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TPE 1ère S : Pression et sous-marins et résistance à la pression des animaux marins



  1. #1
    Freestalker

    TPE 1ère S : Pression et sous-marins et résistance à la pression des animaux marins


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    Bonjour, je suis en train de faire un TPE sur la pression sous marine et ces effets sur les corps. Je me suis proposé de faire une partie sous-marin et une partie résistance aux forte pressions des animaux marins. J'ai cherché sur internet, j'ai trouvé des site très intéressant mais ma professeur de SVT a dit, cela fait catalogue de vulgarisation. Pourriez vous m'indiquer des site scientifiques? Parce que j'ai beau chercher je ne trouve pas mieux. Je suis même désespéré. Je fais une quote de ma partie. Mes camarades et moi sommes en train de refaire la partition en un truc plus général, c'est juste pour voir ce que vous en pensez.

    Introduction : Les hommes ont toujours pensé que le fond des océans étaient vides mais au fil des découvertes de XX ème siècle, nous nous sommes rendu compte que les fond marin étaient bien plus riche que nous le pensions. Alors de quel manières avons nous pu découvrir tout cela?

    Partie 1 : Une invention humaine : le sous-marin.

    I Les 2 principales parties d'un sous-marin.


    1 La coque.

    La coque d’un sous-marin ou coque à pression, se divise en deux parties, la coque interne, dite épaisse, et la coque externe, dite mince.
    La coque interne, est la partie de la coque la plus épaisse, elle est constituée soit en acier, soit en titane ou avec un alliage dérivé de ces métaux, par exemple le titane aluminium a un taux d'élasticité accrue, ajouté à cet alliages, le vanadium permet au métal de résister à la corrosion. L*'acier nickel-chrome molybdène-vanadium HLES (Haute Limite Elastique Soudable) est 1,8 fois plus lourd que le Ti-6Al-4V (les chiffres en gras représentent les pourcentages de métaux utilisés) et bien plus magnétique. Bien sûr les alliages en Titane sont beaucoup plus chers que les alliages à base d'acier. Son épaisseur permet à la coque de résister aux fortes pressions ; c'est à dire que pour 1cm², tous les 10m de profondeur, reçoit 1Kg de plus. A 300m, la coque doit résister à 30Kg/cm² ou 300tonnes/m², ce qui n'est pas négligeable. Plus la coque interne est épaisse mieux elle résistera au fortes pressions, mais cela se fera au détriment des instruments de bords. Le Bathyscaphe en est un très bon exemple. Derrière la coque interne se trouve l’équipage, les instruments et les armes, dans le cas où nous sommes dans un engin militaire.
    La coque externe doit être conçue pour opposer le moins de résistance possible aux frottements de l’eau ; elle n'a pas besoin de résister aux fortes pressions étant donné que la partie intérieure et extérieure de la coque mince sont dans le même milieu. On y trouve notamment les ballasts et les soutes. Ces deux parties sont en communication avec l'eau ; il n'y a donc aucun besoin qu'elle soit épaisse, son épaisseur varie de 5 à 10 mm.
    La forme du sous-marin n’est pas due au hasard, en effet les sous marins ont une forme de cigare pour la plupart des sous-marins militaires, mais il se peut que des sous marins aient la forme d'une goutte d'eau, pour mieux répartir la pression. On dit que se sont des formes hydrodynamiques car elles permettent de ne pas avoir des frottements trop intenses et de ne pas ralentir le sous marin. En effet l'avant du sous-marin est la partie qui déplace le plus d'eau. En déplaçant cette eau, elle se dirige de part et d'autre de la coque. Prenons le dauphin pour illustrer l'hydrodynamisme. Les flèches représentent le sens de propagation de l'eau.

    Le principe d'Archimède nous explique que «*Tout corps plongé dans un fluide reçoit de la part de ce fluide une poussée verticale dirigée de bas en haut égale au poids du volume d'eau déplacé.*». Dans ce cas si l'eau change de densité, ne serait-ce que d'un seul millième, le sous-marin serait soit trop lourd soit trop léger. Cela est expliqué plus en détail dans la première grande partie.
    Prenons par exemple le Redoutable passant près d'un estuaire, ce sous-marin déplace 9000 tonnes d'eau, alors si la densité de l'eau de mer change d'un millième, dû au fait que l'eau ait un taux de salinité moins élevé, on a 9000/1000 = 9, cela lui donne 9 tonnes d'eau en plus ou en moins à déplacer. Cette différence n'est pas très importante à grande vitesse mais à faible vitesse, cela devient vite un problème, bien sûr dans le cas d'un sous-marin militaire. La trainée à l'arrière sera plus visible et diminuera fortement la discrétion du sous-marin.

    2 Les ballasts

    Les ballasts sont situés entre la coque mince et épaisse, en communication constante avec la mer, par le bas. Une purge est fixée en haut du ballast, pour plonger, cette purge s'ouvre et laisse s'échapper l'air se situant dans les ballasts, par le haut, en le remplaçant par de l'eau. Pour revenir à la surface, l'eau est remplacé par de l'air comprimé.



    II Les engins.

    Mis a part les engins militaires, d'autres inventions existent et ont parsemé l'histoire des sous-marin.


    1 La Bathysphère

    La bathysphère a été conçue en 1928 par Otis Barton. Elle a la forme d'une sphère pour que la pression se répartisse de manière égale sur la paroi. Grâce à cette caractéristique elle a pu plongé à 900m environ.


    2 Les Bathyscaphes

    Les Bathyscaphes des véhicule d’exploration sous marine. Ils sont peu maniables, lourds et ont une faible autonomie. Ces véhicules possèdent une sphère d’acier de 2 mètres environ pour habitacle, un système de flotteurs assure l’équilibre hydrostatique. Son épaisseur varie jusqu'à 15 cm selon la pression. Comme nous l'avons dit précédemment la coque interne du bathyscaphe est très épaisse par rapport à sa taille. Ceci a permis à l'Archimède et au Trieste sphère de Krupp de descendre à plus de 10Km de profondeur dans la fosse des Mariannes. En fait le Bathyscaphe est un sous-marin sous lequel on a accroché une Bathysphère.
    Son fonctionnement est très simple : d'abord, il flotte et se prépare à la plongée, ensuite, il augmente son poids en remplaçant le volume d’air de ses ballastes avec de l’eau de mer. Il descend car la poussée d’Archimède est inférieure à son poids. Et enfin il se pose sur le fond, cela est dû au fait que la poussée d’Archimède est presque égale à son poids. Il se déplace grâce à des propulseurs de manœuvre.
    3 Les sous-marins de poche.

    D’autres véhicules sont aujourd’hui utilisés. Ils ont le nom de sous marins de poche, en raison de leur petite taille. On peut mentionner l’un des plus célèbres, le «*NAUTILE*». Ils utilisent de nouveaux alliages plus élastiques qui permettent aux submersibles de mieux résister à la pression, cet alliage est le plus souvent le Ti-6Al-4V. Les exploits réalisés par les Bathyscaphes étaient dus au fait que les explorateurs poussaient leurs engins à leurs limites.


    4 Les submersibles robotisés.

    D’autres types de véhicules submersibles existent, les ROV et les AUV.
    Les ROV, ou Remotely Operated Vehicle (en français, véhicule téléguidée.) Le Nereus est célèbre pour avoir exploré «*Challanger Deep*» le 31 Mai 2009. Ce point est le plus profond du globe terrestre, il se situe à l’extrémité sud de la fosse des Mariannes. Le Nereus a atteint 10*900m de profondeur ce jour là. Cet exploit est du au fait que les instruments sont directement plongés dans l'eau, la pression est la même à l'extérieur et à l'intérieur du véhicule, vu que les deux parties sont en communication constante.
    Les AUV, quant à eux, sont des engins automatisés, ils agissent en totale liberté.


    En conclusion, seuls les bathyscaphes et les engins robotisés ont pu aller dans les abysses. De grands progrès ont été réalisés, les nouveaux alliages permettent de nouvelles prouesses et nous permettent au files des ans de mieux connaître la faune, la flore et les divers phénomènes géologiques de notre planète.


    Partie 2 : Pourquoi les animaux marins ont ils la capacité de résister aux fortes pressions?


    Il y a plusieurs types d'animaux marins, les poissons osseux, les poissons cartilagineux, les cétacés, les céphalopodes et les cnidaires. Ces divers groupes ou familles ont des méthodes différentes pour pouvoir résister aux fortes pressions.
    I Les poissons.

    1 Les poissons osseux : La vessie natatoire.

    La principale fonction de la vessie natatoire est d’aider les poissons à s’adapter aux changements de profondeur et, par conséquent, de pression lorsqu’ils montent ou descendent dans la colonne d’eau. La pression augmente en fonction de la profondeur et plus la pression augmente, plus les gaz comme l’oxygène et l’azote dissous dans la colonne d’eau peuvent pénétrer dans le sang des poissons. Quand les poissons nagent vers la surface, la pression diminue et les gaz se dilatent. Quand les plongeurs remontent à la surface, ils doivent le faire de manière sécuritaire et prendre plusieurs pauses pour éviter le mal de décompression, causé par des bulles d’azote qui se forment dans le sang et qui peuvent avoir des conséquences graves pour la santé. Cette variation de la pression partielle des gaz peut avoir une incidence sur les poissons également. Toutefois, la vessie natatoire peut changer de volume pour absorber ou libérer des gaz et permettre aux poissons de se déplacer rapidement dans la colonne d’eau sans que des bulles de gaz se forment dans leur sang.
    La météorisation est le phénomène qui se produit lorsque le poisson remonte trop vite à la surface. Un effet rétroactif se produit : lorsque le poisson monte, la pression diminue ; cela fait gonfler la vessie natatoire et augmenter la flottabilité du poisson, ce qui tend à le faire monter encore plus vite. Si le processus s'emballe, si le poisson ne parvient pas à réduire assez vite le volume de sa vessie, elle peut se rompre. Cette rupture provoque la mort du poisson.


    2 Les poissons cartilagineux : le squelette.

    Chez les poissons cartilagineux, l'absence de vessie natatoire permet plus de flexibilité, en effet le danger de météorisation est nul. Ces poissons équilibrent les pressions comme le font les plongeurs équipés avec une bouteille d'oxygène, ceci est expliqué dans la deuxième grande partie. Autre fait important, le cartilage est bien plus élastique donc il arrive plus facilement a changer de forme. Ce qui permet au squelette de mieux résister au fortes pressions.


    II Les cétacés : l'exemple des grands cétacés

    Les grands cétacés ont la capacité de rester en apnée pendant 30 à 40 minutes, de plus le volume des poumons des grands cétacés est phénoménal,
    5 000L pour la baleine bleu. sachant qu'un poumon humain peut contenir 7 à 8L d'air, que lors d'une plongée en apnée les poumons ne peuvent que contenir 1,5L, la baleine bleu a donc la capacité de pouvoir descendre à des profondeurs phénoménales.


    III Chez les céphalopodes.

    Les céphalopodes sont des mollusque, on y retrouve notamment les sèches, les nautiles sans oublier les célèbres calmars et les incontournables poulpes. Leur structure supra élastique leur permet de mieux répartir les pressions d'où l'absence de vessie natatoire, cela est le plus flagrant chez le poulpe qui peut rentrer dans un trou de diamètre égale à celui de son bras.


    IV Les cnidaires

    Les cnidaires sont les premiers êtres pluricellulaire apparu sur Terre. Leur capacité à résister à la pression est du au fait que leur corps est la forme d'une ombrelle. En effet les pressions sont également réparties de part et d'autre de l'ombrelle.


    En conclusion, dans le monde animal plusieurs techniques existent pour contrecarrer les effet indésirables de la pression, soit utiliser un organe spécifique, soit utiliser la totalité de son corps comme sa grande taille ou son squelette. D'ailleurs tous les animaux ont la caractéristique d'être composé d'eau et d'être pleins.

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  4. #2
    phys4

    Re : TPE 1ère S : Pression et sous-marins et résistance à la pression des animaux marins

    Bonjour,

    Très beau texte mais le sujet est si vaste que vous obligé d'effleurer chaque sujet. Quelques commentaires sur les différentes parties :

    Pour les sous marins, la répartition en deux coques concerne les anciens sous marins, sur les sous marins nucléaires la coque mince est réduite aux superstructures : une sorte de pont qui recouvre la coque principale. Pour des raisons de bruit d'écoulement les sous-marins d'attaque SNA n'ont qu'une coque épaisse extérieure, les caissons d'équilibrage sont internes, ils sont très profilés avec une coque lisse.

    La bathysphère était accrochée à un câble, cela la rend peu maniable car elle se comporte comme une charge suspendue à un grue, elle ne pouvait approcher les fonds.
    Sa profondeur était limitée par la résistance du câble, la houle produisant des oscillations dangereuses en cas de résonance du câble.

    Un sous-marin dont l'intérieur reste à la pression atmosphérique doit avoir une coque d'autant plus épaisse qu'il descend plus bas tout en gardant une densité moyenne inférieure à 1. Cette condition limite la profondeur maximale à 1000m. Pour aller au delà, il faut que l'intérieur du sous-marin soit à la pression extérieure.

    L'idée du bathyscaphe est donc d'avoir un sous-marin sous pression rempli avec un liquide plus léger que l'eau (essence) qui supporte une sphère de densité plus grande que 1.
    Les petits sous-marins robots n'ont pas non plus la contrainte de pression est peuvent descendre plus bas que 1000m.

    Animaux marins : ils résistent à la pression car ils sont en équilibre hydrostatique, ils ne subissent donc pas de différence de pression. Aucune structure biologique ne pourrait résister à la pression de 100m de profondeur. Tous les organes sont donc à la pression extérieure.
    Pour les cétacés, seuls les cachalots descendent à très grande profondeur (plus de 2000 m), dauphins, orques et baleines descendent à quelques centaines de m au plus. Les performances en apnée sont très variables d'une espèce à l'autre, quelques minutes à plus d'une heure pour le cachalot seulement.

    En aucun cas les os (requins) n'ont besoin de résister à la pression, ils sont en équilibre hydrostatique également.

    A plus.
    Comprendre c'est être capable de faire.

  5. #3
    Freestalker

    Unhappy Re : TPE 1ère S : Pression et sous-marins et résistance à la pression des animaux marins

    D'accord merci donc, si j'ai bien compris, ce que tu es en train de me dire, c'est qu'il est impossible de ne pas vulgariser. 0_o De plus je viens de regarder sur des sites sur la mécanique des fluides c'est... Impressionnant. Mais comment dois-je expliquer les choses suivantes :
    Le principe d'Archimède nous explique que «*Tout corps plongé dans un fluide reçoit de la part de ce fluide une poussée verticale dirigée de bas en haut égale au poids du volume d'eau déplacé.*». Dans ce cas si l'eau change de densité, ne serait-ce que d'un seul millième, le sous-marin serait soit trop lourd soit trop léger. Cela est expliqué plus en détail dans la première grande partie.
    Prenons par exemple le Redoutable passant près d'un estuaire, ce sous-marin déplace 9000 tonnes d'eau, alors si la densité de l'eau de mer change d'un millième, dû au fait que l'eau ait un taux de salinité moins élevé, on a 9000/1000 = 9, cela lui donne 9 tonnes d'eau en plus ou en moins à déplacer. Cette différence n'est pas très importante à grande vitesse mais à faible vitesse, cela devient vite un problème, bien sûr dans le cas d'un sous-marin militaire. La trainée à l'arrière sera plus visible et diminuera fortement la discrétion du sous-marin.
    Et pour les animaux marins c'est aussi simple que ça? Punaise!... Là! ça me stresse encore plus! Non seulement tout a déjà été dit dans le TPE mais aussi ça va me faire rien à dire à l'oral. La vacherie! Cette fois! Ca sera la plus grande défaite de mon histoire. Tu pourrais me passer le site où tu as trouver ça?

    Aïe! Aïe! Aïe! Je sens que je suis proche du casse-pipe...

  6. #4
    phys4

    Re : TPE 1ère S : Pression et sous-marins et résistance à la pression des animaux marins

    Citation Envoyé par Freestalker Voir le message
    Et pour les animaux marins c'est aussi simple que ça? Punaise!... Là! ça me stresse encore plus! Non seulement tout a déjà été dit dans le TPE mais aussi ça va me faire rien à dire à l'oral. La vacherie! Cette fois! Ca sera la plus grande défaite de mon histoire. Tu pourrais me passer le site où tu as trouver ça?
    Ne pleurez pas si vite, en creusant un peu pour les animaux marins, c'est assez intéressant de montrer les différentes adaptations.
    Pour l'instant j'en reviens à l'exemple du Redoutable : vous auriez copié une fait que vous n'avez pas compris ?

    Les sous-marins sont en équilibre dynamique comme les avions, ou plutôt comme les dirigeables. L'équilibre en position fixe est instable car la moindre variation de salinité ou de température modifie cet équilibre, le sous marin compense donc par ses ailerons qui exercent une portance vers le haut ou vers le bas afin de garder sa profondeur. Le sous-marin doit donc prendre une certaine inclinaison afin de créer cette portance, inclinaison d'autant plus forte qu'il va plus lentement. Cet effet crée une turbulence dans l'eau donc pour rester silencieux il doit équilibrer en permanence le mieux possible, surtout s'il va lentement.

    Pour les animaux marins, je recherche quelques bonnes références , à demain.
    Comprendre c'est être capable de faire.

  7. A voir en vidéo sur Futura
  8. #5
    Freestalker

    Re : TPE 1ère S : Pression et sous-marins et résistance à la pression des animaux marins

    En fait ce sont mes profs qui demandent de l'expliquer, moi j'ai tout compris, elles demandent des explications par rapport à la salinité de l'eau. Des explication de la remontée du sous marin, Alors que j'ai dit que le sous marins remontais grâce au fait qu'il remplaçait le volume d'eau par de l'air comprimé.

  9. #6
    phys4

    Re : TPE 1ère S : Pression et sous-marins et résistance à la pression des animaux marins

    Bonjour,
    je vous propose de continuer notre recherche :
    1- Sous marins : Il faut noter que les ballasts à air comprimé ne servent qu'à faible profondeur afin d'avoir une bonne flottabilité en surface. Aux profondeurs importantes ils consommeraient trop d'air comprimé. L'équilibrage fin se fait par des caisses d’assiette (rien à voir avec la vaisselle) Ce sont des caissons répartis à l'avant et à l'arrière du sous marin, qui sont plus ou moins remplis d'eau pour équilibrer la poussée moyenne et surtout l'inclinaison.
    L'équilibre d'un tube dans l'eau est stable en position verticale et non en position horizontale par effet de pression et de déplacement des objets à bord. L'équilibre en position horizontale est donc dynamique.

    2- Biologie marine : je précise que je ne suis qu'un amateur dans ce domaine, je vous renverrai donc à une recherche approfondie sur les sites correspondants.
    Mon domaine est plus proche des engins et méthodes de navigation.

    Pour introduire le fait que les organismes ne supportent pas une forte différence de pression vous pouvez citer la plongée :
    la respiration par un tube extérieur (tuba) n'est possible que proche de la surface. les plongeurs en scaphandre autonome ont un détendeur qui leur délivre de l'air à la pression que celle subie par la cage thoracique. Une différence de plus de 50cm d'eau en pression, rend la respiration impossible.
    Les essais de plongée humaine montre que l'homme peut vivre jusque 500 m sous l'eau à l'aide d'un mélange respiratoire spécial (O2, He, H2)
    http://fr.wikipedia.org/wiki/Plong%C3%A9e_profonde
    Un exemple simple qui montre la fragilité de la cage thoracique : une baleine échouée ne peut plus gonfler ses poumons, elle étouffe sous la pression de son propre corps.
    Vous pouvez accumuler quelques documents en explorant des sites tels que :
    http://www.cetace.info/classificatio...ocephalus.html
    Un exemple qui montre que les fortes pressions peuvent modifier le métabolisme :
    http://bu.univmed.fr/flora/servlet/LoginServlet

    Une petite annotation concernant votre développement sur la vessie natatoire : il me semble qu'en cas de remontée rapide les poissons peuvent se débarrasser facilement du gaz en excès car cet organe est en communication avec le tube digestif. Des bancs de poissons qui remontent rapidement régurgitent des bulles.
    Par contre, des poissons des grandes profondeurs ramenés trop rapidement en surface meurent des suites de la décompression à cause des micro-bulles libérées dans les tissus.

    Au revoir.
    Comprendre c'est être capable de faire.

  10. Publicité
  11. #7
    Freestalker

    Re : TPE 1ère S : Pression et sous-marins et résistance à la pression des animaux marins

    Bonsoir! J'ai regarder ces sites et je ne trouve pas qu'il y est vraiment un rapport, parce qu'il faut un rapport brute avec la pression, mais je vais essayer de voir ce que je peux faire avec.

    Alors est-ce que vous auriez quelques sources sur les sous marin et les différentes forces pressantes qu'il y a sur la coque. Parce que j'ai beau chercher, je ne trouve pas de sites. Vous pourriez peut-être me donner quelques adresses du web invisible?

    Je ne sais pas sur quel axe diriger mes recherches. Je n'ai aucunes idées, je commence à me demander si je vais passer le BAC cette année mais je garde espoir. Je sens le BAC de T.P.E. très compromis. Je vais continuer mes recherches pendant une demi heure.

  12. #8
    phys4

    Re : TPE 1ère S : Pression et sous-marins et résistance à la pression des animaux marins

    Bonsoir et content de vous revoir,
    J'ai aussi quelques difficultés à trouver de bonnes références sur la physique des sous marins.
    Je vous avez surtout donné des éléments sur la biologie marine.

    Les développements les plus précis sur la construction des sous marins ne sortent pas des chantiers nationaux.
    J'ai essayé de voit quelques sites:
    1- celui ci est assez basique, il montre bien que les ballasts extérieurs ne peuvent servir qu'en surface, car l'air restant serait rapidement écrasé par la pression et l'équilibre serait très instable avec de l'air dans les ballasts extérieurs :
    http://www.netmarine.net/bat/smarins...ha/comment.htm

    2- Un exemple d'engin dans lequel les compartiments sont en équilibre avec la pression externe, ce qui lui permet de descendre à grande profondeur, il fonctionne donc comme les poissons :
    http://www.ifremer.fr/exploration/na...ottabilite.htm

    3- Un exemple un peu plus technique, en fait un sous marin est toujours en déséquilibre pour deux raisons :
    - il est plus compressible que l'eau donc s'il descend la pression diminue son volume plus que la densité de l'eau n'augmente et il s'alourdit, inversement s'il remonte, il faut donc compenser en permanence.
    - pour cette même raison, s'il incline la partie basse se comprime, la partie haute de dilate et l'inclinaison tend naturellement à s'accroitre, la position horizontale est donc instable, voici un bon exemple des circuits de compensation :
    http://www.sousmarinvenus.com/Caisses.html

    4- Un bel exemple de maquette évoluée :
    http://mon.sousmarin.monsite-orange.fr/page2/index.html

    5- Un site qui permettra de trouver des liens vers des descriptions de sous marins actuels :
    http://villemin.gerard.free.fr/aDefe...arin/Types.htm

    Bonne recherche.
    Comprendre c'est être capable de faire.

  13. #9
    Freestalker

    Re : TPE 1ère S : Pression et sous-marins et résistance à la pression des animaux marins

    D'accord, merci! je vais y regarder plus en détail demain après midi. Je dois aller me reposer.

    Au revoir et bonne nuit!

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