Portance 2/3

Et oui, la voilà, la suite de la première partie sur la portance !

Pour ceux qui arrivent ici par hasard (j’ai vu de la lumière…), bienvenu. Ce qui suit peut difficilement être lu sans passer par la partie 1/3 !

Pour les accro, les drogués du foil qui suivent les articles de « Foilers ! », je sais, il était temps ! Ce n’est pas de ma faute mais de celle d’une grande entreprise productrice de PC qui a utilisé un modèle de carte graphique frelaté !

Rappel, du sommaire

Partie 1/3

I – Introduction

Sommaire

Un monde ailé

Théories et théoriciens….

Air & eau ?

II – Théorie basée sur l’effet ricochet

III – L’explication populaire

IV – Théorie basée sur l’effet Venturi

Partie 2/3 (vous êtes ici !)

V – Théorie basée sur l’effet Coanda

VI – Théorie de la circulation ou de Kutta & Jukowski

VII – Théorie de l’écope ou de Newton

Partie 3/3

VIII – La théorie de Hoffman & Johnson

IX – Kutta Jukowski  VS  Johnson & Hoffman

X – Théories non développées

XI – Pour essayer d’y voir plus clair !

XII – Portance « sur l’eau »

XIII – Conclusions

Remerciements

V – Théorie basée sur l’effet Coanda

Cette théorie suggère que la portance, est liée à l’effet Coanda. Effet mis en évidence et décrit par l’Ingénieur Roumain Henri Coanda, que certains surnomment le père de l’aviation à réaction. Dans certaines conditions, un flux d’air ou d’eau qui se déplace à proximité d’une surface courbe adhérera à cette surface et la suivra. L’argument principal de cette théorie, est que si le fluide change de direction, alors il doit exister une force extérieure qui explique ce déplacement. Il nous ait ensuite expliqué que cette force est liée à la combinaison de la différence de pression et à la viscosité du fluide.

Pour en revenir à l’effet Coanda, lorsque l’on cherche à déterminer l’origine de ce phénomène, on découvre beaucoup d’expériences qui permettent de le visualiser, mais pas ou peu d’explications ! L’effet Coanda semble être une combinaison de deux facteurs : les efforts de frottement à la surface et la viscosité du fluide. La tension superficielle, ou les forces de Van Der Walls, ralentissent le fluide à son interface avec l’aile et conserve la couche limite en contact avec la surface. La viscosité du fluide permet la cohésion entre la couche limite et le reste du fluide. Bien entendu, ceci n’est valable que dans une certaine plage de conditions : viscosité, vitesse, courbure…

Expériences

Il suffit de disposer un verre ou une petite cuillère sous un robinet, de façon a ce qu’un filet d’eau touche la partie bombée de l’objet, pour voir le liquide suivre la surface de l’ustensile. Il existe aussi une autre expérience, très facile à réaliser, celle de la feuille de papier légèrement courbée, tenue entre 2 doigts, et au dessus de laquelle on souffle. Si on souffle fort, le papier s’élève.

Représentation effet Coanda – photo F Monsonnec 01/2011

Oui mais

Nous savons que pour qu’il y ait effet Coanda, il faut que la forme soit convexe, pourtant une plaque plane est capable de produire de la portance !

Bien que d’autres théories plus abouties intègrent l’effet Coanda dans l’explication de la portance, ce seul effet ne peut pas expliquer ce phénomène.

D’après cette théorie, si la viscosité est modifiée la portance est proportionnellement modifiée. Toutefois en réalité, le niveau de portance produit par une aile est indépendant de la viscosité (sur une importante plage).

Cette théorie, seulement basée sur l’effet Coanda, néglige le fait que l’aile augmente la vitesse du fluide à son voisinage et ne tient compte que de la vitesse relative du fluide donc à une certaine distance du profil. De ce fait, les partisans de cette solution obtiennent des résultats environs 10 fois plus faible que la réalité.

Remarques

  • L’expérimentation par Henri Coanda du premier moteur à réaction ne manque pas de piquant (ou de chaleur !). 20 ans après cet essai, Henri Coanda compris ce qui s’était passé lors de son premier essai de moteur à réaction, et durant 35 ans, il étudia ce phénomène et déposa de nombreux brevets !
  • Ahhh l’effet Coanda !!! C’est lui le responsable de votre énervement, le matin lorsque que vous donner à boire à votre table au lieu de remplir votre tasse de café ! J’ai dernièrement eu l’occasion de voir en action un petit dispositif anti effet Coanda. Un petit disque en plastique souple (diam75 mm, épaisseur 190µ) qui était vendu 1.5€ pièce. Ce qui pour la petite histoire fait 1390€ le kg soit le prix du Caviar Petrossian et 3 fois le prix de la Truffe !  Bon prix pour un vulgus assemblage par lamination d’un film Polyéthylène (une face imprimée « cello-émail », une face aluminisée). Ce prix m’a titillé ! Par curiosité, j’ai trouvé le prix de vente fabricant, 0.5€ pièce (pour 5000 commandées), soit 470€/kg. Prix de revient estimé, entre 5 et 10€ /kg (je travaille dans la fabrication de films). Bref, belle niche ! Dans le même style, il existe aussi un système anti effet coanda qui utilise l’effet venturi pour aérer le vin et donc limiter le temps de d’aération (Vinoair) !

Drop stop, dispositif anti effet Coanda – photo F Monsonnec 06/2011

Exemples de sites développant cette explication

Centre de planeur du Sénonais

Lamap

VI – Théorie de la circulation ou de Kutta & Jukowski

Les premières recherches effectuées dans le but de quantifier la portance ont été réalisées sur la base d’un fluide parfait. Nous allons le voir, cela a amené les chercheurs devant une incompréhension puisque leurs travaux ne rejoignaient pas les observations. Pour bien comprendre cette théorie, et ce que le fluide nous cache (!), il est judicieux de partir de cette même hypothèse. La simulation du flux d’un fluide parfait – incompréhensible et sans viscosité – autour d’une plaque de faible épaisseur montre que pour ces conditions, il existe deux lignes de séparation du flux (appelé aussi ligne de stagnation et point d’arrêt, lorsqu’il s’agit du point sur le plan). Une ligne sur l’intrados un peu en dessous du bord d’attaque, la seconde (qui pourrait être appelée ligne de jonction), sur l’extrados un peu au dessus du bord de fuite. Cette simulation montre surtout que les lignes d’écoulement sont symétriques par rapport au plan. Les forces de pression des deux côtés de la plaque sont identiques, sans portance et sans traînée ! Ce résultat, est bien entendu, totalement à l’opposé de la réalité. Là où « le bât blesse », c’est que nous sommes partis de l’hypothèse que la viscosité du fluide était nulle. Cet écart entre la théorie de l’époque (18ème siècle) et la réalité porte le nom de son découvreur, le paradoxe d’Alembert.

 Dans les écoulements réels, des perturbations apparaissent à l’arrière du solide (sillage). L’origine de ces perturbations est la viscosité des fluides réels. Sans viscosité, pas de traînée. C’est grâce aux travaux de W. Kutta et N. Jukowski au début du 20ème siècle, que le mystère s’est éclairci : il existerait un phénomène autour du profil nommé circulation. A noter que Kutta et Jukowski sont arrivés aux mêmes conclusions alors que leurs études ont été réalisées par des voies indépendantes. Quelques années plus tard, en 1918, le physicien allemand Prandtl (que certain appelle le père de la théorie moderne de la mécanique des fluides et à qui on doit la notion de couche limite), a donné une description plus complète de cette possible circulation (d’après les Anglais, c’est Frederick William Lanchester, qui a travaillé sur ce point avant Prandtl). La circulation apporterait l’élément manquant pour comprendre comment se développe la portance. A noter que cette théorie de la circulation avait déjà été évoquée par Robin puis par Magnus.

Que propose la théorie de Kutta-Jukowski ? Lorsqu’un corps symétrique à forme lisse, comme par exemple un plan de section ovale, se déplace dans un fluide avec une incidence positive, il y a deux points d’arrêt. Le premier près du bord d’attaque sur l’intrados, le second sur le bord de fuite de l’extrados (comme notre plaque dans un fluide parfait, voir ci-dessus). La circulation est nulle, la portance aussi. Maintenant, d’après WK et NJ, si un profil avec un bord de fuite aigu se déplace dans un fluide avec une incidence positive, les deux points d’arrêt se trouvent au départ dans les mêmes positions que précédemment. Quand le fluide qui passe sous l’intrados atteint le bord de fuite, il doit contourner celui-ci pour aller vers le point d’arrêt situé sur l’extrados. En raison du rayon de courbure nul du bord de fuite, la vitesse du flux devrait être localement infinie. Ce qui est bien entendu impossible.

Contournement du bord de fuite par le flux – livre CA Marchaj Aero-Hydro of sailing

Le bord de fuite aigu génère toutefois une vitesse élevée qui se transforme en un tourbillon initiateur. Telle la roue dentée d’un engrenage, le tourbillon entraînerait par viscosité le fluide avoisinant, générant une « circulation » autour du plan. La circulation du tourbillon initiateur serait équilibrée par celle du tourbillon attaché au plan (qui tourne en sens inverse). D’après la théorie de Kelvin, la circulation autour d’une courbe fermée doit rester nulle. Lorsque le premier tourbillon croît, le second croît dans les mêmes proportions, ce qui déplace le tourbillon initiateur vers le bord de fuite où il quitte le profil avant d’être dissipé : l’équilibre est atteint (l’influence du tourbillon initiateur devient négligeable). La circulation Γ autour du profil s’adapterait constamment de telle sorte que la condition de Kutta-Jukowski reste vérifiée.

Création puis déplacement du tourbillon initiateur – livre CA Marchaj Aero-Hydro of sailing

A chaque évolution de l’incidence ou de la vitesse qui modifie la circulation, un nouveau tourbillon initiateur se forme et se détache du profil. Ces tourbillons bien réels, permettraient d’obtenir un nouvel équilibre de la circulation. Cela reviendrait à ajuster la circulation de manière à permettre à la ligne de courant de s’échapper du profil en partant de sa pointe sans que celle-ci soit contournée.

Création d’un nouveau tourbillon variation soudaine d’incidence de 15° (German war report institute of Gôttingen)- livre CA Marchaj Aero-Hydro of sailing

Le déplacement du point d’arrêt jusqu’au bord de fuite stabilise l’écoulement. Sur l’extrados, la vitesse du plan et la circulation s’ajouteraient. Sur l’intrados la circulation serait opposée à la vitesse du profil. La circulation autour du profil se traduirait par des vitesses plus élevées sur l’extrados, que sur l’intrados, d’où des pressions plus faibles donc par la portance (voir théorème de Bernoulli).

 

Expérience

Remplir une baignoire de10 cm d’eau et saupoudrer la surface de talc ou de poivre (cela doit fonctionner avec d’autres poudres, mais éviter celle de Colombie sous peine d’effets secondaires !). Découper ensuite un rectangle de 10 x15 cm dans une matière rigide (carton…), que vous cambrez légèrement. Déplacer la plaque cambrée, le « plan », de la droite vers la gauche de la baignoire. Vous pourrez alors observer : la création du tourbillon initiateur, le détachement du tourbillon initiateur, le fait que l’eau en avant du profil s’incurve vers le haut pour passer au dessus du profil. A environ30 cmde l’extrémité de la baignoire vous pouvez retirer le plan de l’eau et la circulation apparait !!!!!!

Vous l’aurez remarqué, si vous avez ouvert cette vidéo, mes essais de visualisation de la circulation ne sont pas très nets. Mais une vidéo trouvée sur le net est plus explicite (mais ne montre pas de tourbillon initiateur !)

Comment résumer cela ?

De part sa forme (bord de fuite tranchant), un profil disposé avec une certaine incidence « oblige » le flux à se positionner de manière à ce que la ligne de séparation des flux venant de l’intrados et de l’extrados se place au niveau du bord de fuite. Ce déplacement est lié au développement d’un tourbillon généré, au démarrage, par le flux qui contourne le bord de fuite. Ce tourbillon fait naître un second tourbillon centré sur le plan. Ces deux tourbillons donnent naissance à un phénomène de circulation autour de l’aile qui permet d’obtenir un équilibre du système. Le flux, une fois stabilisé, il existe une différence de vitesse et de pression entre l’intrados (haute pression*) et l’extrados (basse pression*) et donc création d’une portance.

* texte modifié le 11-11-12 suite à l’intervention de Samuel Damoy

Remarques

  • D’après cette théorie, la portance est donc intimement liée au caractère anguleux du bord de fuite. Mais cela fonctionne aussi avec des profils aux deux extrémités aigues comme ceux utilisés sur Mayfly, Icarus… (profils lenticulaires)
  • Pourquoi, alors que les pionniers de l’aviation n’étaient pas au courant de l’existence de ces phénomènes et de l’importance de la forme du bord de fuite, les premiers profils ont été réalisés avec un bord de fuite en « pointe » ? Sûrement par ce que leurs travaux découlaient de l’observation de la forme des ailes d’oiseaux…comme ceux d’Otto Lilienthal ! Et les ailes étaient de simples parois comme nos voiles en tissus (enfin sauf pour ceux qui tournent déjà à la voile épaisse : kites…).
  • Jean Le Rond D’Alembert, découvreur du fameux paradoxe qui porte son nom, fut abandonné à sa naissance par sa mère (une marquise). Son père, commissaire d’artillerie, veilla sur lui à distance. Il tient son prénom au fait qu’il a été abandonné sur les marches de l’église parisienne de Saint Jean le Rond. En plus de ses travaux de mathématique et physique, il se lança avec Diderot dans la rédaction de « L’Encyclopédie ou Dictionnaire raisonné des sciences, des arts et des métiers ».

Oui mais

Et bien, il y a plusieurs « Oui mais », qui sont pour certains développés dans une des théories suivantes. Lorsque j’ai essayé de comprendre cette théorie, la partie la plus difficile à intégrer était la notion de circulation. Notion difficilement visualisable… Certaines sources, présente la circulation comme une sorte de courant circulaire autour du plan porteur. D’autres expliquent que la vitesse de chaque particule est proportionnelle à sa distance avec le centre de la circulation (située au niveau du plan porteur). La circulation pourrait donc être présentée comme le produit de V (la vitesse) par D (la distance) des molécules. Ce calcul tiendrait compte du sens de l’écoulement et la circulation pourrait être « visualisée » autrement que comme un courant circulaire dans lequel s’inscrit le plan porteur. Mais cette fameuse circulation reste tout de même assez abstraite… Pour certains, la notion de circulation ne serait qu’un artifice mathématique développé pour que la solution des équations soit correcte ! Ils avancent qu’il n’existerait pas de mécanisme physique qui expliquerait ce phénomène et d’observations pour prouver qu’il existe réellement un flux se déplaçant à contre-courant sur l’intrados !

Exemples de site qui développent cette explication

Nasa

Page Wikipédia

Galileo

Bugman

Très très belles animations, cette version du site de Paul Nylander a été transformée en version WordPress, qui est bien plus esthétique, par notre bon docteur Goulu !

MIT

Très belles animations

Densmore

Bonnet Allan

Onomètre

AV8N

Inter action

Très beaux dessins et animations

Liens spécifiques voile

Sailing Science

Les voiles : de l’expérimental au numérique

Arvel Gentry

Camaret plaisance

VII – Théorie de l’écope ou de Newton

Cette théorie plus récente, et mise en avant (entre autre) par David Anderson et Scott Eberhardt, fait appel à la notion « d’écopage » du fluide. Elle est aussi appelée théorie du flux descendant (traduction personnelle de Downwash) ou théorie basée sur la 3ème loi de Newton. Le fluide qui passe autour d’une aile, disposée dans le flux avec une incidence positive, est dévié vers le bas. Cette déviation du fluide est générée par l’intrados, mais aussi par l’extrados ! En contournant la partie supérieure du profil, et en raison de sa viscosité, l’air ou l’eau en contact avec le profil, entraîne avec lui les couches supérieures du fluide. Nous l’avons vu, ce phénomène s’appel l’effet Coanda. Dans le domaine du plus lourd que l’air, certains utilisent le terme « d’écope » ou de « pompe » pour décrire le phénomène généré par un plan porteur. Pour éviter la formation de vide derrière l’obstacle (dans certains cas, la nature a vraiment horreur du vide !), une certaine quantité de fluide est « tirée » et accélérée du haut (partie située au dessus du profil) vers le bas (derrière le profil). Le travail nécessaire pour faire descendre et accélérer les molécules (qui ont une masse) expliquerait donc la portance : le déplacement des molécules situées au dessus du plan occasionnant une dépression donc « l’aspiration » du plan porteur. D’ailleurs, ce déplacement d’une certaine quantité de fluide vers le bas est logique puisque la portance occasionne un déplacement du plan porteur vers le haut, il faut bien qu’une partie du fluide soit dirigée vers le bas (d’où l’appellation par certains de théorie de Newton : action / réaction).

Un bon moyen pour expliquer cette théorie, est peut être une explication par l’absurde (merci Xavier). Si l’air ne suivait pas le contour du profil, une poche de vide se créerait derrière celui-ci. D’ou la création d’une dépression qui attirerait les molécules présentes au dessus du plan pour combler la poche de vide ! La dépression sur la partie arrière du profil dévierait donc le flux. Mais nous l’avons vu, le fluide suit bien les contours du plan porteur, ce qui génère un déplacement des molécules et la portance. Certains pourraient me rétorquer : « d’accord pour la partie en arrière du point d’épaisseur maxi, mais que se passe t’il avant ? ». Le plan se déplace à une certaine vitesse dans l’air ou l’eau. Avant d’arriver sur l’aile, une portion du fluide est déviée vers le haut, en raison de la présence d’une zone de surpression sur l’intrados. Cette zone de dépression au dessus de l’aile, renforce ce phénomène, ainsi que le mouvement aval des molécules crée une dépression qui attire et accélère les molécules en amont.

Déflexion du flux derrière un avion – photo Paul Bowen (http://airtoair.net/gallery/gallery-vortices.htm)

Remarques

  • Luc Armand, l’auteur de l’Aile d’eau, et qui est un adepte de cette théorie, utilise un terme le terme « déviateur », dont il peut sûrement revendiquer la paternité. C’est un terme imagé qui convient très bien à la compréhension du phénomène.
  • Plus l’incidence est importante plus « l’obstacle » est grand, donc la déviation du fluide aussi (avec une certaine limite : le décrochage). L’incidence est un élément important dans la création d’une portance, mais elle n’est pas obligatoire ! Un profil asymétrique génère de la portance même à incidence nulle. Il faut d’ailleurs le caller en incidence négative pour que la portance soit nulle, c’est son angle d’incidence neutre.
  • La portance d’une aile serait donc proportionnelle à la quantité de fluide déviée vers le bas. Les avions de voltige volent tête en bas avec une forte incidence et leurs ailes sont symétrique ou presque, ils n’ont donc même pas besoin de cabrer leurs volets de bord de fuite pour générer le d’incidence ou de la portance (sauf à faible vitesse).
  • Newton à qui on doit de très nombreuses découvertes physiques, avait aussi son jardin secret, son grain de folie, puisqu’il a aussi « tâté » à l’alchimie (il appartenait à une société clandestine), et s’est essayé à la transmutation du mercure, à la divination en prédisant la fin du pouvoir des papes en 2060. Il alla même jusqu’à avaler du mercure pour réaliser des expérimentations chimiques… !
  • J’ai trouvé un intéressant article de Bryon D. Anderson qui développe cette théorie et qui contient un schéma qui décrit cette explication de la portance, appliquée au fonctionnement d’un voilier. Je l’ai un peu modifié et surtout traduit en français.

Oui mais

Et bien il semble une nouvelle fois que l’explication soit incomplète car d’autres théories existent. Bien entendu, cette explication est satisfaisante même pour un avion qui vole sur le dos. Pourtant, mêmes s’il est indéniable que le fluide est dévié vers le bas, cette théorie ne serait, d’après ceux qui la critique, pas suffisante pour expliquer certains phénomènes (effet de sol…). Elle ne permettrait pas de quantifier la portance, juste d’expliquer ce qui se passe autour de l’aile. Elle n’expliquerait pas ce qui se passe, par exemple, sur le bord de fuite… Autre question, pourquoi le fluide va plus vite sur l’extrados… ?

Exemples de site qui développent cette explication

Figer

TPE avion

Meat School

Laus des himmels

Liens spécifiques voile

Science UNSW

Wikipedia

Answer.com

Physics of a Sailboat

Aero shape

Steadywinds

Physics Sailing

A suivre…

Je vous propose de découvrir la prochaine partie dans quelques semaines…

Mais vos premières remarques sont les bienvenues.

35 commentaires pour Portance 2/3

  1. FLOTTES Patrice dit :

    La zone d’influence d’un foil est bien plus « épaisse » que son profil, ne faudrait-il pas tenir compte des différences de pression entre intrados et extrados ?

    Par ailleurs, quand un voilier progresse au près, il gite, cela ne favorise-t-il pas la portance de la quille ?

    • Bonjour Patrice,

      Déjà, sans cette « histoire », je ne suis qu’un compilateur (une sorte de journaliste), j’en sais sûrement moins que bien des lecteurs, même si j’ai pondu le truc ci-dessus ! Je « n’ai fait » qu’essayer de synthétiser des théories (donc en passant par le filtre de ma pauvre matière grise). Je n’ai donc pas de réelle connaissance sur le sujet !!

      Mais pour la notion de différence de pression entre l’intrados et l’extrados, quelque soit la théorie de la portance, il est accepté que la vitesse sur l’extrados est supérieure à celle sur l’intrados. Après suivant les théories, cette différences de vitesse est expliquée, ou pas, et l’explication exacte, ou pas ! Donc si la vitesse est différente, inévitablement, la pression est différente. En effet, le théorème de Bernoulli dit qu’à altitude égale la pression d’un fluide diminue quand sa vitesse augmente et inversement. Autant la théorie qui se base sur Bernouilli pour expliquer la portance peut être remise en question, autant ce théorème, non ! Bref, il y a bien différence de pression.

      Pour ce qui est de la gite, je pense qu’une fois l’angle « stabilisé », à part le fait que la quille perde en efficacité de part la diminution d’enfoncement, je ne pense pas que la portance change. La dérive, par contre, change l’angle d’arrivée du fluide par rapport au profil, ce qui revient à donner de l’incidence et donc de la portance sous le vent.

      J’espère ne pas raconter trop de bêtises !!!
      A bientôt
      Fred

  2. lacandone dit :

    Bonjour Fred,
    Merci pour cette suite!
    Deux questions:
    – Sur j’en crois le pdf présenté sur le site MeatSchool (la première page est ambigue): elle laisse entendre que tout de même, une part de la portance vient aussi du profil et de la différence de préssion sur les deux faces généré par cette assymétrie. Mais que l’essentiel provient de l’effet action réaction. Est-ce juste? Si ça l’est peut-on donner un ordre de grandeur des deux portances, notemment l’une part-rapport à l’autre?
    – Sur une voile, dans une représentation du près, on représente communément la portance avec un angle légèrement plus aigue que la direction du vent. Or pour autant il me semble difficile d’obtenir avec des courbures de voile communes un angle de portance inferieur à 90°. D’ailleurs quel angle forme la portance et la direction du flux? Je me doute que c’est en fonction de la courbure de l’extrados et de l’incidence, mais est-ce la normale de la direction du flux à la sortie de l’aile?

    ps: c’est pas vraiment mon boulot et je n’aimerais pas poser des questions trop studpides….

    • Popov dit :

      Signé Popov pardon pour l’identification!

    • Bonjour « Lacandone » ou « Popov,

      Tout d’abord, je te rassure à propos de tes questions potentiellement stupides, elles ne le sont pas, mais ce sont surtout mes réponses qui risques de l’être !!
      Car comme je le disais ci-dessus à Patrice : moi ya pas connaître grand chose à tout cela aussi !! Je ne suis qu’une sorte de rapporteur, de compilateur !
      Maintenant, si je peux tenter de donner des avis, plus que des réponses, à tes questions :

      Pour l’importance de la forme du profil : l’effet « action réaction », dépend du profil ! Puisqu’un profil asymétrique aura une influence plus importante sur le flux qu’un profil symétrique ! Bien entendu, l’effet « déviateur » est aussi lié à l’incidence. Comme la « déviation » dépendant du profil, il me semble difficile d’essayer de dissocier l’effet (déviation), du profil. On pourrait comparer la portance d’un profil symétrique et d’un profil asymétrique de même allongement, de même épaisseur et à même incidence. Ce serait un sorte de réponse. D’ailleurs pour bien « montrer » que le profil joue un rôle sur la déviation », il suffit de comparer ce qu’on appel l’angle d’incidence neutre. L’angle pour lequel le profil ne développe aucune portance, ou plutôt que la portance de l’extrados annule celle de l’intrados (même si pour un profil symétrique à incidence nulle, il n’y a plus vraiment de notion d’intrados et d’extrados). Pour un profil asymétrique, il faudra mettre le plan en incidence négative pour que la portance créée par l’extrados annule celle de l’intrados (-4° par exemple). Par contre, pour un profil symétrique, l’angle d’incidence neutre, c’est 0° !

      Pour ce qui est de la représentation de la portance sur une voile, il faudrait que je regarde (si tu as des exemples), je ne me souviens pas vraiment de ce point. Est ce que la force dont tu parles ne serait pas plutôt la résultante de la portance de la voile (presque perpendiculaire au profil) et de l’action anti dérive de la coque et des appendices, donc la direction du bateau ?

      Pour ta question sur la direction de la portance avec la direction du flux : sauf erreur de ma part, car je ne suis pas trop sur de moi, la portance est perpendiculaire avec la direction du plan. Puisque la portance est une des composantes de la force développée par le plan : portance (sustentation) et trainée. La direction de la portance avec le flux, si tout cela est correcte, serait donc égale à l’incidence. Maintenant si la question est : « quel est l’angle formé par la résultante de toutes les forces développées par le plan, avec la direction du flux ? », cet angle est fonction de la trainée. Si elle est grande, la résultante aura une direction très inclinée vers l’arrière du plan (elle est toujours inclinée vers l’arrière puisque le 0 traînée n’existe pas). Il faudra rajouter cet angle d’inclinaison par rapport à la direction (+ de 90° donc) à l’incidence ! La trainée dépend bien entendu de nombreux facteurs comme la forme du profil, sont allongement, sa rugosité…

      Je ne sais pas :
      1 – si je ne viens pas de raconter de grosses grosses conneries, Xavier, Gurval, Dr Goulu et autres piliers de « Foilers », Help, merci de me corriger si besoin !
      2 – si j’ai répondu à tes questions qui n’étaient pas idiotes puisque les réponses ne viennent pas d’elles mêmes !!

      A bientôt
      Fred

      PS 1: ce n’est pas mon boulot non plus, mais alors pas du tout !
      PS 2 : quand je regarde mon cursus (avec une loupe), je me demande comment j’ose répondre à ce genre de questions !!!

  3. Salut Popov,

    « D’ailleurs quel angle forme la portance et la direction du flux? »

    Autant que je sache, par définition la portance est perpendiculaire au flux, quelque soit l’angle d’attaque. Pour un avion ou un hydrofoil fonctionnant à altitude constante, la portance est définie comme étant la force qui annule le poids. Le poids étant vertical (toujours par définition) la portance l’est aussi.
    Pour une voile, la portance est perpendiculaire au vent relatif.

    Enfin … il me semble.

    Bonne soirée,

    GG

    • Merci GG,
      C’est vrai que j’ai dit que la portance était perpendiculaire à la direction du plan, ce qui revient à la direction du flux dans la majorité des cas, mais peut-être pas tous ! Expliqué comme cela (opposée au poids), c’est bien plus clair, exacte, logique !
      Quand à la portance de la voile, que dire de plus ?
      Merci
      Fred

      • Popov dit :

        Merci pour vos réponses,
        En réalité l’un des schéma présenté sur la page de chez Finot/conq est assez explicite sur ce point. La portance semble bien perpendiculaire à la direction du flux/vent. La résultante de la force vélique semble quant à elle toujours orienté perpendiculairement au plan de voilure…
        Du coup au portant (et je suppose que ça ne fonctionne que si le vent apparent demeure sur l’arrière), c’est la trainée qui génère l’essentiel de la force propulsive.
        Question: est ce que dans le cas des navires les plus lents on demeure aux allures portantes dans un régime de propulsion turbulent plus que d’écoulement (peut-être est-ce mal exprimé?)?

        Du coup la combinaison de deux voiles est bien compliquer à cernée vu que le flux est dévié deux fois… mais le site de Arvel Gentry est bien intéressant.

        Re-merci pour ces articles!

  4. Merci encore Fred pour ce bel effort de compilation et de démocratisation !🙂
    Je n’ai pas lu tous les longs commentaires, mais je ne peux m’empêcher de mettre mon grain de sel à ta dernière question : étymologiquement peut-on réellement parler de portance pour une voile ou un plan antidérive ?
    En effet dans ce cas cette force ne « porte » pas, mais elle entraîne en déviant les flux… Bon, je n’aurai pas l’insolence de proposer « déviance » parce qu’en guise d’entraîneuse, on ne sortirait plus des quolibets ! ;o)
    Je proposerais donc in fine « force réactrice » comme terme générique à employer partout pour cette force si justement appelée portance pour l’aile d’avion, ou même pour coller à l’usage de ces détournements néologiques si poétiques des sciences physiques : « réactance ».
    Et puis ça rime avec « plaisance »😉

    • Bonjour Guy,
      Très intéressante remarque. Comme introduit dans la première partie, j’ai essayé de lister les différentes explication de la portance qui existe (il en manque peut être), en mettant en avant le fait que dans l’air ou dans l’eau (voir Sailrocket 1) c’était « ki kif ». Mais comme lorsque j’ai trouvé des documents relatifs aux voiliers, je les ai mis en avant, alors je ne peux pas me cacher derrière ce point pour dire : « oui, enfin, je parlais d’une façon générale » ! Alors oui, si j’avais un peu plus réfléchis (ou si j’avais eu ton cerveau !), j’aurai pu mettre en avant le fait que pour une voile, d’autres mots seraient plus approprié que portance !
      Fred
      Je vote pour déviance, moi (non réactrice, c’est intéressant) !

  5. gurval dit :

    Bravo fred pour ce super boulot de compilation très riche. Je ne peux pas me permettre plus que quelques félicitations car je ne suis qu’un empiriste. Je serai bien incapable de faire un tel travail. Alors juste « chapeau » !!

    • Patrice dit :

      Je complète ma remarque (avec mes mots et mon niveau de perception des choses):
      Je ne voulais pas parler de pression différentielle résultant du déplacement du profil et donc de la différence de vitesse entre extrados et intrados.
      Je faisais allusion à la bête pression hydrostatique qui évolue rapidement dans un fluide beaucoup plus dense que l’air.
      Quand on fait de la plongée, le delta H entre le centre du deuxième étage du détendeur qui délivre de l’air « à la pression ambiante » et la position moyenne des poumons se traduit par des efforts d’aspiration, ou au contraire une sur-abondance de débit suivant la position respective de l’émetteur (détendeur) et du récepteur (les poumons).
      Chaque centimètre de delta H est perceptible par le corps humain.
      Je suppose bêtement, au premier sens du terme, que la portance d’un foil est encore plus sensible à ce phénomène.

      • Bonjour Patrice,
        Tu apportes là une information très intéressante que je ne connaissais pas. Et au début de la lecture de ton mail, je me suis dis, « la distance doit être trop faible pour que cela change quelque chose », mais ensuite tu sembles apporter la preuve du contraire ! Donc, je ne sais pas, et c’est un point très intéressant. Maintenant, qu’elle est l’importance de cette variation de pression par rapport aux modifications engendrées par le profil lui même, je n’en sais rien non plus !
        Intéressant et je « sèche » !
        Fred

        • Samuel Damoy dit :

          Si si, tu connais bien les effets de cette différence de pression: c’est tout bonnement la force d’Archimède. Pour un foil volumineux et léger ça peut éventuellement jouer un rôle non négligeable, mais pour des ailes ou hydrofoils typiques, c’est malheureusement le poids qui gagne! De toute façon la résultante force d’Archimède+poids est facile à prendre en compte puisque ça se résume uniquement à une force verticale constante.

      • Salut Patrice,

        Effectivement, physiologiquement, le corps humain est très sensible à la différence de pression dans sa fonction « respiration ».
        Tous ceux (et j’en suis) qui ont essayé de rallonger un tuba de 50 cm pour tenter de descendre un peu en dessous de la surface tout en respirant, en ont fait l’amère expérience …
        En fait tout le monde sait que la pression de l’eau augmente d’un bar (pas le poisson) tous les dix mètres environ. Sauf erreur de ma part, 50 cm entraine un delta P de 0,05 bar (en pascal
        ça fait plus scientifique mais moins spectaculaire😉 )

        Je pense donc que les logiciels qui tentent de calculer les Cz et Cx négligent cette différence de pression (?)

        Bon dimanche à tous,

        GG

    • Merci Gurval,
      Je préfère très très largement être un bon empiriste qu’un bon « compilateur »😉
      Fred

  6. xavierlabaume dit :

    je vote aussi pour deviance (pour info, L. Armant qui aime bien les terme « deviateur » a pondu récemment cela : http://vimeo.com/29247558 , concept très intéressant mais qui pose la question « pourquoi le BA ne s’écrase-t-il pas? »)

    quand à la question « pourquoi le fluide va plus vite sur l’extrados… » issue du « oui mais » de l’écope, je dirai que la part résiduelle de dépression (dépression qui attire le fluide aux alentours, et partiellement comblé par celui-ci) attire non seulement le fluide au-dessus (->portance) mais aussi en amont (->vitesse->dépression->portance)

    et pourquoi pas en aval? hé bien, car comme montré dans la théorie de la circulation, il faudrait (à cause de la forme du BF et du rayon de courbure faible) beaucoup plus d’énergie.

  7. Poseidius dit :

    Je ne sais pas si cet engin à déjà fait l’objet d’un post sur le blog.

    Hydrofoiler F1
    http://wing-cat.com/about_HydrofoilerF1_en.htm

    Nicolas

    • Bonjour Nicolas,

      Belle découverte, non, nous n’en avons jamais parlé.

      On ne peut que se réjouir de l’arriver d’un nouvel engin, mais :
      – Je n’aime pas l’option contrôle du foil par ordinateur ! Ce n’est pas pour moi de la voile ! La beauté d’un système d’asservissement, c’est qu’il reste mécanique (ou ouh le vieux ringard que je suis !).
      – Second point, je n’aime pas la communication un peu trop « grandiloquente ». J’attends de voir le canot sur l’eau…
      – Enfin, pour moi (toujours monsieur vieux chnock) la réalisation d’un engin de ce type passe par un minimum de connaissance de l’histoire de ce type de bateau. Et quand je lis que le premier catamaran à foils à volé en 1962, je me dis qu’il y a un bon nombre de pionnier qui doivent se retourner dans leur tombe !

      Pour répondre à la remarque de Xavier, je ne sais même pas ce qu’ils veulent protéger ! La rotation complète du plan porteur, comme les travaux de Christopher Hook en 1950 ? La régulation par ordinateur comme sur des proto. à moteur aux USA en 1954 (et peut être avant?)? Le concept push / pull de foil au vent triant vers le bas, comme sur le voilier Force 8 par exemple (c’est en fait le concept Hook) ?…..
      Cela rejoint ma remarque sur la connaissance des engins du passé!

      Mais j’espère le voir un jour voler, même si le computer embarqué…
      Fred

  8. xavierlabaume dit :

    superbe engin! (enfin, superbe rendu d’engin).

    à part le fait qu’il n’y ait qu’un seul mat, ca me fait penser au Trifoiler de G.Ketterman…

    avec seulement 14m², je doute un peu du « Even a light wind is enough to get moving ». dommage de pas toiler plus sur une formule dont l’avantage est l’enorme couple de rappel.

    les bras paraissent bien fins, surtout l’inertie en flexion qui à l’oeil parait faible…

    « World Pat. pend. Reg. Design » : je suis sur que Fred se fera un plaisir de sortir en 30s un historique long comme le bras qui réduira à peau de chagrin les caractéristiques brevetables n’ayant pas antériorités.

  9. Poseidius dit :

    Petite news: DCNS s’engage sur le projet Hydroptère… avec Luc Alphand à bord.
    Annonce mardi matin à Paris….

    Pour l’Hydrofoiler F1, ils étaient présent au Boat Show de Dusseldorf, donc attendons un peu pour voir si le projet prend forme. Pour ce qui est de la voilure: 14m^2, ce n’est en effet pas beaucoup surtout pour un bi-place. Mais comme tout travail prospectif cela reste optimisable, de même le manque de voile d’avant risque aussi d’être préjudiciable pour la manoeuvrabilité.

    Je parierai que le prochain design sera avec une aile rigide😉

    Nicolas

  10. Poseidius dit :

    Hydrofoiler F1: ce n’est pas que de la CAO !!!


    source: http://www.sailinganarchy.de/

    • Merci Nicolas,

      En effet, ce n’est pas que de la CAO !
      J’aime bien le côté engin de loisirs avec prise en main rapide. Si le safran se relève facilement, voici un engin qui sera pratique à mettre à l’eau sans abîmer les foils.
      Mais nouvelle petites remarques (!) :
      – Je m’étonne de la surface antidérive pléthorique des jambes de force !
      – Etrange de mettre en avant le coté high tech et d’avoir des plans porteurs rectangulaires

      Fred

  11. Poseidius dit :

    Hydroptère DCNS

    L’oiseau de carbone étoffe son nom et devient l’Hydroptère DCNS !

    Alain Thébault et son équipe rejoignent pour trois ans les Filières du Talent DCNS. Objectif : former plusieurs apprentis skippers, parmi lesquels Luc Alphand, à la navigation sur le trimaran le plus rapide de la planète et s’envoler sur les grands parcours océaniques. Première escale : le Pacifique.

    CP: http://hydroptere.com/news/458/51/l-Hydroptere-rejoint-les-Filieres-du-Talent-DCNS/

  12. popov dit :

    Salut à tous!
    Un trifoiler de chez Hydrosail présenté sur sailing anarchy:

    Un concurrent du F1?

  13. Salut Popov,
    Belle découverte, une de plus !
    Osprey est un projet qui date un peu, il est le fruit d’Hydrosail, entreprise créée par le célèbre Sam Bradfield.
    Je suis heureux de le voir navigué après l’avoir surtout vu en photo et dessin sur le site.
    Bel engin…
    Sa finesse et son élégance me font penser au projet Libellule Voilavion de Patrice Magnard.
    https://foils.wordpress.com/2011/10/10/le-projet-voilavion-du-neuf-du-beau/
    Les formes arrière de la coque centrale et des flotteurs change de l’ordinaire !
    Le système double bras change du Windrider il offre plus de rigidité et de place et donc la possibilité de faire du rappel…
    Fred

  14. pascal dit :

    super l’osprey

    https://skydrive.live.com/?cid=7e32cd25ce4f4c84&sc=photos&id=7E32CD25CE4F4C84%21121
    sympa aussi (je n’ai pas tout saisi sur le principe)
    pascal

  15. Samuel Damoy dit :

    De passage pour une relecture de cet excellent sujet, je signale une petite correction à faire concernant la partie « VI – Théorie de la circulation ou de Kutta & Jukowski », à la fin de « Comment résumer cela ? »:
     » l’intrados (BASSE pression) et l’extrados (HAUTE pression) »

    (message à effacer…)

  16. Paul Lucas dit :

    Concernant l’effet Coanda
    Le schéma de la petite cuillère n’est pas bon : le filet d’eau ne reste pas vertical, il est dévié (vers la gauche dans le schéma). La cuillère ne reste pas verticale, elle est déviée vers la droite (elle est « aspirée » par le filet d’eau). La force de portance crée (qui équilibre la déflexion du filet d’eau) est une force (de portance) tournée vers la droite du schéma, et non pas vers la gauche.

    Explication de la portance
    C’est bien la déflexion (action-réaction) qui explique le plus facilement la portance; l’expérience de Coanda qui est facile à vérifier est très parlante pour cela. Le fluide suit la courbure du profil; il est dévié > création d’une force, qui est équilibrée par une autre force de sens opposé, la portance (déplacement de la cuillère).

    La critique disant que cette explication ne tient pas en effet de sol n’est pas valide, car on s’écarte alors de la condition normale de portance d’un profil dans un fluide homogène. Idem pour un foil près de la surface, son hydrodynamique est très modifiée.

  17. philippe carre dit :

    excellent

  18. Dr. Goulu dit :

    Un collègue du C@fé des sciences vient de publier un article sur les équations de Navier-Stokes ( http://sciencetonnante.wordpress.com/2014/03/03/la-mysterieuse-equation-de-navier-stokes/#comment-3297 ) illustré par une figure surprenante :

    Les flèches représentent les vitesses de l’air par rapport au sol, et non par rapport à l’aile comme on en a l’habitude. je n’avais jamais vu cette représentation, mais je la trouve très intéressante.

    D’abord, même si la définition mathématique de la circulation est différente, je me demande si le champ des vitesses ainsi représenté ne correspond pas à une sorte de matérialisation de ce concept assez abstrait.

    Ensuite il me semble qu’on voit mieux « à l’oeil » que la somme de toutes les flèches à une composante verticale vers le bas, donc que l’aile « écope » bien vers le bas.

    Qu’en penses-tu, Fred ?

    • Bonjour Philippe,

      Désolé pour cette réponse tardive, je suis en plein travaux depuis un bon moment et je n’ai plus vraiment de temps pour faire autre chose !

      Merci pour ce lien, j’ai le cerveau tellement déconnecté de la partie foil et bien loin de la « réflexion » que j’ai du avoir lors de la rédaction des articles sur la portance, que je ne suis pas certain de bien analyser l’image !

      Mais en effet cela ressemble beaucoup à une écope !

      Encore merci
      Fred

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