Labidi Jabrane Laviolette Nicolas Le Bris Raphaël Terminale S 4 Lycée Descartes Antony Travaux Personnels Encadrés (Physique/chimie – SVT) Structurer, Innover La pressurisation dans les avions de ligne. Pourquoi la pressuris ligne ? Pourquoi ble dans un avion de ce système doit il êtr alt Sv. ige to View Table des matières Introduction…. Chapitre 1 : Les variations des paramètres environnementaux en altitude.. Qu’ est-ce que l’atmosphère ? La pression varie avec l’ altitude… Chapitre 2 : Les effets sur le corps humain… Les Barotraumatismes…. .4 Conclusion…. 31 A n n exe.. 32
Les unités inhabituelles sont définies dans 2 Introduction annexe. Les hommes ont depuis très longtemps cherché à accomplir un rêve qu’on a souvent pensé irréalisable, ou réservé aux dieux : voler. Mais le simple fait de s’élever en l’air, dès que cela fut possible, outre l’ aspect mécanique du vol, a apporté de nouveaux problèmes : la santé humaine et la vie en altitude. Voler représente souvent un danger, comme dans la légende grecque, où Icare, fils de Dédale, voulant s’approcher trop près du soleil se serait brûlé les ailes de cire qui lui permettaient de voler et mourut devant son père.
L ‘aéronautique siest particulièrement développée tout au long du vingtième siècle où les premiers vols de « plus lourds que l’air » se sont déroulés. Dans la société actuelle, les avions de ligne évaluent à des altitudes très élevées (souvent aux environs de IO 000 mètres). Nous avons décidé de nous intéresser ensemble dans le cadre des TPE aux problèmes liés à la pression en altitude. De multiples autres phénomènes de santé en aéronautique auraient pu être étudiés, cependant nous n’ avons pas voulu nous étaler sur un sujet trop vaste que nous n’aurions pu approfondir.
PAGF 3 Nous aborderons d’abord les propriétés physiques de l’air, rappelant les principales lois et définitions relatives à la pression, puis nous verrons les problèmes engendrés par un manque de pression ou une décompression sur le corps humain, étudiant aussi le principe mécanique de la pressurisation dans un avion à turboréacteurs. Enfin, nous étudierons le cas particulier de l’ embolie. L’exposé que nous allons maintenant vous présenter comprendra une petite expérience qui permettra de mieux comprendre un phénomène physique. ?tudions donc en premier lieu les propriétés physiques de ‘atmosphère et sa composition. l/ Les variations des paramètres environnementaux en altitude Dans l’atmosphère, on constate que certains paramètres environnementaux (pression, teneur en certains gaz, densité de ces mêmes gaz… ) varient avec l’altitude. quels sont ils? comment expliquer ces variations? A : Tout d’abord, qu’est ce que l’atmosphère? une atmosphère est une enveloppe gazeuse entourant une planète, dont il est difficile de préciser la limite supérieure, car les gaz deviennent progressivement de plus en plus rares.
La présence ou non d’une atmosphère autour d’une planète épend de l’attraction que celle-ci exerce sur les molécules gazeuses. Ainsi, l’absence d’atmosphère sur Mercure est, entre autre, due à sa faible masse, donc à sa faible attraction . Sur les planètes gazeuses de grande dimension, les gaz légers comme l’hydrogène et « hélium sont retenus par la gravité, alors que sur Terre, celle-ci est insuffisante pour les c L’atmosphère terrestre est originale dans le système solaire : elle est constituée par une série de couches superposées, de densité décroissante de la surface terrestre à sa limite supérieure. voir annexe 1) La masse de celle ci est estimée a environ 5. 0A18 Kg, dont la moitié est située en-dessous de 5. 5 Km. Les deux principaux constituants gazeux de l’atmosphère sont l’azote (78%) et les autres constituants sont l’argon, le C02, le néon, l’hélium… Il faut également signaler la présence, dans les basses couches, d’eau sous forme de vapeur, qui représente O à 496 du volume d’alr sec. La très faible teneur en Ozone ne doit pas masquer son importance : situé entre 15 et 35 Km, il absorbe une grande quantité des rayonnements ultraviolets provenant du soleil.
Cet ozone protège les couches inférieures des effets destructeurs es rayons UV sur la matière organique ( Les UV sont, entre autre, des facteurs mutagènes D’ailleurs, la mise en évidence , ces dernières années , de trous dans la couche d’ozone des régions polaires est un sujet de préoccupation pour la communauté scientifique. La troposphère s’étage de la surface jusqu’à 12 Km d’altitude. (Or, un avion de ligne se déplace exclusivement dans la troposphère. C’est donc au sein de cette première couche que nous étudierons les variations des conditions environnementales) cette couche représente 75% de la masse de l’atmosphère.
C’est la couche concernée par les hénomènes météorologiques. La stratosphère s’ étend environ de 12 Km jusqu’à 50 Km d’altitude. Elle est caractérisée par une augmentation plus ou moins ré ulière de la température. A sa limite supérieure, 3 caractérisée par une augmentation plus ou moins régulière de la température. A sa limite supérieure, elle est de OCO Des vents très violents, allant jusqu’à 350 Km/h, peuvent y être observés. La mésosphère est la plus froide des couches atmosphériques.
En fait elle est plus froide que la plus basse des températures enregistrées en Antarctique. Il y fait assez froid pour geler de la vapeur d’eau ( qui se trouve normalement principalement dans la troposphère, mals des « échappées » de celle-ci parviennent à atteindre cette couche ) en nuages de glace. D’ailleurs, on peut voir ces nuages si la lumière du soleil les frappe après le coucher du soleil. Ils s’appellent » Noctilucent Clouds » La mésosphère est également la couche dans laquelle beaucoup de météorites se consument lorsqu’ils entrent dans l’atmosphère de la Terre.
Ils sont ce qu’on appelle les « étoiles filantes ». La thermosphère se développe ensuite jusqu’à près de 500 Km d’altitude. Elle porte bien son nom ar la température dépasse 1 200C0. Au-delà, sous le rayonnement UV de petite longueur d’onde, les molécules gazeuses s’ ionisent. D’ailleurs, le carbone 14 est issu de l’ionisation de l’azote 14, dans cette sphère. B : La pression de l’atmosphère (appelée pression atmosphérique) varie avec l’altitude Qu’entend-on par pression atmosphérique?
L’air, qui compose l’atmosphère, exerce une force sur toutes les faces des objets se situant quelque part dans l’atmosphère. Cette force est en réalité le poids des molécules qui constituent PAGF s 3 rapport de l’intensité de ce poids s’exprimant sur une surface, ? ‘aire de celle-ci. Rigoureusement, l’unité de la pression est le Newton/rnA2. On a simplifié cette notation, et l’unité de pression est devenue, par convention , le Pascal ( en l’honneur du scientifique Pascal, qui a considérablement contribué à l’avancée des connaissances dans ce domaine).
L’atmosphère exerce donc une pression sur la surface de la terre et sur tout objet s’y trouvant. On constate que, plus l’altitude est importante, plus la pression est faible. Comment expliquer cette variation? Pour avoir une vision claire de la chose, étudions le cas d’une piscine • lorsqu’un objet est au fond e la piscine, au point A, il supporte plus d’eau que s’il est à la surface de cette piscine, au point B. En effet, le nombre de molécules d’eau est alors plus important, ce qui entraîne que l’objet supporte un poids supérieur que s’il se situait au point B.
Au point A, la pression est donc plus importante qu’au point B. L’atmosphère ne se comporte pourtant pas exactement de la même manière : Comme cela était précisé ci-dessus, l’atmosphère terrestre est constituée par une série de couches superposées, de densité croissante ( par densité, on entend la quantité de gaz dans un volume V, ? l’ altitude considérée, divisé ar la uantité du même gaz dans le même volume, à la surfac pression, entre les points A et B sont d’autant plus importantes dans le cas de l’atmosphère.
Or, la troposphère représente plus de 75% de la masse de l’atmosphère. un avlon de ligne, qul vole environ à 10 000 mètres( ce qui correspond à la limite supérieure de cette sphère ) nia donc plus à supporter la pression qu’imposait la troposphère. La baisse de pression est considérable, en effet : au niveau de la mer, la pression est de 1015 hPa, elle passe à environ 270 hPa à 10 000 mètres.
D’ailleurs, un modèle a été effectué, présentant les variations de la pression avec l’altitude, dans la troposphère: Maintenant que nous connaissons précisément les variations des paramètres environnementaux en altitude, étudions leurs effets sur le corps humain lors d’ un vol, avec et sans pressurisation. Il/ Les effets sur le corps humain A : BAROTRAUMATISMES Qui n’a jamais ressenti en prenant l’avion des douleurs aux oreilles lors du décollage ou surtout de l’atterrissage ?
Cette douleur est une conséquence d’un barotraumatisme, « baro » signifiant « pression » en grec. L’oreille est loin d’être la seule cavité interne subissant des barotraumatismes. Notre corps humain contient en effet de nombreuses cavités closes. Comme nous l’avons vu précédemment, la pression atmosphérique diminue avec l’altitude. Les gaz de nos cavités internes ne subissent pas ce changement de pression (ils sont enfermés). Il se crée donc un déséquilibre de pression entre ces cavités Cela conduit à des PAGF 7 3 graves.
Nous avons décidé de nous intéresser particulièrement ? deux barotraumatismes : 7 celui de l’oreille et celui de l’intestin. Etudions donc d’abord le barotraumatisme que nous connaissons ûrement le mieux, celui de l’oreille. L’oreille est constituée de 3 ensembles : oreille interne, moyenne, L’oreille externe sert de « capteur », avec le tympan qui vibre avec les ondes sonores (vibrations de l’air). Ces vibrations sont transmises grâce aux structures de l’oreille moyenne : marteau, enclume et étrier, puis elles se propagent dans un liquide de l’oreille interne.
Elles sont enfin transmises au cep,’eau par un signal nerveux. Comme on peut le voir sur le schéma, l’oreille moyenne contient une cavité fermée d’air. Elle est donc susceptible de subir des barotraumatismes. Cependant, un conduit très important sert à égaliser la pression extérieure avec celle de l’oreille 8 moyenne : la trompe d’Eustache. Cet étroit conduit de 3 cm relie le rhino-pharynx (une partie de la gorge, au dessus du palais) à la pression extérieure à l’oreille moyenne. La trompe est normalement fermée au repos.
Une simple déglutition ou un baillement permet de l’ouvrir une fraction de secondes et d’établir l’équilibre de presslon. Ce système permet de compenser les variations de pression dans l’avion durant les phases de montée et de descente. ( Ons plus tard que la urant la montée, la trompe d’ Eustache joue bien son rôle : la pression dans l’avion diminue, l’oreille moyenne est en surpression, l’air s’échappe donc passivement. A l’inverse, lors de la descente, la pression dans l’avion augmente rapidement, et l’oreille moyenne est en dépression, de l’air doit donc vite rentrer : phénomène actif.
La trompe n’effectue souvent pas assez rapidement l’équilibrage des pressions, nous pouvons donc l’aider en mâchant du chewing-gum (déglutition), ou si la douleur est trop intense, en effectuant la manoeuvre dite de « Valsalva » : se boucher les narines et expirer. La trompe s’ouvre lors grandement et les pressions se rééquilibrent, la douleur disparaît. Si la différence de pression est trop forte, la trompe se bouche, et si l’on n’effectue pas alors de gestes suffisant pour ramener l’équilibre (Valsalva… , le tympan se déforme fortement du fait de la dépression : sensations de douleurs, et de légère surdité, le tympan ne vlbrant plus idéalement. Une otite barotraumatique peut alors être engendrée, des douleurs extrêmes sont ressenties, le tympan se déchire plus ou moins grandement, ce qui peut avoir des effets non négligeables sur l’audition de la personne concernée. Cependant, dans un avion de ligne, la pressurisation permet de réduire la vitesse de baisse ou d’augmentation de pression, et en général mâcher un chewing- gum suffit.
Les personnes souffrant de problèmes à la trompe d’ Eustache ou atteintes d’une rhino- pharyngite ou d’un rhume (empêchant le bon fonctionnement de la trompe) doivent faire attention avant de prendre l’avion et doivent prendre toutes s nécéssaires. PAGF 33 et doivent prendre toutes les précautions nécéssaires. Comme nous l’avons déjà dit, il existe d’autres barotraumatismes que celui de l’oreille. Etudions celui de l’intestin. En vol, l’altitude cabine augmente jusqu’à environ 2000 mètres.
Les gaz contenus dans les cavités intestinales sont donc dilatés d’après la loi des gaz parfaits. Si le passager a consommé précédemment des boissons gazeuses ou des féculents en grande quantité, il risque de souffrir de ballonnement de flatulences, et de douleurs. En effet, les gaz dilatés distendent les parois intestlnales et provoquent ces symptômes. Il existe encore d’autres barotraumatismes que nous citerons juste : celui des sinus faciaux, de l’estomac, et des dents. Nous voyons donc bien que même dans un avion pressurisé euvent survenir des barotraumatismes plus ou moins graves.
Sans la pressurisation, ceux-ci seraient insupportables. Attardons nous maintenant à un autre type de problème lié à la pression atmosphérique : l’hypoxie d’altitude. B : Quels autres paramètres varient avec l’ altitude? Même si la teneur en 02 n’évolue qu’à partir de 200 Km, les molécules de ce gaz sont en bien moins grande quantité à IO 000 mètres : C : HYPOXIE Quiest-ce que li hypoxie ? L’ hypoxie est par définition un apport insuffisant en oxygène dans les tissus cellulaires. Comme nous l’avons vu p la pression 33
