⚛ Physique-chimie pour la santé · Physique Première STI2S · Chapitre 1

Pression et fluides dans le corps humain

Pression et unités (Pa, mmHg), pression artérielle, loi de la statique des fluides, perfusion, loi de Boyle-Mariotte et respiration, plongée.

1. La pression

Définition

La pression traduit une force répartie sur une surface : $P = \dfrac{F}{S}$, avec $F$ en newtons, $S$ en m² et $P$ en pascals (Pa). Autres unités : $1$ bar $= 10^5$ Pa ; en médecine, le millimètre de mercure : $1$ mmHg $\approx 133$ Pa (et $760$ mmHg $= 1{,}013 \times 10^5$ Pa, la pression atmosphérique normale).

Exemple · Pression artérielle

Une tension « 12/8 » signifie une pression systolique (contraction du cœur) de $12$ cmHg $= 120$ mmHg et diastolique (relâchement) de $8$ cmHg $= 80$ mmHg. Ce sont des pressions relatives : on mesure l'écart avec la pression atmosphérique. On parle d'hypertension au-delà de $140/90$ mmHg.

Attention · Mesure au bras

On mesure la tension au bras, à hauteur du cœur : plus bas dans le corps, la pression sanguine est plus élevée (voir paragraphe 2).

2. Statique des fluides

Propriété · Loi fondamentale

Dans un liquide au repos de masse volumique $\rho$ (kg/m³), la différence de pression entre deux points séparés d'une hauteur $h$ vaut : $$\Delta P = \rho\,g\,h$$ La pression augmente avec la profondeur et est la même en tous les points d'un même niveau.

Expérience · Pression et profondeur

Matérielgrande éprouvette d'eau, sonde reliée à un capteur de pression, règle.
ProtocoleOn enfonce la sonde à différentes profondeurs $h$ et l'on note à chaque fois la surpression $\Delta P$ par rapport à la surface.
sondeh51015205001000150020000h (cm)ΔP (Pa)
Une sonde reliée à un capteur mesure la surpression ΔP à la profondeur h : les points sont alignés sur une droite passant par l'origine.
Observation$\Delta P$ augmente d'environ $98$ Pa par centimètre : $0$ ; $490$ ; $980$ ; $1\,470$ ; $1\,960$ Pa pour $h = 0$ ; $5$ ; $10$ ; $15$ ; $20$ cm.
Interprétation$\Delta P$ est proportionnelle à $h$ : le coefficient vaut $\rho g = 1\,000 \times 9{,}8 = 9\,800$ Pa/m, soit $98$ Pa/cm.

Exemple · Perfusion

Une poche placée $1{,}0$ m au-dessus du bras exerce une surpression $\Delta P = 1\,000 \times 9{,}8 \times 1{,}0 \approx 9{,}8 \times 10^3$ Pa $\approx 74$ mmHg, suffisante pour que le liquide entre dans une veine (où la pression est faible, de l'ordre de $10$ mmHg).

pochegoutte-à-gouttebras (veine)hΔP = ρgh
La surpression due à la hauteur h de la poche fait pénétrer le liquide dans la veine.

3. Les gaz : loi de Boyle-Mariotte

Propriété

À température constante, pour une quantité de gaz donnée, $P \times V$ reste constant : $P_1 V_1 = P_2 V_2$.

Exemple · Respiration

À l'inspiration, le diaphragme s'abaisse : le volume des poumons augmente, donc la pression y diminue sous la pression atmosphérique et l'air entre. À l'expiration, c'est l'inverse.

Attention · Plongée

À $10$ m de profondeur, la pression vaut environ $2$ bar. Un plongeur qui remonte sans expirer voit l'air de ses poumons doubler de volume : risque de surpression pulmonaire.

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Exercices corrigés

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2

Hauteur de perfusion

★★☆

Pour perfuser, il faut une surpression d'au moins $6{,}0 \times 10^3$ Pa. À quelle hauteur minimale placer la poche ($\rho = 1\,000$ kg/m³, $g = 9{,}8$ N/kg) ?

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3

Respiration

★★☆

À l'inspiration, le volume pulmonaire passe de $2{,}5$ L à $3{,}0$ L à température constante. La pression initiale était de $1{,}013 \times 10^5$ Pa. Quelle est la nouvelle pression (avant que l'air n'entre) ?

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4

Pression exercée par une force

★☆☆

Une personne de poids $600$ N se tient sur ses deux pieds, d'aire totale $0{,}030$ m². Calculer la pression exercée sur le sol.

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9

Pression sanguine aux pieds

★★★

Chez une personne debout, les pieds sont $1{,}3$ m sous le cœur. Calculer l'écart de pression sanguine ($\rho = 1\,060$ kg/m³) en Pa et en mmHg.

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10

Hauteur minimale d'une poche

★★☆

La pression dans une veine vaut $15$ mmHg au-dessus de la pression atmosphérique. À quelle hauteur minimale faut-il placer une poche de soluté ($\rho = 1\,000$ kg/m³) ?

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12

Remontée d'un plongeur

★★☆

À $10$ m ($2{,}0$ bar), les poumons d'un plongeur contiennent $6{,}0$ L d'air. Quel volume occuperait cet air à la surface ($1{,}0$ bar) s'il bloquait sa respiration ? Conclure.

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15

Exploiter l'expérience

★★☆

Dans l'expérience du cours, quel serait le coefficient directeur de la droite si l'on remplaçait l'eau par de l'huile ($\rho = 900$ kg/m³) ?

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20

Vrai ou faux

★★☆

a) La pression augmente avec la profondeur dans un liquide. b) $1$ mmHg vaut environ $133$ Pa. c) Si l'on double le volume d'un gaz à température constante, sa pression double.

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