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
- 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.
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.
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.
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
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
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)
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
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.
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
- 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 = )
- 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.
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 )
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
- 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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