Travaux Personnels Encadrés Le principe dimmersion du sous-marin : « Un sous-marin peut-il plonger à Vingt mllle lieues sous les mers ? » Sommaire Introduction l. La pression, ennemie des profondeurs. 1) Le principe de Pas 2) Résistance à la pre o ore 3) La pression illustré a:• , Il. Les sous-marins ac el- 1) La poussée d’Archi 2) Une expérience qui tombe l’eau 3) Le principe grec utilisé par Jules Verne III. Attention… plonger ! 1) Comment plonger ? tique 2) L’importance des caisses d’assiette expliquée par Paul Chack Conclusion L’idée de pouvoir naviguer sous les eaux remonte à l’Antiquité.
De nombreuses personnes essayèrent de percer les secrets des à la recherche sous-marine avait un incroyable potentiel militaire. En effet ce dernier possédait des nombreux avantages • La discrétion. La sureté : pas sensible aux tumultes présents à la surface de la mer. Avantage par apport à la flotte ennemie. Soulager une place assiégée (vivre, munition… ) par voie maritime. Bénéfice indescriptible pour les expérimentations sous-marines. Et enfin, l’américain David Buschnell à partir de 1775 inventa et confectionna le premier sous-marin militaire, the Turtle.
Il vançait grâce à une hélice fonctionnant à l’aide de force mécanique fournie par un homme. Il avait pour but de placer en dessous des coques de bateaux ennemis des mines et ainsi provoquer des dommages considérables à la flotte adverse. Cependant durant son utilisation durant la guerre d’Indépendance aux États-Unis, il ne parvint pas à couler de navires britanniques. Cet engin marque le début d’une nouvelle ère de sous-marin puisque de nombreux pays, par la suite, confectionne leur propre submersible.
C’est a peu a près à cette époque que les sous- marins commencèrent à fonctionner à l’aide des ballastes. Ce système de ballaste fonctionne grâce à la poussée d’Archimède. Technologie qui perdurera jusqu’à nos jours et point approfondie durant notre étude. Il faut attendre le XIX siècle pour voir apparaitre les premiers sous-marins pouvant se passer de la force de Vhomme. L’air comprimé fut d’abord employé comme agent de mouvement mais aussi comme élément permettant d’améliorer fautonomie sous l’eau des engins.
Par la suite se développa les propulsions ? moteur, à vapeur. En 1870 Jules Verne publia 3 engins. Par la suite se développa les propulsions à moteur, à vapeur. En 1870 Jules Verne publia son livre intitulé « Vingt mille lieues sous les mers » établi autour du Nautilus, un sous- marin dépassant toutes les technologies de l’époque. Ces dlres fantastiques inspirèrent de nombreux inventeur. La forme cylindrique du sous-marin a été adopté et on commençait également à traiter du problème de la plongé : comment plonger ?
Et c’est en 1884 qu’apparut le premier engin capable de naviguer sous les eaux grâce à la puissance de Pélectricité, tout comme dans le roman de Jules Verne. Mais le souci de la pression et toujours d’actualité puisque les profondeurs abyssales eviennent un but pour l’Homme. Plus on avance dans le temps, plus les technologies se perfectionnent et donnent naissance aux submersibles hybrides : utilisant un moteur diesel en surface et la puissance électrique sous l’eau au XX siècle. Les guerres permirent de développer cette technologie et de faire ressortir tout le potentiel du sous- marin.
De nombreuses œuvres s’en inspirent. Ce bâtiment gagna de l’importance et devint un pion dans la stratégie militaire. Mais peut-on plonger à Vingt mille lieues sous les mers avec nos sous-marins actuels ? Il est important de rappeler que lorsque Jules Verne parle de Vingt ille lieues sous les mers, il évoque la distance parcourue tout en étant immergé. Lorsque nous posons cette question, nous parlons effectivement de la profondeur mais nous souhaitions uniquement faire un hommage à cet écrivain que nous étudierons.
Plonger signifie s’enfoncer dans les abysses océaniques, là ou la pres 43 écrivain que nous étudierons. pression, définie par Pascal, devient une ennemie. Bien qu’ayant subis de nombreuses évolutions, l’immersion du sous-marins depuis un certain temps est régit par une loi antique : de nos jours les ballaste qui constituent l’un des éléments essentiels du ous-marin et qui lui permettent de s’immerger font intervenir la loi d’Archimède. Les ballastes ne sont pas les seules mayens de plonger.
En effet le sous-marin a quelque peu évoluer est fait intervenir d’autre moyen pour s’enfoncer dans les profondeurs de la mer. l. La pression, ennemie des profondeurs 1) Le principe de Pascal ‘hydrostatique, fondée par Archimède constitue l’étude d’un fluide immobile. La pression est une notion de physique fondamentale. Elle correspond au rapport liant une force exercée sur une surface. Son unité est Pascal (Pa) et on peut déduire la formule suivante Pa=l N/m2(1 Pascal équivaut à la pression exercée par 1 Newton sur 1 mètre carré).
Grâce aux études menées on a pu déduire que la pression exercée par un fluide ne dépend que de la profondeur, on parle alors de pression hydrostatique. La relation entre la pression dans un fluide et la pesanteur est connue sous le nom de Principe de Pascal, défini par la physicien éponyme au XVIIème siècle. 3 de la science. Il a montré de fortes capacités cognitives dès un très jeune âge. Il était très précoce et s’est épanoui dans de nombreux domaines puisqu’on lui doit aujourd’hui de ombreux traités mathématiques et études scientifique.
Il a durant sa vie définis la notion de pression atmosphérique » grâce à l’expérience des liquides. Il s’est heurté à de nombreux contemporains, notamment l’Église qui ne pouvait pas admettre l’existence du vide (expérience des pompes : après une inondation, l’Église souhaitant extraire l’eau utilisa des pompes de tailles importantes, mais les religieux s’étonnèrent de voir que l’eau ne montait pas plus haut que 1033m. Blaise Pascal suppute donc qu’une sorte de« pression atmosphérique »empêche l’eau de monter plus haut et que le reste des cives est rempli de vide).
Cependant il démontra scientifiquement, de telle manière que personne ne pouvait réfuter ses propositions. Ces traités tel L’Équilibre des liqueurs sur la pression ont révolutionné les lois de l’hydrostatique et ‘hydrodynamique, en particulier la relation entre la pression dans un liquide et la profondeur. Le principe s’intitule de la façon sulvante « Dans un liquide en équilibre de masse volumique uniforme, la pression est la même en tout point du liquide et cela aussi longtemps que ces points sont à la même profondeur. ? De cet énoncé on en déduit le théorème suivant qui constitue la base de l’hydrostatique : ? Dans un liquide en équilibre de masse volumique uniforme, la différence des pressions en deux points est égale au poids de la colonne de liquide ayant pour section l’unité de s PAGF s 3 pressions en deux points est égale au poids de la colonne de liquide ayant pour section l’unité de surface et pour hauteur la différence de niveau des deux points. » On peut reformuler l’énoncé de façon plus explicite : Dans un liquide de masse volumique uniforme, imaginons deux points A et B.
Le « poids » de la colonne (=du cylindre) de liquide, de hauteur la différence de hauteur des deux points (=hA-hB) et e « base » un mètre carré, est égale à la différence de pression (-PB-PA) entre ces deux points. Exemple du crève-tonneau de pascal : c’est une expérience réalisé en 1646. Pascal souhaitait démontrer le principe évoqué au- dessus. En effet il est parvenu a faire éclater un tonneau grâce au poids d’une colonne d’eau de lom de long. C’est une application de ce principes car il a exercé une pression sur le tonneau de l’ordre du poids de la colonne d’eau.
Nous pouvons ainsi en déduire la formule suivante. Nous savons que la différence de pression est définie par Donc en deux points A et B, de pression et hauteur respective PA, PB et hA, ha, le « poids de la colonne d’eau » de hauteur hA- h3 est : 6 3 Ainsi la pression exercée par le liquide en ce point s’exprime par rapport à la surface et varie-en en grande partie en fonction de la profondeur de l’élément immergé. En effet la pression est donnée en fonction de la masse volumique multipliée par l’accélérateur de la pesanteur et par la profondeur.
Produit auquel s’ajoute la pression en surface. Or, dans un même liquide, hormis la position de l’objet immergé les quatre autres valeurs ne arient pas ou très peu pour l’indice de pesanteur. Il s’établit alors une relation entre la pression et la profondeur. Nous venons de définir la pression absolue(Pabs) (pression atmosphérique(PO), qui représente la pression en surface établit à environ 1 bar=1013 hPa, à laquelle dajoute la pression hydrostatique (P), pression dans un liquide évoluant en fonction de la profondeur).
Les formules définis précédemment sont connues des plongeurs et interviennent au niveau de la plongée des soUs- marins. Admettons un point H, immergé en mer, à 10mètre de profondeur. Calculons la pression en ce point : La masse volumique de la mer p vaut . 025 x 103kg/m3 -Au niveau de la mer, la pesanteur g est d’environ 9. 81 m/s2 -Nous connaissons la profondeur h du point qui est plongé à 10 -La pression PO équivaut à la pression en surface soit à la pression atmosphérique qui vaut 1013 hPa, c’est-à-dire 101300 Pa P—PO+pgh P-101300+ (l P-101300+100552. Pz 201 852. 5 paz2bar La pression exercée par l’eau de mer sur un point à 10 mètre de profondeur équivaut au double de la pression atmosphérique (la pression est deux fois celle de l’at PAGF 7 3 équivaut au double de la pression atmosphérique (la pression st deux fois celle de l’atmosphère au niveau de la mer à 10 m de profondeur). D’après le rapport entre la profondeur et la pression nous pouvons en déduire que, tous les 10 mètre, la pression gagne ‘équivalent de la pression que nous subissons quotidiennement. Il est alors permit de parler d’atmosphère.
Une « atmosphère » correspond à la pression atmosphérique, soit à une pression de 1 bar, que nous pouvons également écrire sous la forme de ION/cm2 (N : Newton) qui équivaut à Ikg/cm2. Donc par exemple à 40 mètre de profondeur, le plongeur subit une pression absolue de 4 (pression à 40 mètre de rofondeur)+l (pression en surface) = 5 bar. Sur son corps, sur chaque carré de 1 cm de côtés, il y une pression équivalente ? 5kg. Imaginez vous à quelles contraintes sont soumises les parois d’un sous-marin qui plonge à plusieurs centaines de mètres voir un millier.
La pression exercée s’exprime alors en en dizaine voir centaine d’atmosphère, correspondant à des dizaines ou centaines de kilogramme sur un carré de un centimètre de coté. 2) Résistance à la pression La coque d’un submersible est, depuis les premiers prototypes, faite en métaux divers (allant du fer au cuivre). Dès leur invention, eur capacité à résister à la pression fut un sujet de débat. Augmenter l’épaisseur de la coque ne fait pas tout. En effet les techniques de soudage ainsi que les matériaux choisis ont une importance capitale. Mais la forme du sous-marin joue aussi son rôle.
Quelle image avez-vous d’un tel engin ? Il est bien entendu cylindrique, ter sous-marin joue aussi son rôle. Quelle image avez-vous d’un tel engin ? II est bien entendu cylindrique, terminé à l’avant par une demi-sphère et à l’arrière par un cône ; cette forme est le résultat de plusieurs années de calcul et de réflexion. Cette forme assure u sous-marin le moins de frottements possible, qui se traduit par une forme hydrodynamique, ainsi qu’une résistance accrue. Un sous-marin est bien plus qu’un simple cylindre que l’on a fermé aux extrémités.
Les structures des submersibles ont énormément variées depuis leur création. A leur début ces engins étaient pour la plus par composé que d’une coque. L’apparition des ballastes avec La Turtle de David Buschnell fit évoluer la fabrication de ces derniers. De nos jours, les sous- marins composent majoritairement de deux coques : une coque externe et une coque interne. La coque externe, faite e manière à engendrer le moins de frottements dans les milieux d’immersions, ce qui révèle de la mécanique des fluides, comprend les ballastes ainsi que les soutes.
La coque interne est celle qui contient tout l’équipage, toutes les machines ainsi que les missiles. Elle représente donc le véritable sous-marin. La coque externe est en contact avec l’eau dans laquelle le sous- marin est immergé. Nous pouvons donc croire que c’est elle la plus épaisse mais cette coque est également qualifiée de coque dite « légère En effet, comme dit précédemment elle contient les ballastes ainsi que les soutes, or ces deux éléments dits xtérieurs sont le plus souvent remplis d’eau de mer et sont en contact directe avec cette dernière.
La pression PAGF 3 remplis d’eau de mer et sont en contact directe avec cette dernière. La pression existante sur cette coque est exactement la même que celle exercée par l’eau présente dans les ballastes ou soutes. Donc, en plongée, la pression s’équilibre des cotés ; voi à pourquoi cette enveloppe externe du sous-marin est dite « légère », elle n’est pas fabriquée en tôles épaisses. L’épaisseur de cette coque est de l’ordre du centimètre puisqu’elle varie entre à IO mm.
Il apparait alors que cet élément est conçu pour la résistance à l’eau, c’est-à-dire aux frottements, et non pas pour résister à la pression. La coque interne du sous-marin est le seul élément qui combat la pression. L’équipage ainsi que toutes les machines sont contenus dans cette tôle qui endure des pressions monstrueuses : plusieurs dizaines de kilogrammes par centimètre carré. Pour résister à ces poussées, sa forme est particulière et son épaisseur doit être conséquente ; c’est pour cela que nous l’appelons coque « épaisse ». Elle varie en fonction des rofondeurs que nous souhaitons atteindre.
Il existe ce que l’on appelle des coefficients de sécurité qui varie selon les états ; c’est-à-dire que les sous-marins sont construits avec une capacité de plongée théorique supérieure aux profondeurs que le bâtiment va atteindre. Cela a été mis en place pour laisser une marge de sécurité à l’équipage leur permettent de faire face ? l’imprévu (fausses manœuvres…. ). Ce coefficient en fonction du pays varie entre 1,2 et 2. Par exemple, pour plonger à 400 mètres, un sous-marin doit posséder une coque d’environ 4 centimètres ‘épaisseur (un centim
