grand oral: exposition au froid extrême

« GRAND ORAL PHYSIQUE INTRODUCTION Wim Hof, surnommé « l’homme de glace », est internationalement connu pour avoir battu plusieurs records du Guinness d’exposition au froid extrême.

Il a établi le record du monde du temps le plus long au contact direct du corps avec la glace.

Il a réitéré 16 fois l’exploit.

Son record le plus long a une durée de 1 heure 53 minutes et 2 secondes en 2013. Ma question est donc la suivante : Combien de temps une personne peut-elle rester dans de l’eau très froide , avant d’atteindre l’hypothermie grave ? Pour y répondre, nous suivrons le cheminement suivant : Dans un premier temps, nous verrons que le corps humain peut être considéré comme un système thermodynamique ; ensuite, nous étudierons les mécanismes de la chute de température ; enfin, nous aborderons les applications concrètes ainsi que les limites de ce modèle. PREMIÈRE PARTIE : Le corps humain, un système thermodynamique Pour modéliser cette situation, on considère une personne de 75 kg qui plonge en maillot de bain dans une eau glacée à 2,8 degrés Celsius.

On suppose que cette température de l’eau reste constante tout au long de l’expérience, car la quantité d'eau de la mer ou de la piscine est infiniment plus grande que le plongeur. Pour simplifier les calculs , on considère que la température du corps est parfaitement la même partout, de la peau jusqu'aux organes internes (cœur, poumons ) , et qu’elle évolue au cours du temps.

On la note simplement T. Dans ce système, la puissance produite par le corps doit lutter contre la puissance perdue.

Même dans l’eau froide, Le corps humain produit en permanence de la chaleur grâce au métabolisme. Cette énergie thermique provient de la transformation des aliments que nous consommons et correspond à un flux constant d’environ 1,0x107 joules par jour. La puissance thermique du métabolisme correspond à la vitesse à laquelle le corps produit cette énergie, autrement dit une quantité d’énergie produite par unité de temps. On utilise la relation fondamentale : la puissance est égale à l’énergie divisée par le temps.

En convertissant une journée en secondes, on effectue alors le calcul et on obtient une puissance d'environ 116 watts, soit environ 0,12 kilowatt. Cela signifie que le corps humain produit en permanence une puissance thermique comparable à celle d’une petite ampoule ou d'un ordinateur portable en marche. DEUXIÈME PARTIE : Les mécanismes de la chute de température Les échanges de chaleur entre le plongeur et l’eau seront modélisés par des transferts thermiques entre le corps et l’eau environnante. Le plongeur échange de la chaleur avec son environnement de deux façons. D’abord, comme nous venons de le voir, son corps produit de la chaleur grâce au métabolisme.

La quantité d’énergie reçue par le système pendant une petite durée Delta T est positive et s'exprime par le produit de la puissance du métabolisme par cette durée. Mais en parallèle, le corps perd massivement de la chaleur vers l’eau.

Cette perte se fait par deux phénomènes physiques distincts. Le premier mécanisme est la conduction : lorsque la peau est en contact direct avec l'eau froide, la chaleur se transmet de molécule à molécule, du corps (chaud) vers l'eau (froide).

L'eau est environ 25 fois plus conductrice que l'air donc le corps se refroidit donc bien plus vite dans l'eau que hors de l'eau. Le second phénomène, c’est la convection.

Lorsque la peau réussit à réchauffer une infime particule d'eau qui la touche, cette eau devient plus légère et se déplace, ou est emportée par les courants.

Elle est immédiatement remplacée par une nouvelle molécule d'eau à 2,8 degrés Celsius, totalement glacée.

Ce mouvement de fluide crée un flux continu de refroidissement. Puisque l'énergie s'échappe du plongeur vers le milieu extérieur, ce flux thermique global est physiquement compté comme négatif.

Le bilan d'énergie sur une petite durée montre donc que l'énergie totale du plongeur est la somme de ce qu'il produit (le métabolisme) et de ce qu'il cède à l'eau (le flux négatif). En utilisant le premier principe de la thermodynamique, on sait que cette variation d'énergie interne est directement liée à la masse du plongeur, à sa capacité thermique massique (sa capacité à stocker la chaleur) et à la variation de sa température. En égalisant le bilan d'énergie et la variation d'énergie interne, puis en divisant par le temps, on établit ce que les physiciens appellent une **équation différentielle**.

Pour expliquer cela simplement au jury, cette équation traduit une loi de la nature appelée la Loi de Newton : la vitesse à laquelle le corps se refroidit est proportionnelle à l'écart de température entre le corps et l'eau.

Plus le plongeur est chaud par rapport à.... »