau. De plus, de très petits rochers, une bonne sauce et du cidre pourraient flotter. (Si vous ne connaissez pas cette citation, je ne vous jugerai pas.) D'un autre côté, un clou en fer a une densité supérieure à celle de l'eau, il coulera donc.

Mais maintenant, nous avons une idée de la façon dont un plongeur peut contrôler la flottabilité. Si vous augmentez votre volume (et que votre masse reste la même), alors votre densité diminuera. Cela augmentera votre force de flottabilité et vous vous élèverez. Diminuer votre volume diminuera votre force de flottabilité et vous coulerez. Vous pouvez réellement changer votre volume sous l'eau simplement en respirant. L'inhalation d'un détendeur de plongée fera gonfler vos poumons, ce qui augmentera votre volume et votre flottabilité. Expirer fait le contraire.

Les plongeurs portent également un appareil extérieur pour modifier leur volume. Il s'agit essentiellement d'un sac gonflable que vous portez sur le dos appelé (sans surprise) un dispositif de contrôle de la flottabilité. Il se connecte à une bouteille de plongée afin que vous puissiez ajouter ou retirer de l'air pour modifier votre flottabilité.

Lorsque l'air a une température de 72 degrés Fahrenheit, c'est plutôt agréable. Mais avez-vous déjà été dans de l'eau à la même température ? Oh boy, ce truc est super froid. En réalité, la différence n'est pas la température, mais plutôt la vitesse à laquelle l'énergie thermique est transférée de votre corps à autre chose. C'est ce qu'on appelle la conductivité thermique, ou la vitesse à laquelle l'énergie thermique peut être transférée entre deux objets. (Dans ce cas, de votre corps à l'eau plus froide.)

Voici un autre exemple : Supposons que vous ayez un bloc de bois et un bloc de métal à température ambiante, ils ne sont pas directement exposés au soleil ni posés sur un radiateur. Si vous touchez les deux blocs, le bois sera plus chaud que le métal, même s'ils sont en fait à la même température. En effet, le métal a une conductivité thermique plus élevée que le bois. La main touchant le métal diminuera plus rapidement l'énergie thermique, ce qui rendra celle-ci plus froide.

La même chose se produit avec la plongée sous-marine. Étant donné que l'eau est un bien meilleur conducteur thermique que l'air, la vitesse à laquelle l'énergie thermique se déplace de votre corps - qui est presque toujours plus chaud que l'eau - vers l'eau est plus rapide que le même processus dans l'air. En fait, vous pouvez perdre de l'énergie si rapidement qu'il est très possible de diminuer votre température corporelle centrale, ce qui peut entraîner des problèmes comme la perte de la fonction musculaire et même une insuffisance respiratoire et cardiaque.

La solution la plus courante à ce problème d'eau est de porter une combinaison de plongée, qui est généralement faite d'un matériau comme le néoprène avec une très faible conductivité thermique. Cela diminue la vitesse à laquelle le corps humain perd de l'énergie thermique. C'est ce qu'on appelle une combinaison parce que vous êtes toujours mouillé : l'eau extérieure est emprisonnée entre votre peau et la combinaison ajustée, et votre corps la réchauffe.

Lauren Goode

Personnel filaire

Julien Chokkattu

Chevalier

Si vous n'aimez pas être exposé à l'eau, vous pouvez vous procurer une combinaison étanche, qui a des joints étanches aux poignets et au cou, et des bottes intégrées, de sorte que l'eau ne pénètre pas du tout. (OK, peut-être juste quelques petites fuites.) Cela ajoute cependant une tâche supplémentaire au plongeur. Au fur et à mesure que vous descendez vers des pressions d'eau plus élevées, l'air à l'intérieur de la combinaison diminue de volume, provoquant un effet "d'emballage rétractable" sur le corps, de sorte qu'il n'y a pas d'espace à l'intérieur de la combinaison pour plier les bras et les jambes. Vous pouvez résoudre ce problème en ajoutant de l'air à la combinaison à de plus grandes profondeurs, mais vous devez également laisser sortir cet air lorsque vous remontez vers la surface.

J'ai fait des plongées en eau trouble où je ne pouvais vraiment pas voir grand-chose. Alerte spoiler : ce n'était pas très amusant. Le but de la plongée est de voir des trucs sympas sous l'eau. Mais même en eau claire, il faut un masque pour vraiment tout voir. Le masque crée un espace d'air entre vos yeux et l'eau, ce dont ils ont besoin pour se concentrer correctement. Voici comment la lentille de votre œil fonctionne lorsque vous êtes sur terre, comme les humains sont censés l'être, par rapport à ce qui se passe dans l'eau :

Une lentille dévie la lumière en fonction de sa forme, ainsi que de la différence de vitesse de la lumière à la fois dans le matériau de la lentille et à l'extérieur de celle-ci. (Nous pouvons décrire la vitesse de la lumière dans un matériau avec l'indice de réfraction.) La vitesse de la lumière dans l'eau n'est que de 66,7 % de la vitesse de la lumière dans l'air. C'est un problème, car cela rend la lentille de votre œil moins capable de plier la lumière pour se concentrer sur votre rétine. Le résultat est une vision floue.

Lorsque vous mettez un masque, vous avez à nouveau de l'air devant vos yeux, ce qui permet à votre lentille de dévier la lumière de la bonne quantité. Mais la lumière se déplace toujours dans l'eau à une vitesse plus lente que dans l'air. Lorsque la lumière passe d'un milieu (comme l'eau) à un autre milieu (comme l'air), le chemin de la lumière se courbe. Nous appelons cela la réfraction, et cela peut rendre les choses sous l'eau plus proches qu'elles ne le sont réellement.

Lauren Goode

Personnel filaire

Julien Chokkattu

Chevalier

Comment cela marche-t-il? Il est important de se rappeler que nous voyons des choses parce que la lumière se reflète sur les objets puis dans nos yeux. Prenons l'exemple d'un poisson que vous apercevez lors de votre sortie plongée. Les rayons de lumière rebondissent sur les poissons, voyagent dans l'eau puis dans l'air à l'intérieur du masque de plongée. En raison de la différence d'indice de réfraction entre l'air et l'eau, les rayons lumineux se courbent. Mais nos yeux et notre cerveau ne savent pas que la lumière a changé de direction. Ils supposent simplement qu'il a voyagé en ligne droite, comme il le fait dans les airs. Cela donne l'impression que la lumière provient d'un endroit plus proche que celui où se trouve réellement le poisson.

Ce schéma devrait aider :

Il y a un autre problème à voir des poissons (et surtout des coraux) sous l'eau : la couleur. Bien que nous aimions penser que l'eau est transparente, ce n'est qu'une sorte de transparence. Si vous avez de l'eau pure, la lumière visible sera absorbée lorsqu'elle la traversera. Après 300 mètres, il ne restera pratiquement plus de lumière. Cela signifie que même dans l'eau la plus claire, il ferait aussi noir que la nuit à une profondeur de 300 mètres. (Vous ne devriez pas plonger aussi profondément, de toute façon.)

L'absorption de la lumière n'est pas la même pour toutes les couleurs. Presque toute la lumière rouge sera absorbée après seulement 5 mètres d'eau. Au fur et à mesure que vous avancez, vous ne verrez que de la lumière plus bleue que rouge. Sans lumière rouge, les choses rouges, y compris les poissons et les coraux, sembleront gris foncé.

Mais vous pouvez résoudre ce problème avec une astuce simple : Apportez une lampe de poche. La lumière de votre lampe de poche n'a pas besoin de voyager aussi loin que la lumière de la surface avant de se refléter sur ce joli poisson, vous pouvez donc toujours voir les parties rouges.

Rappelez-vous que l'air est normalement un mélange de 79 % d'azote et de 21 % d'oxygène à une pression de 1 atmosphère (1 ATM). Mais nous devons penser différemment à l'oxygène et à l'azote, car ils interagissent avec le corps de différentes manières. Nous pouvons traiter les mélanges de gaz en utilisant la notion de « pression partielle ». L'air à 1 ATM (avec un mélange d'oxygène et d'azote) est identique à l'oxygène à une pression de 0,21 ATM (21 % du mélange) et à l'azote à 0,79 ATM.

Regardons comment ces deux gaz affectent le corps. Je vais commencer par la pression partielle d'oxygène, que nous appelons souvent PPO2. Les gens ont besoin d'oxygène, mais pas trop peu ou trop. Supposons que vous voyagez dans un avion à haute altitude, où la pression atmosphérique est plus faible. Si vous atteignez une PPO2 inférieure à environ 0,17, il n'y a tout simplement pas assez d'oxygène pour que votre cerveau fonctionne. Vous ne pourrez pas penser correctement et vous pourriez même vous évanouir. (C'est pourquoi les avions à haute altitude ont des cabines pressurisées ; s'ils ne le font pas, les gens doivent porter des masques à oxygène supplémentaires. C'est aussi pourquoi les agents de bord d'un avion de ligne commercial passent en revue les procédures de sécurité en cas de diminution de la pression dans la cabine.)

Lauren Goode

Personnel filaire

Julien Chokkattu

Chevalier

Mais sous l'eau, le problème est probablement trop de pression. Si la pression partielle d'oxygène atteint environ 1,6 ATM, cela peut provoquer des convulsions.

Comment obtenir une PPO2 aussi élevée ? Considérez le cas suivant : Vous avez une bouteille d'oxygène pur (et pas d'azote) et vous plongez à une profondeur de 10 mètres. Afin de respirer réellement à partir d'un détendeur de plongée, la pression délivrée à vos poumons doit être égale à la pression ambiante, sinon vous ne pourrez pas inhaler. Cela signifie que l'oxygène pur sera à 2 ATM. (N'oubliez pas que vous obtenez 1 ATM de pression tous les 10 mètres de profondeur.) Respirer cela produirait une PPO2 de 2,0, ce qui est supérieur à 1,6 ATM. Alors, ne fais pas ça.

C'est pourquoi les plongeurs n'utilisent pas d'oxygène pur et utilisent plutôt de l'air normal qui ne contient que 21% d'oxygène. Sa PPO2 à cette même profondeur serait de 0,42 ATM, ce qui ne devrait pas poser de problèmes. De plus, il est beaucoup plus facile de simplement pomper de l'air ordinaire dans les réservoirs. L'utilisation d'autres mélanges implique des choses compliquées comme les compressions et le type de réservoirs d'oxygène que vous voyez dans les hôpitaux.

Supposons maintenant que vous mettiez un mélange personnalisé de gaz dans votre réservoir. Que diriez-vous de 40 pour cent d'oxygène et 60 pour cent d'azote ? (Remarque : c'est de la vraie matière, ça s'appelle Nitrox.) Cela augmente le rapport oxygène/azote, au-dessus de ce qui est dans l'air. Si vous respirez ce gaz à une profondeur de 20 mètres, soit 3 ATM, l'oxygène serait à PPO2 de 0,4 × 3 ATM, ce qui équivaut à 1,2 ATM. Cela se rapproche d'un PPM de 1,6 ATM, alors peut-être que vous ne devriez pas aller plus loin que cela avec ce mélange gazeux.

Quel est l'avantage d'ajouter de l'oxygène supplémentaire à votre réservoir si vous ne pouvez pas aller aussi loin ? La réponse est que l'augmentation de l'oxygène diminue l'azote. Bien que votre corps n'utilise pas d'azote gazeux, il est absorbé par vos tissus. Lorsque vous descendez à des pressions plus basses (comme lorsque vous remontez à la surface), cet azote sort de vos tissus, c'est ce qu'on appelle le dégazage. Si trop d'azote sort trop vite, il formera des bulles qui pénétreront dans votre sang et causeront de graves problèmes médicaux. C'est ce qu'on appelle communément le mal de décompression, ou les virages. Utiliser moins d'azote signifie que vos tissus en absorbent moins, ce qui réduit les risques d'accident de décompression.

Vous pouvez également prévenir l'accident de décompression en vous déplaçant très lentement vers des profondeurs moins profondes. Pour les plongées récréatives, l'objectif est de n'absorber qu'une quantité d'azote qui peut être dégazée en toute sécurité pendant le temps nécessaire pour remonter à la surface.

Le calcul réel du temps pendant lequel vous pouvez rester à une certaine profondeur est compliqué et repose sur des estimations approximatives du corps humain moyen. C'est pourquoi la plupart des plongeurs modernes utilisent de petits ordinateurs de plongée qui calculent en permanence le temps qu'il leur reste en fonction de la profondeur et du temps.

Ce n'est pas assez de physique pour que vous fassiez de la plongée sous-marine, mais c'est suffisant pour vous donner une idée de ce qui se passe. Si vous souhaitez l'essayer, un instructeur de plongée dans un magasin de plongée peut vous aider à apprendre le reste. N'oubliez pas d'apporter votre lampe de poche.