Les explorations directes



Résister à la pression et voir ce qui se passe
- avec une présence humaine à bord pour voir et piloter ou bien directement en scaphandre autonome
- sans présence humaine avec des engins robotisés téléguidés (ROV) ou autonomes (AUV) équipés de caméras et d’autres capteurs




1.     Comment résister à la pression


Un peu de physique
La pression atmosphérique

C’est une pression, c’est-à-dire le rapport Force / Surface : la force est le poids d’une colonne d’air , la surface est la base de cette colonne.
C’est à peu près le résultat produit par le poids d’une masse marquée de 1kg s’appuyant sur une surface de 1cm2 .

Avec les unités légales
Force en Newton (N) , S en m2 , pression en Pascal (Pa) ou N/m2
En météorologie , on utilise l’hecto Pascal hPa . 

La pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer est de 1013 hPa .
Dans l’industrie et la plongée , on exprime souvent la pression en bar
1bar = 100 000 Pa ce qui est proche de la pression atmosphérique 1013 hPa = 101 300 Pa

Le poids d’un objet à la surface de la Terre est la force (en N) due à l’attraction terrestre
 = masse de l’objet(en kg) x accélération g due à la pesanteur terrestre (m/s2)   
avec en moyenne g = 9.81 m/s2
Poids (en Newton) de la masse marquée de 1 kg = 1 (kg) x 9.81 (m/s2) = 9.81 N
Sur la Lune le poids de cette même masse marquée de 1kg serait calculé avec l’accélération due à la pesanteur lunaire soit environ 1.6 m/ s2 au lieu de 9.81 m/s2  , et on aurait un poids (N) de 1 x 1.6 = 1.6 N

Application :

Calculer quelle serait la hauteur h de cette colonne d’air dont le poids serait équivalent à celui de la masse marquée 1kg ?
masse volumique de l’air = 1.22 kg / m3 à 15°C au niveau de la mer
masse m d’air contenue dans un tube de section  
1cm2  (= 0.0001m2)  et de hauteur h
Le volume V en m3 de cette masse d’air est 
V  = S(en m2) x h (m)
La masse de ce volume d’air est m = volume (m3) x masse volumique (kg/m3)
On a donc  0.0001 x h x 1.22  = 1  d’où h = 1 / (0.0001 x 1.22) = 8196m.
C’est donc le poids d’une colonne d’air haute de 8196m.
Ce calcul est très grossier car on a supposé que la masse volumique est constante , or la masse volumique diminue avec l’altitude , elle est approximativement divisée par 2 quand l’altitude augmente de 5000m
 90 % de l'atmosphère est située en dessous de 20 km d'altitude.
 75 % de l'atmosphère est située en dessous de 10 km d'altitude.
 50 % de l'atmosphère est située en dessous de 5 km d'altitude


La pression hydrostatique
Comparons cette pression atmosphérique à celle qui serait obtenue cette fois par une colonne d’eau
On cherche quelle hauteur d’eau faudrait-il pour obtenir à la base de la colonne d’eau la même valeur que la pression atmosphérique due à la colonne d’air.

On écrit l’égalité des pressions
 pression (eau) = pression atmosphérique = 1013 hPa
or
pression (eau) = poids de l’eau / section  S de la colonne
= (volume x masse volumique x g) / S
= (S x h(eau) x 1000 x 9.81 ) / S
= h(eau en m) x 1000 (kg/m3)  x 9.81
On a donc 1013 hPa = 101300 Pa = h(eau) x 1000 x 9.81
d’où h(eau) = 101300 / (1000 x 9.81) = 10.33m

La pression atmosphérique est équivalente à la pression exercée par une colonne d’eau d’environ 10m de hauteur .

Dans un liquide au repos , la pression hydrostatique varie avec la profondeur selon la relation
pression hydrostatique = masse volumique du liquide  x g (pesanteur) x h(profondeur)
Par ex à 15mde profondeur , on a  p= 1000 kg/m3 x 9.81 (m/s2) x 15 = 147150 Pa = 1.47 bar
et la pression absolue = pression atmosphérique + pression hydrostatique
 = 1.013 + 1.47 = 2.46 bar soit environ 2.5bar

Suggestion d’activité :
Tracer le graphe représentant la pression subie par un sous-marin passant de la surface à 400m de profondeur



2.      Quelles formes pour résister aux fortes pressions



La sphère

C’est la forme la plus efficace pour résister aux très fortes pressions car elle est comprimée de manière homogène .
On voit dans le bathyscaphe la sphère jaune qui sert d’habitacle, cet engin a pu descendre jusqu’au fond des fosses Mariannes à 11 000 m de profondeur.



Application : principe d’Archimède
Le bathyscaphe vide ses réservoirs remplis d’air , il devient « plus lourd que l’eau » et il descend vers les profondeurs.
Arrivé au fond, il largue des lests (grenaille de fer), il devient « plus léger que l’eau » et il remonte vers la surface.

On retrouve aussi cette forme sphérique sur le dôme des sous-marins de poche

Suggestion d’activité :
Calculer la pression en bar exercée
               - sur le bathyscaphe à 10000m de profondeur
               - sur le sous-marin de poche à 20m de profondeur
Puis la force qui s’exerce à ces différentes profondeurs
               - sur le hublot de diamètre 20cm du bathyscaphe
               - sur la demi-sphère transparente de diamètre D=1.50m du sous-marin (aire d’une sphère S =
)


Forme oblongue d’un sous-marin

 C’est un compromis entre une forme allongée hydrodynamique pour avancer plus vite et une forme de coque (au sens Résistance des matériaux) pour mieux résister à la pression.

Les sous-marins sont presque toujours des navires militaires , ils peuvent descendre jusqu’à 300 ou 400m de profondeur … enfin environ  , c’est peut être plus … mais secret-défense !



Ils sont équipés de matériel de détection sonore très sophistiqué … mais dans un sous-marin , il n’y a pas de hublot , ce n’est donc pas avec un sous-marin qu’on pourra explorer visuellement les fonds autour du Mont La Pérouse !


Le corps humain en plongée

Le corps humain n’est pas spécialement adapté pour aller sous l’eau, mais avec un équipement de plongée, on peut descendre jusqu’à 120m de profondeur (60m en plongée loisir) . A cette profondeur, la pression est 13 bar.
Comment le corps peut-il résister ?
               - les tissus sont composés en majeure partie d’eau qui est incompressible
               - les espaces « creux » (nez , bouche, poumons , sinus , oreilles) sont remplis d’air  , mais  l’air apporté par les bouteilles d’air comprimé est exactement et automatiquement distribué à la même pression que l’eau.

Il n’y a donc pas de déséquilibre et d’écrasement , la limitation de la profondeur est due à un autre facteur : la dissolution des gaz (oxygène et azote ) dans le sang et les tissus.

Donc des plongeurs peuvent réaliser des explorations avec du matériel courant de loisir jusqu’à 60m de profondeur .
De 60m et jusqu’à 120m , des équipements et des gaz adaptés sont nécessaires et ces plongées sont réservées à des professionnels.
Pour l’expédition sur le Mont La Pérouse , les plongées sont réalisées par une équipe de plongeurs professionnels dirigée par Laurent Ballesta  ( https://fr.wikipedia.org/wiki/Laurent_Ballesta )





Les engins sans pilote à bord

Un véhicule sous-marin téléguidé (ou ROV, Remotely Operated underwater Vehicle) est un petit robot sous-marin contrôlé à distance (généralement filoguidé), contrairement au robot sous-marin autonome (AUV, Autonomous Underwater Vehicle). Comme leurs homologues aériens, ces drones permettent une acquisition rapide et sécurisée d’informations globales ou précises, physicochimiques et visuelles (sous forme numérique notamment), assez rapidement, à distance de l'opérateur et parfois "en masse". Certains ont une fonction de plateforme pouvant être équipée à la demande de bras de prélevement ou de divers capteurs.

ROV filoguidé équipé de camera et de pinces   : ils ont une grande autonomie et un retour video grâce au câble , mais sont peu maniables et sensibles au courant et la profondeur est limitée par le câble (environ 100à 200m)


Devenez pilote de ROV ! : https://www.youtube.com/watch?v=_lKEfGwlLrY

AUV équipé de sondeur, de caméras et d’un système de navigation autonome : profondeur maxi 300m , il nécessite un bateau d’assistance pour la mise à l’eau et le suivi .

Ces AUV ont pour mission le balayage d’une zone afin d’y recueillir différentes données (relief , épaves , fuites  …)
https://www.youtube.com/watch?v=Ufir2MrZBVM



3.      Comparaison des différentes techniques d’exploration




Plongeur
Sous-marin de poche
Sous -marin militaire
Bathyscaphe
ROV
AUV
Profondeur maxi
120m
20m à 1000m selon engins
400m
10000m
100m à 200m selon câble et courants
100m à 300m selon les engins
Vision des fonds
Très bonne
Variable selon dôme ou hublots
Nulle
Très limitée ( petit hublot)
par caméra en direct
Par camera sans retour direct
Maniabilité
Très bonne
moyenne
Faible
Très limitée
Limitée par le câble
moyenne
Autonomie
1h maxi
Plusieurs heures
Plusieurs mois
Plusieurs heures
Alimenté par le câble
Quelques heures
Cout d’utilisation
/
+
+++
++
+
++
Prélèvement d’échantillons
Oui
Non
Non
Non
Possible
non
Capteurs physico-chimiques


Sonar
Non
Oui
Oui


Suggestion d’activité :
Donner le tableau ci-dessus ou le laisser vierge pour choisir la méthode d’exploration la mieux adaptée pour :
               - étudier une épave dans une eau froide à 50m de fond
               - explorer le volcan en train de naitre au large de Mayotte (sommet à 3500m de profondeur)
               - inventorier la faune et la flore sur le sommet du Mont La Pérouse à environ 100m de profondeur
               - rechercher les formes de vie sur les flancs du Mont La Pérouse entre 100m et 500m de profondeur

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