Depuis toujours la mer fascine …
Malgré le fait qu’il n’y soit pas destiné,l’homme brave sa condition de mamifère terrestre et se confronte à ce milieu qui lui est physiquement hostile,par necessité ou par plaisir;celui d’explorer les mysterieuses abysses de l’ocean,de se laisser émerveillé par le cocktail de couleurs où se melent faune et flore,par la majestuosité d’un squale ou encore par cet étrange et absolu silence.On peut plonger pour aller profond,pour voir des choses ou juste pour se sentir "comme un poisson dans l’eau";pour évoluer dans ce nouveau milieu avec une liberté qui ne semble être compromise que par nos premiers instincts.Pourtant, le besoin de respirer n’est pas le seul facteur à limiter la durée et la profondeur de notre aventure.
la Pression :
Tout d'abord,voyons si la profondeur ,en apnée,peut avoir des conséquences nuisibles pour le plongeur.Au fur et à mesure de la descente,la pression augmente.Mais celle-ci n'a de répercution que sur les parties du corps qui coontiennent de l'air.Il faut savoir que notre corps est constitué d'environ 65% d'eau,incomprésible(information tirée du document internet Performance Nutrition For Athletes http://www.recupfast.com/french/teksten/water.htm).On peut donc en déduire que les parties corporelles qui en sont intégralement composées sont parfaitement insensible à l'augmentation de pression.Par contre,pour les autres ,c'est-à-dire :les poumons;les sinus frontaux et maximiliaires;la trompe de stache;l'oreille moyenne;les éventuelles bulles de CO2 contenuent à l'intérieur du tube digestif;et (très rarement)une infime quantité d'air infiltrée à l'intérieur d'une dent,ils peuvent être suceptible de poser des problèmes plus ou moins graves lors d'une plongée.
Pression hydrostatique et absolue : Avant de nous consacrer à ces parties contenant du gaz ,rappelons avant, quelques notions de la physique élémentaire afin de mieux évaluer ce que représente la pression hydrostatique et atmosphérique.L'air constitué d'environ 20% d'oxygène,et 80% d'azote a une masse de1.3kg/m3,et l'atmosphère constitué d'air à cette densité a une épaisseur de 10km environ.Ainsi,au niveau de la mer (à une altitude 0),on ressent une pression de 1.3kg/m2 # (=multiplié) 10m/s2 # 10.000m =130.000Pa(=Newton/m2).Cependant, étant donné qu'avec l'altitude,la composition de l'air change légèrement (elle est moins dense en altitude),on retiendra le chiffre de101325Pa,ce qui équivaut à 760mmHg(millimètre de mercure) ou 1 atmosphère.L'unité de mesure qui nous intéresse est le bar qui correspond à10^5Pa ou encore le torr qui est égal à 1.333 # 10^2Pa.On peut donc après calcule dire que la pression atmosphérique de 101325Pa est égal à 1,01325 bar
;pour simplifier nous arrondirons à 1 bar . (notions fournis par le cours OS Chimie de Mme Ryser et par l'ouvrage plongée en sécurité chap."lois physique")
Pour ce qui concerne l'eau douce, celle-ci a une masse de 1000kg/m3,et pour l'eau de mer 1030kg/m3.Nous consacrerons plutôt nos calcules à l'eau de mer qui représente en moyenne 97,2% de la quantité total d'eau présente sur terre.(informations tirées du document internet "l'eau sur terre" INRP Académie des sciences http://www.inrp.fr/lamap/scientifique/milieu_vie/essentiel/eau_terre.htm).Par conséquent,chaque 10 mètres la pression augmente de 10m # 10m/s2 # 1030kg/m2=103.000Pa ,soit environ 1 bar de pression .On peut donc dire que 10mètres d'eau (salée ou non) représente à elle seule la pression d'un atmosphère.
Ainsi,la descente en apnée qui peut de nos jours très largement dépasser la profondeur de 100mètres provoque des pressions énormes non négligeable sur les régions physiques contenant un gaz quelqu'il soit... (notions fournis par le cours OS Chimie de Mme Ryser et par l'ouvrage plongée en sécurité chap."lois physique")
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Influence des pressions sur les volumes avec la loi Boyle-Mariotte : La source des problèmes vient directement de l' influence de cette pression sur les volumes de gazes.Le volume est inversément propotionel à la pression (loi de Boyle-Mariotte).Considérons la formule suivante: Volume Initial # Pression Initial =
Volume Final # Pression Final.Ainsi,1m3 d'air à la surface,qui correspond à 1000litres d'air va avoir à 10 mètres de profondeur un volume de 1000l # 1bar / 2bar =500 litres;
à 20mètres un volume de 1000 # 1 /3 =333litres;à 50mètres 250litres ;à100mètres de 100litres soit 10 fois plus petit qu' au départ.
(notions fournis par l'ouvrage plongée en sécurité chap."lois physique")
Dans les compétitons de l’AIDA ,il ya plusieurs catégories d’épreuves dont l’apnée statique,où le competiteur a pour but de rester sous l’eau le plus longtemps possible, et l’apnée "no limits" qui évalue la profondeur maximum atteinte par les competiteurs.Ceux-ci peuvent s’aider de poids et de ballons pour descendre et remonter plus rapidement.Ainsi, nous avons choisit d’orienter notre travail selon 2 axes de recherche principaux:
L’apnée étant une suspension prolongée de la respiration,l’apport vital en oxygène est alors interompu.Si le laps de temps durant lequel l’organisme peut se priver d’oxygène est dépassé,alors l’apnée devient fatale.
L’apnée se délimite également dans la profondeur,car plus on descend profondément plus la pression absolue augmente;lorsque celle-ci croit, l’absorbtion des gaz dans l’organisme et leur toxcicité croit également,et ce jusqu’a un seuil fatal.
Cette marche à suivre se réfère à celle proposée par Jacques H.Corriol dans son livre intitulé "la plongée en apnée,physiologie et médecine"(2e édition).
-Citation tirée de l'ouvrage LA PLONGÉE EN APNÉE :PHYSIOLOGIE
ET MEDECINE (2E EDITION)
"Es-tu arrive jusqu'aux sources de la mer,au fond de l abîme t'est tu
promené? As tu découvert les portes de la mort..."(Iahné
dit à Job).
Nous avons eu l'idée d'aborder la problématique de notre travail de maturitée par cette phrase qui, selon mon collègue et moi même résume bien l'un des graves problème dont souffre la plupart des sports extrêmes dont l'apnée fait incontestablement partie.En effet, aujourd'hui l 'homme toujours en quête de nouvelles sensations exerce des activités qui, contrairement à autrefois ne font plus l'objet d occupation indispensable à sa survie.Si celui-ci s exposait effectivement au danger c'était uniquement dans le but de pouvoir satisfaire ses biens de première nécessité... Ainsi,si le pêcheur partait chaque matin risquer sa vie sur les flots ,c'était pour pouvoir ramener le poisson dont il avait tant besoin pour se nourrir lui et sa famille.
Cependant,de nos jours les hommes se mettent à pratiquer des sports de plus en plus dangereux,de plus en plus extrêmes.Que ce soit en apnée le nombre d'accident grave ne fait que s'accroître d'année en année,étant donné l'investissement considérable que les compétiteurs doivent mettre en oeuvre pour espérer établir de nouveaux,d'extraordinaires records.Mais à quel prix?Pourquoi? l'objet de notre travail n'est pas de déterminer ce qui le pousse à agir de cette manière,mais de savoir jusqu'où pourra-t-il comme ça repousser indéfiniment ces limites.Dans les années 50 (l'époque des première compétitions de profondeur),les premiers scientifiques à se pencher sur la question d'une profondeur maximales l'estimèrent aux alentours de 40mètres.Très largement dépassé,ils durent revoir leurs études à plusieurs reprisent.En 1996 le professeur X affirmera dans l'émission" LA PREUVE PAR CINQ" l'adaptation physiologique"HOMO DELPHINUS :"Il est guère envisageable de dépasser la profondeur de 130 ou 140 mètres".Pourtant le 18 janvier 2000 Francisco "Pipin" Ferreras affichera la profondeur de 162 mètres à Quintana Roo,Cozumel (Mexique).On peut se poser la question de savoir jusqu'où pourrra comme ça descendre le compétiteur avec sa volonté acharnée de détenir l'unique,le magnifique records d'apnée?...
Examinons point par point les conséquences de la profondeur sur nos régions contenant du gaz:
-Le tube digestif : pour ce qui concerne tout d'abord les bulles de CO2 qui peuvent se trouver à l'intérieur du tube digestif ,elles sont suceptibles de provoquer des douleurs lors de la remontée qui s'effectue, en apnée durant un laps de temps extrêmement court.En effet,durant la descente ces bulles diminuent de volume sous l'effet de la pression,et se regroupent pour former des bulles de volume similaire à celles présente lorsque le plongeur était encore en surface.Cependant,pendant la remontée les bulles de gaz se dilatent pour prendre finallement des volumes nettement supérieurs à ceux de départ engendrant de brutales douleurs au niveau du colomb et des flatulences.D'autre part,l'action de la pression hydrostatique sur l'abdomène du sujet immergé entraîne un déplacement du diaphragme vers l'extêmité céphalique.Ce déplacement distend l'estomac et peut ,en plus d'accentuer le problème précédent,aggraver le reflux gastro-oesophagien et peut entraîner des vomissements.
Pour remédier à ça,un régime alimentaire approprié s'impose avant chaque apnée relativement profonde.Par ailleurs,si cette apnée est pratiquée à une très grande profondeur (supérieur à 50mètres),un lavage des voies digestives (une purge gastrique) permetterait d'exclure totalement le moindre problème de ce genre.
(informations transmisent par le docteur Alexandre Restellini gastro-entérologue de la clinique d'Onex)
-Une fissure de l'émail dentaire : un problème relativement rare mais qui peut avoir des conséquences désastreuse (au niveau de la sensation de douleur) peut survenir à cause d'une toute petite quantité d'air installée dans une fissure de l'émail dentaire ou à l'intérieur d'un trou laissé par une carie mal soignée ou mal obturée.En plongée,le temps de pénétration d'air à l'intérieur de la fissure étant indubitablement plus long que le temps d'évacuation qui à lieu durant la remontée (extêmement brève en apnée),la cavité peut se retrouver en surpression durant cette période.Les conséquences sont d'insupportables douleurs de la pulpe et du nerf dentaire ,voire l'éclatement de la dent.
Pour éviter ce type de problème la visite d'un stomatologue ou d'un dentiste est fortement recommandée(surtout pour les gens qui ont un grand nombre de plombages). (Polytechnique "les accidents bio-physiques",préparation au niveau 2 par Marc Sakiz)
-Les poumons :comme nous l'avons dit précédemment dans l'introduction,on pensait du temps des première plongées en apnée qu'au-delà de 40mètres la cage thoracique serait litéralement écrasée sous l'effet de la pression.On tenait le résonnement suivant:on prévoyait que si le volume pulmonaire de départ(ce qui correspond à l'inspiration en surface du sujet qui se prépare à plongée) devait être inférieur au volume résiduel qui est d'environ 1,5litre,il y aurait alors une dépression intrathoracique qui engendrait la compression de l'abdomen.Et étant donné que le volume total moyen d'une personne relativement entaîné vaut 7,5litres,on a donc grâce à la loi de Boyle-Mariotte que la profondeur maximale vaut 40mètres (7,55l / 5bar =1,5litres),(Breath-Hold Diving,factors limiting the maximal diving death). Cependant,leur théorie avait négligé un certain nombre de paramètre comme notamment Le Transfert Sanguin communément appelé "Bloodshift".Lorsque l'on dépasse alors cette limite théorique,le vide relatif attire tout d'abord vers le thorax,une partie des viscères abdominaux,qui refoulent le diaphragme vers l'extrémité céphalique.Ce déplacement entraîne un afflux sanguin provenant des gros vaisseaux veineux et de ces viscères vers la circulation pulmonaire.Ce mouvement de fluide sanguin comble donc le vide relatif intrathoracique.
D'autre part,le risque d'hémorragie alvéolaire par rupture des parois capillaires à cause de l'accroissement des pressions transmuales semble faible car la limite de rupture des parois vasculaires est de l'ordre de 8 # 10^4Newton/m2,chiffre identique pour l'aorte et les capillaires.Ainsi,l'élasticité et la solidité des vaisseaux peuvent à eux seuls supporter l'équivalent de 8 mètres cube d'eau (8 # 10^4 /( 1 # 10^3 # 10 ) = 8),("plongée au-delà de la limite théorique", physilogie et médecine).
-Les voies aériennes :ensuite,pour ce qui est des sinus,de la trompe de stache et autres voies aériennes (toutes les parties qui composent l'oreille), nous les étudierons de manière commune car ces différentes cavités communiquent entre elles.Si l'on ne veut pas ressentir de douleur ou de graves complications au niveau du tympan principalement,il faut impérativement que le pression de ces voies soient équivalentes à la pression ambiante.Grâce à la méthode de Frenzel (ou éventuellement celle de Vasalva,un peu moins courante) qui conciste en la fermeture de la glotte et l'ouverture du pharynx,on peut à tout moment établir une pression égale à la pression extérieur lors de la descente.A la remontée, ce rééquilibrge devrait théoriquement se faire de manière spontané.Cette méthode relativement efficasse jusqu'à des profondeurs variables et indéterminées empêchent une dépression aérienne qui peut entraîner la rupture du tympan ainsi que de graves troubles auditifs.Il faut aussi noter que des infections préalables dans ces régions(sinusite;ottite ;ruhme etc.) peuvent obstruer le conduit auditif,ou fragiliser le tympan ce qui a pour effet de rendre plus difficile,voir impossible l'équilibrage des cavités. (notions fournis par l'ouvrage plongée en sécurité chap "L'oreille"ainsi que le manuel Open Water Diver Manual PADI)
Quant à la parfaite fiabilité de cette méthode;d'après Umberto Pelizzari,apnéiste professionnel,on commencerais à avoir de la difficulté à la pratiquer au-delà d'une profondeur de 80mètres(p.50 La Plongée en apnée physiologie et médecine" 2e édition).C'est pourquoi, ce dernier ainsi que les autres apnéistes de l'extême pratiquent une méthode quelque peu divergeant et sans masque qui conciste à remonter la langue contre le palais.Celle-ci se révélerait être nettement plus efficace et demanderait très peu d'effort ,ce qui permet une meilleure économie d'énergie( L'Apnée ou le Snorkelling http://lousonna.ch/paradive/apnee).
Pour conclure,on peut donc affirmer que les problèmes liés uniquement à la pression sont dans le domaine de l’apnée surmontable.Le seul obstacle à une descente en grande profondeur pourrait être celui de l’équilibrage des voies aériennes.En outre,les scientifiques travaille à l’heure actuelle sur de multiple procédés pour remédier à ce problème.Le remplissage de ces cavités par un liquide est un projet encore à l’étude,qui en théorie pourrait être parfaitement envisageable.Le port d’oreillettes étanches a déjà été mis au point, même si cette technique n’est pas encore directement conçu pour les plongées particulièrement profondes(Israel Magasine MFA article de Daniella Ashkenazy http://www.mfa.gov.il/mfa/go.asp?MFAH0gq40).
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La durée de l’apnée dépend aussi de facteurs extérieurs comme la température de l’eau ou les courants marins qui obligent le plongeur à utiliser davantage d’énergie soit pour maintenir sa température corporelle de 37 degrés soit pour maintenir une certaine stabilité.Ces éléments prient de façon qu’il soient le plus favorable à une apnée de longue durée, permettent en effet au métabolisme une économie d’oxygène et donc une meilleure performance.Ainsi,nous négligerons tout phénomène perturbateurs dans les théories expérimentales qui vont suivre.
-L’apnée volontaire :paradoxalement,ce n’est pas le manque d’oxygène qui est la première cause du " besoin de respire ",mais l’excès de CO2 dans le sang.Cet excès active le stimulus CO2 qui agit sur les chémocepteurs lorsque la pression de gaz carbonique est supérieur à 40 torr (ce qui correspond à 1,33 # 10^ -3 bar ou 1,33 # 10^2Pa).Parallèlement,il existe un deuxième stimulus(sensiblement moins efficasse) qui ,lui,se s'active de manière plus brusque par une action réflexe rapide lorsque la pression de O2 est inférieure à 150 torr.Pour prolonger au maximum la durée d'apnée volontaire ,l'hyperventilation permet entre autre de supprimer le stimulus CO2.A force d'effectuer une série d'insuflation rapide ;ce qui correspond à l'hyperventilation,la pression partielle de CO2 dans le sang baisse.Ainsi,le stimulus réagissant à un taux de CO2 excédant ,est trompé (physilogie et médecine,mécanisme de rupture de l'apnée,physilogie respiratoire). Par contre, cette méthode n'a casi aucune influence sur la pression partielle de O2 dans le sang ,car d'une part la saturation de l'hémoglobine passe de 97% à 98%,et d'autre part la réserve alvéolaire n'augmante que de 150ml environ (du fait de la pression de O2 qui passe de 100 à 120 torr),( p.39 physilogie et médecine).Ce procédé n'est malheureusement pas sans risque ,car le stimulus O2 ,uniquement,est insuffisant pour rétablir un niveau normal de ventilation à temps.Le risque de syncope est alors plus présent.Par ailleurs,l'hyperventilation peut entraîner certains effets secondaires indésirables sur le système nerveux comme des étourdissements;des fourmillements,des spasmes tétaniques etc.Ces phénomènes se faisant plus intense en répétant l'hyperventilation à plusieurs reprises.Malgré ces inconvénients,on peut rallonger la durée d'apnée volontaire de 60% en surface ou au repos ,et pour un sujet nageant relativement vigoureusement,de 30% à 40% maximum( p.42 physilogie et médecine).
-L'apnée involontaire :pour ce qui est maintenant de la durée d'apnée involontaire,c'est-à-dire la limite potentielle du corps humain à effectuer une apnée qui dépend uniquement des réserves en O2 emmagasinées à l'intérieur des poumons et dans le sang,et qui néglige tout autre aspect psychique lié au besion de respirer,nous allons essayer d'établir une durée théorique moyenne d'apnée.Si l'on admet que l'organisme consomme au repos entre 1800 et 2000 calories en 24 heures,soit 1,25 à 1,4 calories par minute,et que les combustions entretenues par un litre d'oxygène fournissent environ 4,8 calories,nous pouvons en déduire que le corps à besoin de 0,3 litre par minute pour subsister au repos (p.38,39 physilogie et médecine).Au début d'une apnée,en inspiration forcée,la réserve totale d'oxygène de l'organisme peut être estimée,en moyenne,à deux litres.Nous avons d'une part le volume total des poumons qui vaut 5litre,et comme l'air est compsé à 1/5 d'oxygène on a donc 1litre de O2 présent dans nos cavités alvéolaires,d'autre part un autre litre de gaz est fixé dans le sang sous forme d'oxyhémoglobine (plus éventuelllement quelques dizaines de millilitres dissous dans le plasma).Cependant,75% de ce capital est utilisable avant que de graves troubles (comme la perte de conscience) n'apparaissent(p.36 physilogie et médecine).C'est pourquoi,7.2 calories (mises à disposition par 75% de 2 litres,soit 1,5litre de O2),sachant que 1,3 calories correspond à 1 minute de consommation d'énergie par le métabolisme,la durée d'apnée en théorie vaut nécessairement 5,5 minutes.
Cependant,à l'heure actuelle le record d'apnée statique (et homologué) est détenu par Andy Le Sauce avec une durée de 7minutes et 35 seconde ("Le Monde De L'apnée",les records,http://www.chez.com/defaut/apnée/tableaux.html).On peut donc se demander comment est-il possible qu'il ait dépassé notre limite théorique?Si l'on calcule désormais le temps maximale d'apnée en comptant cette fois-ci absolument tout le volume d'oxygène mis à disposition par l'organisme (le 100% des réserves),on arrive alors à une durée moyenne de 7minutes et 33secondes;une valeur incroyablement proche du record du monde...
L'augmantation de la pression ambiante au cours de la plongée en apnée majore la pression partielle alvéolaire de O2.Il en résulte que la réserve d'oxygène alvéolaire est ainsi utilisée plus complètement qu'en surface,ce qui offre au plongeur une sensation de bien-être et permet de prolonger temporairement l'apnée en profondeur.Mais le fait que ce dernier hypothèque ainsi ces réserves,il risque l'hypoxie au fur et à mesure que la pression décroît,ainsi qu'un brutal manque d'oxygène au retour vers la surface( p.43 physilogie et médecine).Le risque est d'autant plus accentué que les variations de pression de CO2 sont beaucoup moins soudaine étant donné l'intervention de substances tampons,d'une part mais aussi de la grande quantité de CO2 présente dans le sang (120 à 150litres),d'autre part( p.107,39 physilogie et médecine).Ainsi,l'infime décroissance de la pression de CO2 (d'une dizaine de torr seulement) à la remontée appaise suffisemment "la soif d'air" pour intensifier le risque de syncope.
-La vasoconstriction :des études menées par Scholander, Olsen et coll.(1962) sur des plongeurs de perles indigènes du Détroit de Torrès en mesurant la lactacidémie (taux d'acide lactique),ont révélées que les muscles du plongeur travaillent essentiellement en anaérobiose durant l'immersion.Schaefer put montré,par exemple qu'au cours de plongées à 27,4mètres avec des apnées de 90secondes,que le contenu lactique du sang était 5 fois supérieur à la normale.
En outre,ils purent mettre en évidence une vasoconstriction musculaire intense(contraction des vaisseaux sanguins)qui prouverait que les muscles seraient alimentés en énergie fournie par la fermentation et non la combustion de l'oxygène,ce mécanisme ayant lieu dans une perspective d'éconmie d'oxygène.Campbell constat que le débit de l'avant-bras est réduit à moins de 10% de sa valeur initiale et la pression artérielle croît de 20 torr (p.81" effets cardio-vasculaires" physilogie et médecine).
-La bradycardie :ce phénomène qui correspond à un ralentissement cardiaque et à une redistribution du sang dans l'organisme aurait pour effet de diminuer la consommation d'énergie par les organes non strictement indispensable au maintien de la vie,et cela au bénéfice des organes "nobles"(coeur et système nerveux central).En effet,l'expérience à montrée que l'apnée combinée à l'immersion de la face provoque une bradycardie de l'ordre de 20% chez les novices,et dépassant 30% chez les sujets entraînés(p.80 " effets cardio-vasculaires" physilogie et médecine).
Cependant,les durées d'apnée les plus prolongées ne sont pas l'apanage des plongeurs présentant les bradycardies les plus fortes.Sterba et Lundgren (1988) ont montré qu'il n'existe pas de corrélation significative entre l'intensité de ce phénomène physiologique et la durée d'apnée),("Influence de la bradycardie d'immersion sur la durée de l'apnée", physilogie et médecine).
Plus un plongeur descend profond, plus il doit insufler d’air dans la trompe d’Eustache afin de compenser la pression absolue.D’autre part, le VRE (volume de reserve expiratoire) represente le volume d’air qui s’échappe lors d’une expiration forcée,celui ci vaut 1,5 l,à la pression atmosphérique (Plongée passion)
Considéront que le volume de la trompe d’Eustache soit égal à 0,05 l.
Pour une profondeur de 10 m. :
La pression externe exercée sur la trompe d’Eustache est de 2 bar.La pression dans la trompe d’Eustache doit alors également être de 2 bar,pour qu’il ne se crée pas de désequilibre.Il faut alors doubler le volume d’air dans la trompe pour que la pression y soit également doublée (car la pression est proportionelle a la quantité d’air), il faut donc insufler 0,05 l d’air (à un bar de pression), en + dans la trompe d’Eustache.
Pour une profondeur de 50m. :
La pression externe exercée sur la trompe d’Eustache est de 6 bar.Il faut donc que le volume d’air dans la trompe soit mutiplié par 6.Ce volume vaut donc 0,05*6=0,3 l.Il faut donc insufler 0,25 l d’air (à un bar de pression), en + dans la trompe d’Eustache.
Pour une profondeur de x m.:
La pression externe exercée sur la trompe d’Eustache est de La pression externe exercée sur la trompe d’Eustache est de (x/10 + 1) bar.Le volume d’air dans la trompe d’Eustache doit être de (0,05 * (x/10 + 1)).Il faut ainsi insufler (0,05 * (x/10 + 1))- 0,05 l d’air (à un bar de pression), en + dans la trompe d’Eustache.
On peut ainsi créer une fonction,qui nous donne, en fonction de la profondeur la quantité d’air à insufler dans la trompe.
F(x)= (0,05 * (x/10 + 1))- 0,05.
Il nous reste à calculer à quel profondeur,le volume maximum d’air pouvant être expiré (VRE) est-il entièrement insufler dans la trompe d’Eustache.
F(x)= 1,5 x vaut 300 m.Cette fonction est donc definie pour x entre 0 et 300.
300m. constitue donc une limite,si bien entendu ces calculs correspondent a la réalité (que je soupconne plus complexe),et si la valeur du volume de la trompe d’Eustache est correcte.Rappelons aussi que le VRE est une valeur moyenne.Pourtant il est très peu probable que l’on puisse un jour s’en aproché.
Il est bien entendu que le volume d’air insuflé dans la trompe,provient des poumons.Cette quantité précieuse d’air est donc pendant la descente prélevée des poumons et soustrait au plongeur.
En 1993,Umberto Pelizzari atteint 123 m. (Plongée passion).A une telle profondeur,selon ma formule, la quantité d’air insuflé dans la trompe est de 0,615 l.Ce qui est tout de même considérable.Il serait possible de calculer a combien de temps suplémentaire cet quantité d’air correspond,puis ensuite effectué une moyenne du temps en fonction de la profondeur, efféctué par l’apnéiste et ainsi calculer la profondeur supplémentaire éventuelle qu’il aurait pu atteindre.Mais tout cet air n’étant pas insufler d’un coup avant la descente, mais progressivement,il se charge également en CO2 et n’est plus aussi riche en oxygène qu’au départ,les valeurs seraient donc éronnées.Il faut aussi rappeler que cet air n’est pas totalement perdu puisqu’a la remontée,la pression externe baisse et la trompe restitue automatiquent
l’excedent d’air .
Dans ce cas, la plupart des adaptations que j’ai répertoriées visent à éviter à l’animal les effets toxiques des gaz et les accidents de décompression.Car,dans le cas de l’azote,même s’il est très peu probable que l’animal fassent un accident de décompression lors de sa première immersion,(la quantité d’air étant limité au seul volume des poumons, contrairement au plongeur en scaphandre, qui non seuleument,effecue pusieurs respirations mais de plus au fur et à mesure qu’il descend l’air innalé est de plus en plus comprimé,ce qui augmente la quantité de gaz,absorbé) le danger réside en l’accumulation d’azote au cours de plongée répétée.En effet cet accident à déja été observé chez l’homme, dans le cas de pêcheur de perles notamment; il s’appelle "accident de Taravana"
Dauphin: -Cet animal possède également une cage thoracique . souple,qui,lorsqu’elle subit la pression,permet de presser l’air dans les circuits respiratoires.La diffusion de l’O2 est ainsi favorisée au détriment de celle de C02.
-volume de sang important
-Taux d’hémoglobine et de myoglobine (protéine stockant l’O2 dans les tissus musculaires) élevé.
-Présence d’un organe encore méconnu chez les cétacés:le retia mirabilia qui semblerait réguler la circulation sanguine vers le cerveau.
-bradycardie
-vaso-constriction des artères sous l’effet de la pression,ce qui stoppe le flux sanguin vers les organes non nobles,comme l’estomac,par exemple.Ainsi ces organes non irrigués consommeront moins d’O2.
-un minimum d’O2 est consummé afin de maintenir la chaleur corporelle, car le daupin jouit d’une bonne isolation termique:la surface d’échange thermique entre la peau et l’eau est relativement petite,la peau comporte une importante couche de graisse isolante irriguée et réchaufée par du sang chaud.
-Il possède un diaphragme très puissant, car il peut expulser et aspirer un plus grand volume d’air par respiration. (Dauphins en liberté)
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Phoque: -Lorsque le phoque s’immerge,le rytme cardiaque ralentit (bradycardie).Il peut passer de 120 battemente par minute à la surface contre 4 en apnée.(plongée libre: du modèle écophysiologique à la performance humaine)
Ce qui a pour effet de diminuer la consommation d’O2 par le coeur lui-même et de limiter la consommation des autres organes. (Adaptations à la plongée du phoque de Wedell.)
-vasoconstriction:Les organes vitaux et nécessaire à la plongée (coeur, rétine, moelle épinière) sont mieux irrigués.
-Les systèmes de production d’énergies anaérobies sont limité aux organes mal irrigués (dù à la vaso-constriction),car cela engendre la formation de toxines tels que l’acide lactique.De plus l’acide lactique,heuresement pour l’animal, ne sera relaché dans le sang qu’à la remontée,car l’apport sanguin envers ces tissus est interrompu dù à la vasoconstriction.Une fois à la surface le phoque peut prendre juqu’à une heure pour éliminer l’acide lactique accumulé.
-Il semblerait que la rate du phoque joue le rôle de réservoir de globules rouges (environ 60%) chargés d’oxygène,qu’elle diffuserait dans le sang au cour de la plongée,ce qui, de plus, a tendance à augmenter le volume sanguin et par conséquant faire diminuer la concentration de CO2,celle d’O2 et de N2 et ainsi atténuer leurs effets toxiques. (Adaptations à la plongée du phoque de Wedell.)
2. Pourquoi ces animaux plongent-ils plus profond ?
Dans ce cas, la plupart des adaptations que j’ai répertoriées visent à permettre à l’ animal d’augmenter sa capacité à emporter avec lui un maximum d’ oxygène, à l’économiser.
Cachalot: -Présence de goutelettes d’huile résiduelle (dans l’air expiré par l’évent) initiallement contenue dans les circuits respiratoires.Il semblerait que cette huile absorbe l’azote.En effet,une baisse du taux d’azote permettrait au cachalot d’aller plus profond et d’y rester plus longtemps sans risquer d’accident de décompréssion ou de problèmes liés à la toxcicité du N2.(Dauphins en liberté)
Phoque: ADAPTATONS CONTRE LES EFFETS TOXIQUES DES GAZ
-Le phoque,suivant qu’il plonge profond ou non,adapte sa respiration à sa plongée.Ainsi,lorsqu’ il descend profond,il expire avant de plonger pour ne pas emporter trop d’azote dans ses poumons. Tout au long de de sa descente,le phoque laisse s’échapper de sa cage thoracique l’air chassé par la pression (et plus particulièrement vers 70 m.,là où l’azote devient considérablement toxique),ainsi la pression de l’air contenue dans les poumons baisse et moins de gaz (l’azote comme l’oxygene) ne penètrent son organisme . Cette technique lui permet d’éviter un accident de décompression et les effets toxiques de l’azote et de l’oxygène lorsque la pression partielle du gaz est trop élevée.Dans le cas d’une plongée peu profonde,le phoque peut utiliser entièrement ses capacités et remplir ses poumons au maximum. (Chapitre 3 Les échanges gazeux)
-Les poumons du phoque sont peu volumineux:350 ml seulement (Chapitre 3 Les échanges gazeux) ,ce qui, limitent sa quantité d’O2, mais également celle d’azote.
-Sous l’effet de la pression, l’air est chassé des poumons vers les bronches,qui sont incompressible,l’air qui y est logé ne subit plus la pression,ce qui réduit la quantité de gaz à pénétrer les circuits sanguins;de plus que les bronces ne sont que très peu irriguées. (Adaptations à la plongée du phoque de Wedell.)
AUTRES
-Le phoque ne possède pas de sinus
-Les glandes surrénal produisent une substance appelée cortisol qui a la propriété d’éviter les convulsions liées à la surpression. (Adaptations à la plongée du phoque de Wedell.)
Ces animaux pourvu par l’évolution de toutes les adaptations et caractéristiques citées au point 4 sont bien mieux destiné à affronter le milieu marin que l’homme.Dans cette synthèse nous allons évoquer quelques point de comparaisons entre ces espèces et l’homme.
-Cet animal est capable de renouveler, après une apnée, 80 à 90 % d’air par respiration, alors que l’homme n’en renouvelle que 10 à 15 %.Autrement dit, entre é apnée le daupin est capable de n’ effectuer que 2 respirations, alors que l’homme doit en effectuer une dizaine.(Dauphins en liberté).
-Le phoque présente une bradycardie plus marquée que chez l’homme.
-Son sang est constitué de 60 % d’hémoglobine contre 35 à 40 % chez l’être humain.
-Le phoque peut stocker jusqu’à 25,9 l d’ O2 alors que l’homme n’en stock que1,95 l.
-Les bronches de l’homme n’étant pas aussi rigides que celles du phoque laisse, sous l’effet de la pression, diffuser du gaz dans les tissus,ce qui a la facheuse tendance d’augmenter la quantité d’azote absorbé.
-Le sang représente 7 % de la masse totale de l’homme.Le sang représente 14 % de la masse du phoque.De plus un tiers de la masse de celui-ci,est dù à la graisse quin’est que très peu irriguée par le sang,cae qui laisse donc une pus grand quantité de sang pour les autres organes.
-La réprtion de l’oxygène chez l’homme est de: 36 % dans les poumons,51 % dans le sang et de 13 % dans les muscles.
La réprtion de l’oxygène chez le phoque est de: 5 % dans les poumons, 70 % dans le sang et de 25 % dans les muscles. (Adaptations à la plongée du phoque de Wedell.)
-Le phoque évite l’accident de Taravana(voir point 4), car il possède une cage toracique souple,il est ainsi obligé d’éxpirer avant la plongée et durant la descente afin de réduire le volume et la pression de l’air dans ces poumons.Quand à l’homme, il n’a pas besoin d’expirer car sa cage thoracique est semi-souple.C’est-à-dire qu’elle est compressible jusqu’à 60 m.Les gaz contenus dans les poumons, ne peuvent donc être comprimé a plus de 7 bar.Par contre la dépression aspire le sang, dans les capillaires proches des voies respiratoires, ce phénomène est appelé blodshift.Le système de cage thoracique humain est aventageux lorsque l’on ne plonge pas trop profond, car l’homme n’est pas obligé d’expiré et peut garder tout son air,mais s’il s’aventure trop profondément le bloodshift risque d’être trop important au point de retenir tout le sang au niveau des cavités au détriment des organes vitaux.(Chapitre 3 Les échanges gazeux)
-Les phoques ont une sensibilité plus faible a l’augmentation de gaz carbonique.En effet le point de rupture de l’apnée chez les phoques se situe à une PaCO2 de 63 mm. d’Hg contre 40 chez l’homme.(plongée libre: du modèle écophysiologique à la performance humaine)
Dans l’article "respirer de l’eau" paru dans le maga sine science et vie du 8 1998,il est question de recherche quand à l’élaboration d’un liquide respirable à forte concentration en O2 sous pression.Au cours de l’expérience le liquide respiré par l’animal est continuellement acheminé et évacué des voies respiratoires par un dispositif.Ces découvertes, si l’on imagine qu’un jour elles seront mises en pratique,permmettront des avancées considérables dans le domaine de l’a plongée.Pourtant celle-ci restera tout de même limitée par la quantité de liquide emporté avec soi.C’est pourquoi,dans la limite de nos conaissances et à un intéret purement fictif,nous avons tenté d’imaginer un systême basé sur ces découvertes qui procurerait une totale autonomie et indépendance du plongeur.En effet, l’idéal serait de trouver un systême qui puisse alimenter continuellement le plongeur en éllaborant aun fur et à mesure de ce liquide.
Comment réduire la quantité de liquide emporté afin d’assurer l’autonomie la plus totale au plongeur?
Remarques :
1.Comme les cavités respiratoires sont remplies de ce liquide qui est incompressible,(sauf les gaz qui y sont dissous comme nous le verront par la suite) il n’y a plus de bloodsift,car il n’y a plus de dépression dans les poumons,il n’y a plus d’ivresse des profondeurs(il n’y a pas d’azote dans le mélange),plus de paliers de décompression,plus d’accident de décompression, ni de problèmes liés à la toxcicité de l’oxygène.
2.Même si une telle membrane ne peut existé,il suffit de placer un filtre afin d’assurer que des dechets ne penètrent pas le système,les autres composants de l’eau de mer,même s’ils ne peuvent être retenu par le filtre ne pourront passé par le conduit 5, contrairement aux bulles d’ O2.Sauf si certains des constituants après protolyse peuvent entrainer la formation de gaz toxiques.
3.Pour la descente et la remontée, le plongeur doit disposer d’une reserve de liquide, ou de bouteilles classiques,car lorsqu’il n’est pas assez profond,la pression absolue exercée sur la membrane souple n’est pas suffisante pour qu’assez d’O2 soit dissous dans le liquide.Le concentration minimum d’O2 dissous n’est pas suffisante.En effet si un plongeur se trouve à une profondeur de 20m.,est-ce-que une pression absolue de 3 bar est suffisante pour que la concentration d’O2 dissous soit supérieure à 0,17? (valeur anoxie: plongée passion) Si non,le plongeur soufrira d’anoxie et il sera alors nécessaire que le plongeur utilise des bombones classiques pour des profondeurs si basses (ou qu’il emporte une reserve de liquide),et dans ce cas,s’il alterne lorsqu’il est assez profond entre le système classique et celui à liquide enrichi.Il faut alors s’assurer que l’azote emmagasiné lors de la descente soit assez soluble dans le liquide pour pouvoir s’évacuer normalement sinon il risque de créer un accident de décompression à la remontée.J’ai cherché à déterminé à partir de quel profondeur la pression absolue est-elle suffisante.En effet nous savons que la pression partielle de l’O2 doit être supérieure à 0,17 .Pour savoir à quel profondeur cette valeure correspond elle,il faut appliquer la formule de Dalton:
Pression partielle (Pp)= Pression totale x % du gaz dans le mélange.
Pp = 0,17
La pression totale est notre inconnu à partir de laquel nous en déduiront la profondeur correspondante.Soit x la profondeur, alors (x/10 + 1) est la valeure de la pression absolue.
Il nous reste à déterminer le % du gaz dans le liquide:C’est la valeur manquante.Il faudrait pouvoir déterminer, en fonction de la pression absolue, la quantité,à saturation,d’O2 dissous dans le liquide, ce qui nous permettrait ainsi de calculer la valeure de la concentration d’O2 dissous.Par exemple pour une pression absolue de 3 bar (20 m.),quel est la quantité d’O2 dissous dans le liquide à saturation ?.Soit q cette quantité,alors q/volume de liquide est égal à la concentration d’O2 dans ce liquide.
Ainsi il resterait à résoudre une équation du type:
0,17 = (x/10 + 1)*q/1, pour un volume de liquide de 1l.
La profondeur vaut donc: (1.7/ q-10)
4.A partir d’une certaine profondeur,la pression absolue sera telle,que la concentration d’oxygène risquera de dépasser un seuil critique où sa pression partielle sera supérieure à 1,6 bar (valeur hyperoxie: plongée passion).Il se pose le même problême qu’au point précedent quand au calcul de la profondeur maximum.
On peut cepandant donner la forme de l’équation:
1,6 = (x/10 + 1) * q/1, pour un volume de liquide de 1l.
A ce stade, il sera nécessaire de controler le débit d’oxygène afin de limiter sa concentration pour éviter au plongeur le risque d’une hyperoxie.Nous avons également élaborer une formule qui permet de déterminer le volume maximum d’O2 que peut contenir le ballon (cf. Shéma:partie numéro 2)
Soit 1,7 le seuil critique de pression partielle de l’oxygène.Selon la loi de Dalton;il faut que:
1,7 > ou = y (bar) * p % (d’O2 dans le liquide) Si le % d’O2 vaut 1,7 / y alors:
y * 1,7/y sera toujours plus petit ou égal a la valeure critique.
Il suffirait de placer sur le conduit a oxygène (cf. Shéma:partie numéro 5),un dispositif connecté a l’ordinateur de plongée (qui est capable de mesurer la pression absolue et donc de fournir continuellement la valeure de y),qui serait capable,programmer avec cette très simple formule de doser le débit d’O2 et d’empêcher ainsi l’hyperoxie au plongeur.
5.L’homme inspire en moyenne toute les 4,3 secondes.Ce qui implique qu’en 4,3 secondes suffisement d’eau ait éré electrolysée ,afin de donner une quantité suffisante d’O2 qui doit ensuite être dissoute.Le tout doit être fait en 4,3 secondes ce qui parait extremement difficile.Rechercons la valeure de la quantité necessaire d’oxygene pour une pression absolue de 5 bar: 0,17 =5 * x x =0,034 soit 3,4 %; Si le volume vaut 1 l il faut donc créer et dissoudre 3,4 cl d’O2 en 4,3 secondes.
De plus que la quantité d’O2 nécessaire,la fréquence de l’inspiration croit avec l’effort.
Il existe plusieurs moyens d’augmenter la vitesse de dissolution du gaz dans le liquide (plongée passion):
-augmenter la surface de contact
-agiter le liquide
-ajouter un catalyseur tel que THAM
-Plongée passion.(Patrick Mioulane,Jean-Michel Oyhenart,Hachette,1993)
-Dauphins en liberté.(Gérard Soury,Nathan,1996)
-Adaptations à la plongée du phoque de Wedell.(Warren Zapol,article paru dans le magazine "pour la science".Août 1987)
-Respirer de l’eau ? (Robert Sténuit,article paru dans le magasine "science et vie".Octobre.1988)
-Chapitre 3 Echanges gazeux.(page internet: www.ulg.ac.be/physioan/chapitre/ch3s4.htm,consulté le 18.02.2002)
-Plongée libre : du modèle écophysiologique à la performance humaine.(page internet: www.multimania.com/aidafrance/Recherche.htm, consulté le 22.01.2002)