Modèle expérimental de la respiration humaine

A chacune de nos respirations, les poumons se gonflent ou se dégonflent pour inspirer ou expirer de l’air. Or les poumons n’ont pas de muscles. Quel est le phénomène qui leur permet de se dilater ?

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • une seringue en plastique jetable (volume : environ 60 ml), si possible avec un embout fileté, sans aiguille, à se procurer en pharmacie ;

  • un ballon de baudruche (de taille moyenne ou petite) ; un élastique (bracelet de caoutchouc) de petite taille ;

  • accessoires : un poinçon, des ciseaux, du fil retors de coton ou de lin (de longueur légèrement supérieure à celle de la seringue).

Montage et réalisation

Une seringue jetable à embout fileté a, comme les autres seringues, un embout étroit sur lequel on fixe l’aiguille. Elle possède en plus un embout cylindrique fileté de même axe que l’embout à aiguille et de diamètre plus large. Commencer par enlever le piston de la seringue. Pour faire, au bout de l’aiguille, un trou de la taille de l’embout fileté, il faut enlever l’embout à aiguille en introduisant un poinçon avec force et assez profondément dans l’embout à aiguille jusqu’à ce que celui-ci reste coincé dans le poinçon. Continuer à enfoncer le poinçon jusqu’à ce que l’embout se détache de la seringue. Si le trou qui s’est formé n’est pas assez grand, il faut l’élargir jusqu’à ce que son diamètre corresponde au diamètre intérieur de l’embout fileté.

Introduire le fil retors dans la seringue en l’enfilant dans le trou par l’extérieur et le faire glisser jusqu’à ce que son extrémité arrive au bas du corps de la seringue (appelé « extrémité large » dans la suite du texte). Attacher l’embouchure d’un ballon de baudruche au bout du fil situé près de l’extrémité large. Tirer le fil pour faire remonter le ballon jusqu’au trou en laissant l’embouchure du ballon dépasser un peu à l’extérieur alors que le reste du ballon est encore à l’intérieur de la seringue (voir photo 1).

Si le ballon a été trop remonté dans la seringue, on peut le faire redescendre en s’aidant d’un crayon : introduire dans la seringue par l’extrémité large le bout du crayon qui n’est pas pointu et s’en servir pour tirer le ballon vers le bas. La membrane de caoutchouc d’un ballon de baudruche est roulée à l’embouchure. Si ce renflement gêne le passage à travers le trou, il faut tout simplement le couper.

Pour remettre le piston dans la seringue, il faut ménager un canal de sortie pour l’air au niveau du trou en poussant le ballon sur le côté. Pousser le piston au maximum sans toucher le ballon.

Enlever le fil attaché au ballon (le couper si nécessaire), retourner par-dessus l’embout fileté la partie de l’embouchure du ballon qui sort du trou et fixer solidement la membrane par plusieurs tours d’élastique pour s’assurer que la jonction est bien étanche).

Tirer le piston vers le bas (photo 2) : l’air extérieur est aspiré dans le ballon. Pousser le piston vers le haut : l’air du ballon s’échappe à l’extérieur.

Explications

Les forces pressantes exercées par l’air situé à l’intérieur du ballon doivent compenser les forces pressantes de l’air situé à l’extérieur du ballon et la tension de la membrane de caoutchouc. La pression à l’intérieur du ballon est donc supérieure à la pression à l’extérieur, la différence étant due à la tension de la membrane.

Lorsque le piston est en position 1 (voir photo 1), la pression de l’air entre le ballon et le corps de la seringue (on l’appellera espace B) est égale à la pression avant qu’on ferme cet espace de façon étanche, donc égale à la pression atmosphérique . A l’intérieur du ballon (on l’appellera espace A), l’air communique avec l’extérieur, il est donc à la pression atmosphérique.

Lorsqu’on tire un peu le piston vers le bas, le volume de l’espace B augmente, donc la pression diminue (loi des gaz parfaits). L’espace A, qui communique avec l’extérieur, restant à la pression atmosphérique , la membrane se déforme en s’incurvant vers le corps de la seringue, ce qui entraîne une diminution du volume de l’espace B.

Pour déterminer le volume occupé par l’espace B dans la position 2, évaluons la pression qui s’y exerce. L’intérieur du ballon reste à la pression atmosphérique = 1 bar. Notons la différence entre la pression à l’intérieur du ballon et la pression à l’extérieur ; est dû à la tension de la membrane et est inférieure à 0,04 bar (voir à ce propos l’expérience « Ballons communicants »). On en déduit :
.
Comme 0 bar 0,04 bar, en prenant » 1 bar on obtient :
0,96 bar 1 bar.

La pression dans l’espace B varie entre 1 bar (position 1) et 0,96 bar (position 2). A cette diminution de pression correspond une augmentation de volume. Notons le volume occupé par B en position 1 et V_{B2} en position 2. En appliquant la loi des gaz parfaits, on obtient :

Cette augmentation de volume est si faible que nous n’en tiendrons pas compte ; on peut donc considérer que le volume de l’espace B reste pratiquement constant lorsque la position du piston varie. Ceci signifie que l’augmentation du volume de l’espace A lorsqu’on tire le piston est pratiquement égale à l’augmentation du volume intérieur de la seringue.

Remarques

L’être humain ne peut pas faire bouger ses poumons, il doit augmenter le volume de sa cage thoracique pour faire entrer l’air dans ses poumons et le diminuer pour expirer. Le volume de la cage thoracique augmente soit par la respiration thoracique (écartement ou rapprochement des côtes) soit par la respiration abdominale (abaissement ou relèvement du diaphragme).

L’expérience présentée ici constitue un modèle de la respiration abdominale. Le ballon de baudruche joue le rôle d’un poumon, le corps de la seringue celui de la cage thoracique et le piston celui du diaphragme qui peut se soulever ou s’abaisser.

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