cerf-volant club MIZTRAL le cerf-volant qu'est ce que c'est ? N°2

Et... Comment ça vole ???

Aujourd'hui on sait tirer dans leurs moindres détails les plans des avions les plus compliqués. Mais aucune équation, aucune application des lois fondamentales de l'aérodynamique ne permettent de rendre compte de façon précise du vol d'un cerf-volant. Cette énigme a dérouté plus d'un mathématicien: en 1756, Euler reconnaissait que " ce jouet d'enfant, méprisé des savants, peut donner lieu aux réflexions les plus profondes"; Monge, qui avait beaucoup "planché" sur le sujet et affirmé qu'il fallait à l'engin une queue, n'en concluait pas moins qu'il obéissait à des lois mystérieuses.

Et il faudra attendre Bertinet (en 1887) pour que soit ébauchée une première théorie, et surtout les travaux de deux officiers français : Théophile Bois et Jacques-Theodore Saconney en 1909.
Quel est le problème? Celui de l'équilibre et de la stabilité du cerf-volant, encore qu'il faille s'expliquer sur ce que l'on entend par "stabilité" : le vent variant sans cesse, tant en vitesse qu'en direction, on appelle stabilité du cerf-volant son aptitude à prendre une nouvelle position d'équilibre lorsque les conditions de vent se modifient. L'angle de l'appareil par rapport au vent changera sans cesse et le centre de pression du vent se déplacera sans arrêt le long de son axe médian. C'est la raison pour laquelle la construction de ce type d'aérodynes restera empirique...

On sait néanmoins, pompeusement, expliquer comment vole un cerf-volant : " L'action du vent sur un plan mince s'annule par la tension d'un fil, compte tenu du poids et des phénomènes aérodynamiques. Et en réalité, si cet appareil peut voler, c'est parce que l'air, entre autres qualités (compressibilité, expansibilité, élasticité...) est pesant.

De fait, ballons et dirigeables, parachutes et avions, se sustentent pour cette même raison de la densité de l'air. Cette densité, décroissant avec l'altitude, rendra le vol plus difficile au fur et à mesure que l'on s'élèvera. Une autre propriété de l'air, sa viscosité, responsable de la formation de tourbillons, joue également, on le verra, un rôle non négligeable dans le vol d'un cerf-volant.

Il en est beaucoup pour croire que le vent pousse notre mystérieux appareil comme une ménagère son chariot à provisions. Il n'en est rien : si madame Michut doit parcourir la distance qui sépare le supermarché de son domicile, notre appareil, lui, fait du surplace. Sa vitesse par rapport au sol est quasiment nulle. Ce qui fait voler le cerf-volant c'est une force de sustentation que l'on appelle " portance " ; et ce qui crée la portance, c'est le " vent relatif ". * Il n'existe pas de meilleur exemple, que notre cerf-volant pour expliquer cette notion de vent relatif, bien connue mais difficilement compréhensible en aérodynamique. Dans le cas d'un avion, une maquette en soufflerie d'essais a une vitesse nulle par rapport au sol, mais une vitesse relative suffisante pour que les conditions de vol soient reconstituées : ce qui intéresse l'aile où va se créer la portance, ce ne sera pas la vitesse de l'avion mais celle des molécules d'air autour de son profil. De même, le cerf-volant pourra rester immobile par rapport au sol, mais volera tout de même sous la caresse du vent....
* Lorsque le vent souffle sur une surface inclinée, sa vitesse est plus grande au-dessus de cette surface (que l'on appelle "extrados") qu'au dessous ("intrados"). Inversement, la pression de l'air sur l'objet sera plus élevée au-dessous qu'au-dessus. Nous aurons donc, de part et d'autre de l'aile d'un avion, ou du plan d'un cerf-volant, une légère surpression au dessous (qui poussera donc l'objet vers le haut), et une dépression (un vide relatif) au dessus, aspirant l'engin, vers le haut également. La somme de ces deux forces constitue la "portance" (dans laquelle la dépression à l'extrados représente généralement un peu plus des trois quarts, et la surpression à l'intrados un peu moins d'un quart).

Dans le cas du cerf-volant, la surpression à l'intrados dépasse le quart de la portance, car aux deux forces précitées s'ajoute le fait que les molécules d'air viennent choquer le plan mince de l'engin, et sont rejetées vers le bas en créant une pression supplémentaire. Donc la portance naît de la vitesse et de la pression du vent, et le cerf-volant restant immobile pour celui qui le retient, il faut du vent relatif pour le faire voler.

Pour comprendre le phénomène, supposons d'abord des conditions idéales : celles d'un vent absolument régulier, soufflant horizontalement (dessin 1). Le facteur principal dans cette figure est R : résultante aérodynamique de la portance d'une part, et de la résistance de l'appareil au vent (la "traînée") d'autre part.
Il est une autre variable importante qui va faire changer cette force R : c'est l'incidence a, autrement dit l'angle décrit par le plan de l'appareil et la direction du vent. Dans le cas du cerf-volant, on ne chiffre pas la force R, mais on la voit varier entre un maximum de 100 et un minimum de 0, lorsque l'angle d'incidence décroît. Par ailleurs, le centre de pression C, sur l'épine dorsale du cerf-volant, se promènera constamment en fonction de l'incidence de l'appareil avec le lit du vent. Si l'appareil est perpendiculaire au vent, C va coïncider avec le milieu de AB ; si l'incidence vient à diminuer, C se rapprochera dans un premier temps du bord d'attaque, puis reviendra de nouveau en arrière, vers le centre de AB. Il l'atteindra et disparaîtra quand, le cerf-volant étant parallèle au vent, l'incidence sera égale à 0 : l'appareil alors s'effondrera.
Bien situer C n'est pas simple, pourtant il s'agit d'une donnée très importante dont dépend l'équilibre de notre appareil. Ce sont les déplacements de C qui déterminent la répartition des efforts appliqués à la structure au cours du vol, et donc la solidité et l'indéformabilité de l'engin. Puisque la position de C et l'incidence varient sans cesse, on peut respecter les lois empiriques suivantes pour fabriquer un bon cerf-volant:
placer le centre de gravité G entre le milieu de l'arête dorsale et le bord de fuite, et le centre de poussée C entre le milieu de l'arête dorsale et le bord d'attaque. Le cerf-volant, bien sûr, est retenu au sol par un câble. Dans le dessin 2 nous faisons connaissance avec une nouvelle force : T, la tension qui s'exerce sur la ficelle tenue en O par l'opérateur et qui équilibre les deux autres forces, c'est-à-dire la résultante aérodynamique bien sûr, mais aussi le poids, P, de l'engin.
On appelle les sécants NM et NB le "bridage". En raccourcissant la bride NB et en augmentant NM ("brider plus bas" ou "plus sec"), on voit que la résultante T (à savoir ON) s'abaisse et que l'angle ( se ferme ; la tension T augmentera. Au contraire "brider plus haut" ou "plus mou" fait monter le cerf-volant en diminuant la tension. Cependant l'opérateur O ne réagit pas à l'intégralité de cette tension, mais seulement à T moins le poids de la ficelle. Au plus, un cerf-volant ne pourra emporter qu'un poids de fil égal à la tension T. Combien de fois ne voit-on pas ces fils de retenue pendre misérablement parce que le "cervoliste" a négligé ce postulat ?

Chaque cerf-volant n'étant adapté qu'à une certaine plage d'intensité du vent, la plupart du temps, comme les marins qui utilisent différentes voiles, les cervolistes se déplacent avec plusieurs engins pour faire face à plusieurs situations.
Si l'équilibre d'un cerf-volant ne tient pas au poids de l'appareil, mais à la pression et à la vitesse du vent relatif par unité de surface de l'engin, il n'en va pas de même de sa résistance : plus le vent sera faible plus le poids de l'appareil devra être faible; inversement, par vent fort, un cerf-volant lourd aura plus de chances de s'envoler. Ce sont les matériaux utilisés qui feront la résistance de l'appareil ; un cerf-volant de faible poids, volant par brise légère, possédera une armature fragile ; il se maintiendra difficilement en l'air quand le vent grossira et risquera alors de se déformer. A contrario, un cerf-volant très lourd demandera un vent fort mais résistera à la tempête.

Mais pour voler, le cerf-volant doit partir du sol, le décollage est expliqué sur le dessin 3. L'engin est maintenu incliné pour que la tension soit transmise, et le fil est tendu à l'horizontale du point N. La portance va faire s'élever l'engin avec son câble de retenue. Le cerf-volant sera en équilibre lorsque, s'étant élevé, le câble ON sera dans le prolongement de la résultante T.

Si la portance permet au cerf-volant de s'élever, il faut également le faire voler de façon stable. C'est le plus compliqué: l'écoulement du vent sur tout obstacle produit une "traînée", sous forme de turbulences et de remous qui surviennent, ici, à l'arrière de l'appareil. En outre, après avoir frappé le bord d'attaque, une partie de l'air s'échappe non pas à l'arrière, mais sur les côtés, contribuant à déstabiliser l'engin. Si l'aviation tente par tous les moyens d'annuler la traînée, le cervoliste devra, lui, s'en accommoder en contrecarrant ses effets néfastes : roulis (mouvement alternatif transversal), tangage (mouvement alternatif d'avant en arrière) et lacet (rotation latérale). La recherche de la stabilité va nous amener à dégager plusieurs familles de cerfs-volants, chaque famille faisant appel à une technique particulière pour accomplir cette tâche.