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Catégorie : Principes physiques
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Publié le dimanche 23 octobre 2011 00:00
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L'air expiré est plus chaud et plus humide que l'air inspiré. La déperdition calorique respiratoire en plongée ou en caisson hyparbare se fait par convection, évaporation et conduction.
Echange par convection
C'est la transmission d'énergie thermique entre le corps et le fluide environnant en mouvement quand les températures sont différentes. La quantité de chaleur échangée dépend de la différence de température, de la vitesse de déplacement du fluide et du coefficient de convection (masse volumique, pression, nature du fluide).
| W = VEσcp(Ti-Te) |
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W : perte calorique par convection
VE : débit respiratoire
σ : masse volumique des gaz (dépendant de la pression)
cp : chaleur spécifique des gaz
Ti-Te : différence de température entre gaz inspiré et expiré |
Echange par évaporation
Le passage de l'état liquide à l'état de vapeur d'eau nécessite de l'énergie qui dépend de la température des gaz ambiants, de la pression partielle en vapeur d'eau et de la vitesse de l'air ambiant.
Le gaz exhalé est saturé en vapeur d'eau et la perte de chaleur dépend de la ventilation pulmonaire et de l'humidité du gaz inspiré. En plongée, la diffusion de la vapeur d'eau est limitée par la densité élevée des gaz sous pression.
Pertes respiratoires en plongée
En plongée, les pertes respiratoires par convection sont augmentées par une agmentation du volume ventilé (pression) et l'utilisation de l'helium. L'air respiré prend immédiatement la température de l'eau (les blocs métalliques sont d'excellents conducteurs) et le passage par le détendeur lui fait perdre 5 à 10°C. Les échanges thermiques pulmonaires sont proportionnels au débit respiratoire : ils augmentent donc avec la profondeur (la masse volumique s'élève avec la pression) et avec l'hyperventilation. Ces pertes peuvent dépasser rapidement les possibilités métaboliques du plongeur, d'autant que l'intensification du métabolisme sollicitée pour lutter contre le froid nécessite une quantité d'oxygène plus importante, d'où une hyperventilation qui accroît la déperdition calorifique.
Plus un plongeur a froid, plus il s'essouffle et plus il s'essoufle, plus il perd de la chaleur ! Les fuites calorifiques sont accrues dans les plongées aux mélanges, le coefficient de convection et de conduction de l'helium étant six fois plus important que celui de l'air.
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Publié le dimanche 23 octobre 2011 00:00
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Tous les plongeurs sont soumis à des lois physiques dont la variation des paramètres impose des précautions spécifiques. La méconnaissance et le non-respect de ces lois sont trop souvent responsables des accidents que l'on rencontre.
Au niveau de la mer, la pression équivaut au poids de l'air atmosphérique, soit 1'013 mbar ou 760 mmHg ou 1 kg/cm2 ou 1 ATA (atmosphère absolue) ou 1 bar. A 10 m. de profondeur, un plongeur subit une pression réelle de 1 bar (pression relative de l'eau) à laquelle s'ajoute 1bar (pression atmosphérique), soit 2 bar de pression absolue. A 30 m., la pression est de 4 ATA et à 70 m. de 8 ATA. Cette variation de la pression absolue n'est pas linéaire et nous constatons qu'elle double entre la surface et la profondeur de 10 m., puis double de nouveau entre 10 et 30 m. et enfin qu'il faut atteindre 70 m. pour qu'elle double une troisième fois. Toute mauvaise manoeuvre a d'autant plus de conséquences que l'on se trouve près de la surface. Cinq autres lois sont à connaître pour comprendre la physiopathologie des accidents de plongées.
Quelques bases théoriques sont indispensables pour mieux cerner la survenue des accidents de plongée, mais aussi pour mieux comprendre la pratique du caisson hyperbare.
L’oxygénothérapie hyperbare consiste à administrer de l'Oxygène à des pressions supérieures à la pression atmosphérique. Le but recherché est d’augmenter la pO2, afin d’augmenter la portion dissoute d'O2.
La pression atmosphérique représente la pression que l’atmosphère exerce au-dessus de nous. Au niveau de la mer, elle est de 760 mmHg, ou 1 bar. Cette pression augmente, dans l’eau, d’un bar tous les 10.33 m.
On exprime la pression absolue, ou atmosphère absolue (ATA), par rapport au vide total. C’est l’unité utilisée en médecine hyperbare.
Réf. : L'oxygénothérapie hyperbare, approche globale de la technique, Mémoire pour l'obtention du diplôme d'Infirmier Généraliste, GONIN Xavier, 1996.
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La densité gazeuse s'accroît avec la pression absolue. Ceci joue donc sur les résistances lors d'efforts inspiratoires et expiratoires.
La pression respiratoire à délivrer par les muscles respiratoires comporte deux composantes : la composante statique et la composante dynamique.
La composante statique
Ce sont les résistances élastiques et visqueuses des tissus de la cage thoracique et des poumons. Ces résistances sont indépendantes de la densité des gaz.
La composante dynamique
La composante dynamique résistive est liée à la mise en mouvement des molécules de gaz dans les voies aériennes du sujet ainsi que dans les canalisations de l'appareil de plongée. Ces résistances sont dépendantes de la densité des gaz.
Ainsi, à 30 mètres de profondeur, soit à une pression de 4 bars, les résistances dynamiques doublent par rapport à la surface. La résistance inspiratoire est légèrement plus faible que l'expiratoire.
Une résistance est égale à une perte de charge en fonction du débit instantané :
| R = DP / V |
R : résistance
DP : perte de charge
V : débit instantané |
La perte de charge est influencée par la nature de l'écoulement : écoulement laminaire dans les voies aériennes de petit calibre et écoulement turbulent dans les grosses bronches et les bifurcations. Les résistances turbulentes augmentent avec la vitesse d'écoulement et avec la masse volumique spécifique (densité) du fluide elle-même fonction de la pression.
| DP = K1V1 + K2V2 |
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DP : perte de charge
K1 : dépend de la viscosité, il ne varie quasiment pas avec la pression
K2 : dépend de la densité
V1 : débit du courant gazeux laminaire
V2 : débit du courant gazeux turbulent |
L'augmentation de la densité du gaz avec la profondeur est à l'origine de la baisse des débits ventilatoires, surtout sensibles pour les débits expiratoires. La réduction est plus importante sur les débits élevés que sur les bas débits. L'augmentation de la pression intrathoracique nécessaire pour vaincre les fortes résistances va écraser les voies aériennes et venir limiter un peu plus les débits.
Ces phénomènes induisent une limitation ventilatoire à l'effort en hyperbarie. Pour un effort trop long, on verra apparaître une fatigue des muscles respiratoires inspiratoires et expiratoires entraînant une dyspnée. Pour un effort trop important, la surcharge de travail des muscles respiratoires ne pourra être assumée, apparaîtra alors une rétention alvéolaire de CO2, une augmentation de la fréquence respiratoire et une diminution du volume courant. Cette polypnée superficielle s'auto-entretient et s'aggrave si l'effort et la profondeur sont maintenus.
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Publié le dimanche 23 octobre 2011 00:00
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A température constante, le volume d’une masse gazeuse est inversement proportionnel à la pression exercée (loi de Boyle et Mariotte, 1703).
Cette loi explique la diminution du volume des bulles gazeuses lorsque la pression environnante augmente. Une augmentation de pression de 0 à 1 ATA diminue le volume de 50 %, alors qu’une augmentation de 6 à 7 ATA ne diminue celui-ci que de 2 %.
| Profondeur |
Pression absolue (ATA) |
Volume gazeux |
| 0 m. |
1 ATA |
V |
| 10 m. |
2 ATA |
V / 2 |
| 30 m. |
4 ata |
V / 4 |
| 70 m. |
8 ata |
V / 8 |
Table 1 : à 10 m. de profondeur, chaque cm2 supporte le poids d’une colonne d’eau de 1033 cm de haut (soit 1 litre). Ceci correspond à 1 bar, à laquelle s’ajoute la pression atmosphérique s’exerçant à la surface de l’eau. Contrairement à l’air, l’eau n’est pas compressible; la pression augmente donc de façon linéaire.
Réf. : L'oxygénothérapie hyperbare, approche globale de la technique, Mémoire pour l'obtention du diplôme d'Infirmier Généraliste, GONIN Xavier, 1996.
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A volume constant, l’augmentation de la pression d’un gaz est proportionnelle à l’augmentation de sa température (loi de Charles).
Cela signifie que la température s’élèvera lors de la compression en caisson hyperbare, et s’abaissera en fin de traitement hyperbare (lors de la décompression).
Un autre point important, cette augmentation de la pression produit également une modification de la transmission acoustique, liée à l’augmentation de la densité du gaz. Mais cet effet n’est identifiable que pour des pressions supérieures à 4 ATA, rarement atteintes lors de traitement standard.
Réf. : L'oxygénothérapie hyperbare, approche globale de la technique, Mémoire pour l'obtention du diplôme d'Infirmier Généraliste, GONIN Xavier, 1996.
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