Un bocal d’une hauteur de 18 m\u00e8tres pourrait \u00eatre compar\u00e9 \u00e0 un barom\u00e8tre de mercure utilis\u00e9 pour mesurer la pression atmosph\u00e9rique. Le barom\u00e8tre se compose en fait d’un tube de verre de 6,35 mm de diam\u00e8tre, dont l’extr\u00e9mit\u00e9 ouverte (en bas) repose dans un bassin rempli de mercure. Le mercure dans l’extr\u00e9mit\u00e9 sup\u00e9rieure du tube reste en suspension \u00e0 environ 2,5 cm du haut du tube et se trouve \u00e0 environ 76 cm au-dessus de la surface du bassin de mercure. La longueur de la colonne correspond \u00e0 la pression atmosph\u00e9rique ou barom\u00e9trique, qui est de 1 kgf\/cm² au niveau de la mer. En cas d’orage ou si le barom\u00e8tre est emport\u00e9 en haut d’une montagne (comme le faisaient les physiciens au 17e si\u00e8cle), la hauteur de la colonne de mercure diminue \u00e0 mesure que la pression barom\u00e9trique baisse.
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La colonne de mercure contenue dans le tube est pouss\u00e9e vers le haut en raison de la force exerc\u00e9e par la pression atmosph\u00e9rique sur la surface du bassin. L’espace « vide » au sommet du tube est en r\u00e9alit\u00e9 rempli des vapeurs \u00e9mises par le mercure. Pour illustrer ce point, on pourrait fabriquer un barom\u00e8tre avec de l’eau de mer \u00e0 la place du mercure (en veillant \u00e0 \u00e9viter tout contact physique avec le mercure \u00e9tant donn\u00e9 sa toxicit\u00e9). Si l’extr\u00e9mit\u00e9 ferm\u00e9e d’un tube rempli d’eau de mer \u00e9tait progressivement \u00e9lev\u00e9e au-dessus du niveau de la mer, il resterait enti\u00e8rement rempli d’eau jusqu’\u00e0 ce qu’il atteigne une hauteur de 10 m\u00e8tres au-dessus de l’eau. Au-del\u00e0 de cette hauteur, l’eau de mer se stabiliserait \u00e0 la hauteur de 10 m\u00e8tres et cesserait de monter dans le tube, ind\u00e9pendamment de la hauteur \u00e0 laquelle celui-ci serait\u00e9lev\u00e9.
Si le tube \u00e9tait suffisamment large pour accueillir un plongeur, celuici sentirait la pression baisser \u00e0 mesure qu’il remonterait \u00e0 l’int\u00e9rieur du tube.
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Le fonctionnement est exactement le m\u00eame dans un barom\u00e8tre au mercure. Des barom\u00e8tres \u00e0 l’eau douce ont \u00e9galement \u00e9t\u00e9 fabriqu\u00e9s, mais au lieu de mesurer 76 cm de haut, ils mesurent 11 m\u00e8tres de haut. En effet, une pression de 1 atmosph\u00e8re correspond \u00e0 la pression exerc\u00e9e par une colonne de 11 m d’eau douce, ou une colonne de 76 cm de mercure, ou encore une colonne de 10 m d’eau de mer. L’espace vide en haut du barom\u00e8tre est constitu\u00e9 de vapeurs d’eau \u00e0 une pression de 0,05 atmosph\u00e8re absolue (ata). La pompe aspirante Un barom\u00e8tre \u00e0 eau et une pompe aspirante ont beaucoup d’\u00e9l\u00e9ments en commun. Si vous ouvrez l’extr\u00e9mit\u00e9 sup\u00e9rieure du barom\u00e8tre de telle sorte que le tube est en contact avec l’air ambiant, l’eau retombe au niveau de la mer. Que se passe-t-il si on referme l’extr\u00e9mit\u00e9 sup\u00e9rieure du tube et qu’on y fait le vide \u00e0 l’aide d’une pompe aspirante afin de faire remonter l’eau de mer dans le tube ? <\/p>\n
L’eau monte jusqu’\u00e0 une hauteur de 10 m\u00e8tres, puis s’arr\u00eate. Dans un puits d’eau douce, il est impossible de pomper de l’eau \u00e0 une profondeur sup\u00e9rieure \u00e0 11 m\u00e8tres, de m\u00eame que l’eau contenue dans un barom\u00e8tre \u00e0 eau douce ne montera pas plus haut que 11 m\u00e8tres. Des explications plus pr\u00e9cises concernant ce ph\u00e9nom\u00e8ne seront fournies plus loin. Plonger en altitude Qu’est-il arriv\u00e9 au poisson qui est remont\u00e9 dans le bocal de Shayne Pemberton dans sa mare aux tortues ? Et qu’arriverait-il \u00e0 un plongeur s’il pouvait s’infiltrer dans un barom\u00e8tre \u00e0 eau ? Tout d’abord, rappelons que la pression au niveau de la mer, c.-\u00e0-d. en bas de la colonne d’eau, est d’une atmosph\u00e8re (1 ata) et que la pression de la vapeur d’eau se trouvant dans l’espace en haut de la colonne d’eau, c.-\u00e0-d. 10 m\u00e8tres plus haut, est de 0,05 ata. <\/p>\n
Si le plongeur remontait de 5 m\u00e8tres dans la colonne d’eau, la pression absolue serait d’une demi-atmosph\u00e8re absolue (0,5 ata), soit l’\u00e9quivalent de la pression barom\u00e9trique \u00e0 une altitude de 5,486 m\u00e8tres. Si le plongeur remontait \u00e0 7 m\u00e8tres, la pression ne serait plus que de 0,3 ata, ce qui \u00e9quivaut \u00e0 la pression barom\u00e9trique rencontr\u00e9e \u00e0 une altitude de 9,144 m\u00e8tres. Le sommet du mont Everest se trouve \u00e0 8 839 m\u00e8tres d’altitude,et la combinaison spatiale d’un astronaute contient une pression \u00e9quivalente \u00e0 la pression atmosph\u00e9rique \u00e0 une altitude de 9 235 m\u00e8tres. Notre plongeur se trouve dans un monde artificiel sujet \u00e0 deux probl\u00e8mes de plong\u00e9e tr\u00e8s improbables. Premi\u00e8rement, un plongeur qui respirerait de l’air \u00e0 7 m\u00e8tres dans la colonne d’eau perdrait connaissance en raison du manque d’oxyg\u00e8ne (hypoxie), parce que la pression partielle d’oxyg\u00e8ne \u00e0 9 000 m\u00e8tres est de 0,06 atm seulement, ce qui correspond \u00e0 6 % au niveau de la mer. Pour \u00e9viter l’hypoxie, la combinaison spatiale d’un astronaute est remplie d’oxyg\u00e8ne pur. <\/p>\n
Deuxi\u00e8mement, le plongeur d\u00e9velopperait une maladie de d\u00e9compression (MDD) d’altitude invalidante, voire mortelle, \u00e9tant donn\u00e9 que l’azote dissous dans ses tissus passerait \u00e0 l’\u00e9tat gazeux et formerait des bulles. Pour \u00e9viter la MDD, les astronautes respirent de l’oxyg\u00e8ne pur pendant une dur\u00e9e pouvant atteindre 4 heures au niveau de la mer afin d’\u00e9liminer tout l’azote dissous dans leurs tissus avant de faire l’objet d’une d\u00e9compression leur permettant de rev\u00eatir leur combinaison spatiale. Prenons l’hypoth\u00e8se de l’environnement artificiel suivant : une colonne d’air (comprimable) de 330 48 m\u00e8tres de haut est remplac\u00e9e par une colonne d’eau de mer (incompressible) de 10 m\u00e8tres de haut. Les deux colonnes exercent le m\u00eame poids \u00e0 la surface de l’oc\u00e9an. Une plong\u00e9e dans un barom\u00e8tre \u00e0 eau serait d\u00e8s lors un bon moyen d’illustrer les notions de pression relative et de pression absolue, si l’on pouvait \u00e9liminer les probl\u00e8mes d’hypoxie et de MDD.
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Une eau qui bout n’est pas n\u00e9cessairement bouillante Pourquoi la hauteur de la colonne d’eau dans un barom\u00e8tre d’eau de mer est-elle limit\u00e9e \u00e0 10 m\u00e8tres, et pourquoi est-il impossible de pomper de l’eau douce dans des puits plus profonds que 11 m\u00e8tres ? La r\u00e9ponse repose sur un ph\u00e9nom\u00e8ne d’\u00e9bullition. \u00c0 temp\u00e9rature ambiante (22 °C), la pression de la vapeur d’eau est de 0,05 atm. \u00c0 mesure que l’eau se r\u00e9chauffe, la pression de la vapeur augmente. Une fois que la temp\u00e9rature atteint 100 °C, la pression de la vapeur d’eau est d’une atmosph\u00e8re (1 atm). Cela signifie que l’eau bout lorsque la pression de la vapeur est \u00e9gale \u00e0 la pression absolue. Voyons cela sous une autre perspective. Lorsque l’on se trouve en haut d’une montagne, l’eau bout \u00e0 une pression (de vapeur) inf\u00e9rieure car la pression barom\u00e9trique est plus basse. L’inverse est \u00e9galement vrai, par exemple dans une casserole \u00e0 pression, la pression est augment\u00e9e afin que l’eau bouille \u00e0 une temp\u00e9rature plus \u00e9lev\u00e9e.<\/p>\n
Formation de bulles lors de la d\u00e9compression<\/strong><\/p>\n Pour expliquer la formation de bulles pendant la d\u00e9compression, nous pouvons tirer une le\u00e7on des informations pr\u00e9c\u00e9dentes. Des bulles se forment lorsque la somme des pressions partielles de tous les gaz dissous (azote, oxyg\u00e8ne, dioxyde de carbone, h\u00e9lium, etc.), ajout\u00e9e \u00e0 la pression de la vapeur d’eau, d\u00e9passe la pression absolue. C’est ce que l’on appelle la « sursaturation ». Il convient toutefois de pr\u00e9ciser que pendant une plong\u00e9e, contrairement au cas de l’eau qui bout, la pression de la vapeur d’eau est beaucoup plus faible que la pression partielle de l’azote dissous, de sorte que c’est l’azote, et non la vapeur d’eau, qui conduit \u00e0 la formation de bulles. Certains th\u00e9oriciens de la d\u00e9compression affirment qu’il est possible d’atteindre des niveaux de sursaturation plus \u00e9lev\u00e9s sans que des bulles ne se forment dans le sang et les tissus, mais si c’est le cas, il ne peut s’agir de niveaux beaucoup plus \u00e9lev\u00e9s. Des bulles dites « silencieuses », qui ne provoquent pas de signes ou sympt\u00f4mes de MDD, peuvent \u00eatre pr\u00e9sentes apr\u00e8s toute plong\u00e9e, m\u00eame celles \u00e0 faible risque. Les technologies de d\u00e9tection de bulles par ultrasons permettent de d\u00e9tecter des bulles dans l’organisme \u00e0 des niveaux de sursaturation aussi faibles que 0,4 atm (4 m\u00e8tres d’eau de mer). Peut-\u00eatre que les sursaturations plus importantes dont il est fait mention dans les th\u00e9ories de d\u00e9compression ne se r\u00e9f\u00e8rent qu’aux bulles « pathologiques », et non aux bulles silencieuses qui sont trop petites ou qui ne se forment pas dans les tissus o\u00f9 elles sont susceptibles de causer des sympt\u00f4mes. Nous pouvons tirer une autre le\u00e7on, un peu plus exotique cette fois, de la formationde bulles : de la vapeur d’eau ne se d\u00e9gage de la surface de l’eau qu’en la pr\u00e9sence d’une surface gazeuse adjacente. S’il n’y avait pas de surface gazeuse dans le barom\u00e8tre \u00e0 eau, il serait possible d’\u00e9lever la colonne d’eau \u00e0 des milliers de m\u00e8tres dans l’air et de faire monter l’eau jusqu’en haut du tube du barom\u00e8tre. Aussi \u00e9trange que cela puisse para\u00eetre, la pression au sommet de la colonne d’eau serait inf\u00e9rieure de plusieurs centaines d’atmosph\u00e8res par rapport \u00e0 la pression atmosph\u00e9rique. Ce ph\u00e9nom\u00e8ne a \u00e9t\u00e9 d\u00e9montr\u00e9 de fa\u00e7on exp\u00e9rimentale avec de l’eau tr\u00e8s claire et avec de l’eau port\u00e9e \u00e0 une temp\u00e9rature extr\u00eamement \u00e9lev\u00e9e sans qu’il y ait \u00e9bullition, alors que la pression de la vapeur d’eau est plusieurs centaines de fois plus importante que la pression atmosph\u00e9rique. Lorsqu’une bulle d’eau pure finit par se former, cela signifie que l’eau a atteint sa limite de rupture et commence \u00e0 se « d\u00e9chirer ». C’est ce qu’on appelle la formation de bulles de novo, ou « \u00e0 partir du n\u00e9ant ». En r\u00e9alit\u00e9, les bulles se forment pratiquement toujours \u00e0 partir de « quelque chose », en g\u00e9n\u00e9ral une petite cavit\u00e9 de gaz (que ce soit dans l’eau de mer ou dans l’organisme).<\/p>\n \u00c0 propos de l’auteur<\/strong><\/p>\n Richard Vann a rejoint le Centre de m\u00e9decine hyperbare et de physiologie environnementale de l’universit\u00e9 de Duke dans le cadre de la r\u00e9alisation d’un doctorat en ing\u00e9nierie m\u00e9dicale. Il a \u00e9tudi\u00e9 les ph\u00e9nom\u00e8nes li\u00e9s \u00e0 la formation de bulles et aux \u00e9changes de gaz inerte. Il a d\u00e9velopp\u00e9 les proc\u00e9dures de d\u00e9compression utilis\u00e9es dans le domaine de la plong\u00e9e scientifique et par les astronautes lors de leurs activit\u00e9s extrav\u00e9hiculaires depuis la Station spatiale. Richard Vann occupe le poste de vice-pr\u00e9sident de la recherche chez DAN.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Un bocal d’une hauteur de 18 m\u00e8tres pourrait \u00eatre compar\u00e9 \u00e0 un barom\u00e8tre de mercure utilis\u00e9 pour mesurer la pression atmosph\u00e9rique. Le barom\u00e8tre se compose…<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":11373372,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"categories":[386],"tags":[],"authors":[1626],"class_list":["post-11383093","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-articles","authors-richard-vann-fr_fr"],"acf":[],"yoast_head":"\n
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