Éléments d’aérodynamique  :

Principes

Chacun peut constater que l’énergie du vent engendre une “poussée“ sur tout obstacle.
Cette “poussée“, en fait, correspond à un double phénomène : Jacques Bernouilli (mathématicien suisse 1700-1782), a établi que l’énergie demeure constante dans un fluide en mouvement.
Ce fluide accélère pour contourner un obstacle puis rejoindre son flux. Il se crée ainsi une dépression au dos de l’obstacle… que le vent emporte !

 Une expérience très simple permet de mettre en évidence le théorème de Bernouilli : La dépression créée par un obstacle s’ajoute à la pression du vent sur la face opposée pour constituer la “poussée“. Voir chapitre "Jeux de mains" ci dessous.

La force résultante varie selon l’angle d’incidence de cet obstacle face au déplacement d’air, mais aussi selon son profil et bien d’autres facteurs qui ne nous concernent pas à ce stade, parce que le cerf-volant est une machine qui procède d’abord de l’expérience pragmatique : ça vole ou ça ne vole pas. 

Cette “loi minimale“ régit un monde protégé, où voler est un jeu, à l’écart d’enjeux aéronautiques plus réalistes… Le corollaire de cette loi est que l’enfant (et l’adulte) ne peut acquérir une connaissance vraie que par un engagement personnel fait de pratique, d’observation et de recherche.

 

Nous sommes tous égaux face au vent, qui souffle indifféremment pour le néophyte comme pour le confirmé.

Mais en connaître les mécanismes, anticiper ses réactions, savoir le trouver dans une grande pétole générale, permet de progresser plus rapidement et tirer plus de plaisirs des séances de vols.

L'observation, la comparaison imagée, l'illustration devraient nous permettre d'adapter nos "machines volantes" et notre comportement aux humeurs, caprices et facéties du dieu Eole.

L'air est un fluide invisible. Même s'il est impalpable lorsqu'il se met en mouvement il se manifeste à vous par tous vos sens une caresse sur vos joues, une sensation de froid sur la peau, un souffle chaud un soir d'été, une plainte monocorde au creux de vos oreilles...

L'écoulement de cet air est tantôt laminaire, tantôt turbulent.

il est laminaire quand les couches successives d'air glissent les unes sur les autres sans échanges, donc sans... turbulences. Par opposition, l'air est turbulent quand les couches du fluide échangent des particules.

L'état de turbulence peut avoir plusieurs origines. L'une d'entre elles réside dans la viscosité de l'air. Pour en expliquer le principe nous observons la cigarette que vous venez de poser sur le bord du cendrier. Dans votre atelier, pas un souffle d'air et pourtant la fumée qui monte bien droit à plus de 20 cm au-dessus du cendrier se met à onduler en volutes de plus en plus larges. Vous venez de créer un courant thermique miniature. Au centre de la colonne de fumée, l'air chaud s'élève rapidement. Dans la périphérie de cette colonne, la fumée en contact avec l'air ambiant se refroidit au fur et à mesure de son ascension. Le frottement de l'air chaud (rapide) et de l'air refroidi (lent) provoque une onduk2tion qui s'amplifie par effet dynamique.

Sur le site de vos exploits cerfsvolistiques, votre Cerf-Volant répondra au doigt et à l'œil à vos sollicitations dans le courant laminaire et se comportera de façon capricieuse dans le courant turbulent.

Vous vous trouvez dans une prairie dégagée de tous obstacles (batiment, buissons, arbres, vallonnement,...), pourtant vous constatez un souffle plutôt anémique au raz du sol. L'herbe agit comme un tapis brosse créant des micro turbulences qui ralentissent l'écoulement de l'air jusqu'à plusieurs mètres au-dessus du sol. Il suffit de dérouler quelques mètres de fil pour un envol en flèche et offrir à votre cerf-volant le courant laminaire dont il a besoin pour un vol stable et irréprochable .

Dans le cas d'obstacles plus importants (clôtures, haies, habitations) l'écoulement turbulent peut atteindre plusieurs dizaines de mètres au-delà et au-dessus de l'obstacle. La face exposée au vent est dite "zone au vent", l'autre face est dite "zone sous le vent".

La face au vent est une zone de surpression (bourrage), l'autre face est une zone de turbulence.

Là encore il convient de s'adapter à la nature de l'obstacle. La présence d'immeubles ou de hauts arbres peut vous contraindre à monter à plusieurs dizaines de mètres avant de stabiliser votre vol. Dans certains cas, il vous sera impossible de piloter ou de faire voler le meilleur des cerfs-volants et ceci malgré un vent à décorner les bœufs. La seule alternative sera alors de vous éloigner de la face sous le vent ou de profiter d'un couloir dégagé entre les obstacles pour décoller et stabiliser votre vol statique en secteur aérologique laminaire.

Vous avez décidé de conjuguer promenade familiale champêtre et cerf-volant (histoire de satisfaire tout le monde et ramener la paix dans votre chaumière).

Votre terrain d'envol improvisé ressemble au bocage normand et vous vous demandez par quel côté apprivoiser un Eole prometteur. Là encore c'est le versant "au vent", du bas jusqu'au sommet de la crête qui vous offrira un tremplin idéal. Sur le versant "sous le vent" votre cerf-volant aura plutôt des allures de gai laboureur et risquera de compromettre votre bonne humeur et le consensus familial de votre fin de week-end.

Voilà pour cette première approche de l'aérologie. Certains d'entre-vous ont peut-être déjà compris pourquoi leur CV s'obstinait à jouer la tondeuse plutôt qu'être ce fier objet volant parfaitement identifié que l'on appelle cerf-volant.

Après les quelques effets de turbulences expliqués ci dessus, nous allons essayer de comprendre l'action de l'air sur l'extrados (dessus du cerf-volant).

Lorsqu'un cerf-volant prend son envol il est naturel de dire que c'est grâce à la poussée du vent sur la face exposée (intra dos).

C'est en partie vrai mais c'est sans prendre en compte une force trois fois supérieur, agissant comme un véritable aspirateur sur la face coté ciel du CV.

Expliquer ce phénomène par des calculs mathématiques risquant de vous entraîner dans les bras de Morphée, nous nous contenterons d'une démonstration et de quelques travaux pratiques. C'est aussi efficace et bien plus amusant.

Bon nombre d'entre-nous, dans le nord, en Normandie et en Bretagne ont eu à subir cet hiver les caprices d'un vent plutôt "bargeot". Avec des pointes de 140 à 160 km/h, votre toiture ou celle de votre voisin a du être délestée de quelques tuiles, ardoises ou lauzes. L'insolite ne vous a peut être pas sauté aux yeux (trop occupés à bâcher votre toit et à harceler votre assureur), mais rappelez vous, c'est le versant opposé au vent qui a le plus souffert.

Le phénomène de l'extrados trouve là sa démonstration. Une partie de votre toit a subit une force équivalente à un souffle de plus de 250 km/h.

Comme l'expérience est difficilement renouvelable en travaux pratiques, nous nous contenterons d'une feuille de papier léger de format 21 x 29,7 (type pelure).

Tendez le petit côté entre vos doigts et soufflez sous la feuille. Celle-ci se soulève légèrement et c'est normal...

Maintenant, soufflez sur le dessus du bord tendu devant vos lèvres, la feuille se soulève également mais beaucoup plus haut que précédemment.

Complétons l'expérience pour en tirer quelques enseignements vous vous trouvez sur l'autoroute, roulant à une vitesse de 100 à 120 km/h en qualité de passager (c'est préférable). Ouvrez la vitre totalement et placez votre main dans le fil de l'air, doigts en avant, paume vers le sol, main bien à plat. Vous constatez que votre main est soit ballottée de haut en bas, soit poussée vers l'arrière si vous l'inclinez légèrement en remontant les doigts.

A présent, la main toujours à plat, incurvez peu à peu l'extrémité de vos doigts. Votre main est alors aspirée vers le haut.

En variant l'arrondi vous modulez la force invisible que vous venez de découvrir.

Ceci dit, il ne faut pas oublier que l'aile d'un cerf-volant souple, de type parafoil (sans structure rigide), reste souple et auto adaptable dans le vent. Son angle de vol, les variations de tension sur les brides de pilotage, sa position par rapport à la direction du vent, modifient constamment le profil et la dynamique résultante sur l'extrados.

Si quelques règles sont les bienvenues, un démarche empirique donne encore de bons résultats, à condition toutefois que le cerfvoliste de base soit loquace et peut porté sur le secret, la confidentialité et autre brevet armania. Dans notre passion, le partage des idées et du savoir-faire est une raison d'être et dans le fond, cela fait 4 000 ans que ça dure et perdure de bouche à oreille ...

Pour aller beaucoup plus loin voir aussi la rubrique Aérodynamisme et Cerf-Volant :

Aérodynamique & cerf-volant 1/2 / Aérodynamique & cerf-volant 2/2

Le Vent ? C'est quoi dont ?