La plongée sous-marine : Agrégation interne 2014.

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L’océan est supposé isotherme et dans cette partie on considérera le corps du plongeur à la même température que l’eau de mer. Dans les situations étudiées, le plongeur respire de l’air assimilé à un mélange de gaz parfaits, constitué de dioxygène et de diazote, en proportions molaires respectives de 20 % de dioxygène et 80 % de diazote.
Accidents mécaniques ou barotraumatismes.
Ces accidents concernent les espaces aériens du corps humain : sphère ORL, poumons, abdomen.
 Proposer une explication du mot « barotraumatisme ».
Traumatisme dû aux variations de volume gazeux conséquences des variations de pression lors de la plongée.
Expliquer pourquoi « les espaces aériens » du corps humain, et en particulier la « sphère
ORL », sont vulnérables en plongée sous-marine.
La sphère ORL, les poumons, occupés par des gaz, sont facilement déformables. Ils sont comprimés à la descente et se dilatent à la remontée.
Un danger souvent méconnu : le placage de masque.
Le placage de masque est un accident barotraumatique fréquemment rencontré chez un plongeur débutant. Cet accident survient à faible profondeur chez le plongeur qui ne souffle que par la bouche l’air expiré.
Lors de la descente, la pression hydrostatique extérieure augmente et vient comprimer la jupe du masque qui, dans un premier temps, se comporte comme un ressort. Le volume intérieur du masque diminue, jusqu’à ce que la déformation de la jupe ne soit plus possible. Le masque est alors plaqué sur le visage du plongeur.
On considère qu’un masque ainsi plaqué (en limite d’élasticité de jupe) a perdu environ un tiers de son volume intérieur. Au-delà, la pression sanguine du plongeur (égale à la pression hydrostatique ambiante) est supérieure à la pression de l’air contenu dans le masque (effet ventouse). Lorsque cette dépression devient supérieure à 0,4 bar, il y a rupture des capillaires de la membrane superficielle de l’oeil et de la muqueuse nasale, ce qui entraîne l’apparition d’hématomes sur le visage ou de saignement de nez. Ces troubles sont en général sans gravité et peuvent être évités simplement en soufflant par le nez régulièrement durant la descente pour rééquilibrer la pression à l’intérieur du masque.

Calculer la profondeur avant laquelle il est indispensable de souffler par le nez pour éviter ces troubles.
Pression extérieure lorsque le masque a perdu 1/3 de son volume :
à température constante, PV = constante ; P0V0 = 2PV0/3 ; P = 1,5 P0 = 1,5 bar.
Ajoutons la dépression de 0,4 bar : Pext = 1,9 bar.
Profondeur : Pext -P0 = rgh ; h = 0,9 105 / (1000*10) ~ 9 m.
Compte-tenu de la valeur de la profondeur obtenue à la question précédente, conseiller vos élèves au sujet de l’usage des lunettes de natation afin d’éviter de pareilles déconvenues.
Les lunettes sont beaucoup plus rigides qu'un masque ; elles ne permettent pas de souffler dans les espaces aériens : le placage et le phénomène des yeux rouges peut donc se produire dès 4 m de profondeur. Ces lunettes sont réservées à la nage en surface.
Expliquer pourquoi les accidents barotraumatiques mortels concernent majoritairement des plongeurs qui retiennent leur respiration lors de la remontée. Proposer une solution très simple pour les éviter.
Les poumons sont concernés par la surpression lors de la remontée. La pression exercée sur la cage thoracique diminue lors de la remontée ; en conséquence le volume des poumons croît. On peut atteindre la rupture ; celle-ci engendre des saignements et de graves lésions. Il ne faut pas retenir sa respiration lors de la remontée.
Dire si ces accidents mortels concernent un plongeur faisant de l’apnée.
La plongée s'effectue sans apport de gaz ( absence de bouteille de plongée ). Le volume des gaz contenus dans les poumons diminue lors de ce type de plongée. Il n'y a pas de risque  d'accidents pulmonaires lors de la remontée.



Le problème de la décompression.
L’accident de décompression est l’accident de plongée le plus connu mais il est tout à fait évitable en suivant les protocoles appropriés.
Justifier que la tension de saturation en surface (h = 0) vaut  T0sat = 0,8 bar.
Pression partielle du diazote en surface : 0,8 *P0 = 0,8 bar.
Proposer une analogie électrique pour la notion de « compartiments ».
On montre que l’excédent d’azote dissous dans le corps suit une loi d’évolution telle qu’à la date t la tension d’azote à une profondeur h, Th(t), peut s’écrire :
Th(t)=T0sat + (Thsat - T0sat).(1-2-t/t)
Cette expression traduit ce qu’on a coutume d’appeler la « charge » du tissu en gaz dissous.
On définit un « compartiment » comme une partie du corps (organes, tissus physiologiques…) ayant un comportement donné face à la saturation. Chaque compartiment est caractérisé par un « temps caractéristique » t appelé selon le cas « demi-vie » ou « période », qui rend compte de la plus ou moins grande rapidité avec laquelle le tissu se « charge » - mais aussi se décharge - en gaz dissous.
Cela est comparable à la charge et à la décharge du circuit RC série.
A l’aide de l’analogie électrique précédente, retrouver l’expression de Th(t) proposée.
A la profondeur h, la tension d'azote
Th(t) est égale à la somme de la tension d'azote en surface T0sat  et de la quantité dissoute Qh(t). Par analogie avec la charge d'un condensateur du dipôle RC, cette dernière est de la forme  :
Qh(t)= A'(1- exp(-t/t'))=A(1- 2-t/t ) avec A et A' des constantes et t=t'ln2.
A l'équilibre Qh(infini)= Thsat - T0sat = A' ; Qh(t)= (Thsat - T0sat) (1-exp(-t/t')).
Th(t) =T0sat  +(Thsat - T0sat) (1-exp(-t/t')).
 Estimer la durée passée à la profondeur h à partir de laquelle on peut considérer comme   saturé, un compartiment de demi-vie.
à t = 5 t ~5t' l'équilibre est atteint, un compartiment peut être considéré comme saturé.

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Protocoles de plongée.
 Identifier, en justifiant, quelle zone correspond à une plongée sans palier et celle qui correspond à une plongée avec palier(s).

Zone 1 : la profondeur est assez faible et la durée de plongée est courte, cela correspond à la plongée sans palier.
La zone 2 correspond à la plongée avec palier.
Préciser combien de temps au maximum le plongeur peut rester à une profondeur de 10 m sans avoir à effectuer de palier au cours de la remontée. Citer des causes qui peuvent alors
limiter le temps d’immersion.
La courbe de sécurité indique une durée maximale de 240 min à une profondeur de 10 m. Le froid et le manque d'air ( bouteille vide ) peuvent limiter le temps d'immersion.
Pour une plongée effectuée à 20 m de profondeur, indiquer, en justifiant, quelles durées d’immersion parmi celles proposées (20, 40, 60 ou 90 minutes), sont acceptables pour pouvoir remonter sans avoir à effectuer de palier. Dans la négative, indiquer les compartiments qui imposent des paliers.
La courbe de sécurité indique une durée maximale de 40 min à une profondeur de 20 m.

Pour des durées de plongée de 20 à 40 min, à une profondeur de 20 m, aucun compartiment n'est saturé, la tension restant inférieure à la valeur limite CSc°.
Pour une immersion de 60 min à 20 m, les compartiments 10 à 50 sont saturés.
Pour une immersion de 90 min à 20 m, les compartiments 10 à 80 sont saturés.
Pour une plongée d’une durée de 40 minutes, indiquer les profondeurs auxquelles le plongeur peut rester sans avoir à effectuer de palier lors de la remontée.

Pour une plongée à de 20 m, de durée 40 min, aucun compartiment n'est saturé.
Pour une plongée à 30 m, de durée 40 min, les compartiments de 5 à 60 sont saturés.
A l’aide des résultats précédents, proposer une méthode pour obtenir la courbe de sécurité.
A 20 m, la durée maximale d'une plongée sans paliers est de 40 min.









  

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