Aérodynamique du cerf-volant

De tous les temps l'homme fut attiré par les oiseaux qui semblaient défier les lois de la pesanteur. Lorsqu'il inventa les cerfs-volants il s'en inspira.

Nous pouvons nous demander jusqu'à quel point il est permis de parler de similitude dans les moyens d'action d'une aile d'oiseau et d'un cerf-volant.

Surfaces planes

Résumons rapidement les lois physiques qui régissent l'action du vent sur une surface plane  et dont dépend le vol des oiseaux et des cerfs-volants.

1° Réciprocité du déplacement de l'air et de la voile

-- L'effet est le même, que le plan se déplace dans l'air ou que l'air se déplace par rapport au plan. La pression d'air nécessaire pour permettre à l'oiseau ou au cerf-volant de s'élever et de planer ne s'obtient que lorsque la surface est frappée par un vent ayant une certaine vitesse à laquelle l'air devient assez "dense" pour les soutenir

2° Evaluation de la force créée par le déplacement

-- La résistance ou la force due à la pression de l'air, augmente comme le carré de la vitesse, et proportionnellement à la surface.

Pour un plan, la formule est la suivant : F = 0.13 S V² sin a

F : force en Kgforce

S : surface en m2

V : vitesse en m/s (1m/s = 60m/mn = 3,6 Km/h)

a : angle du plan avec la direction de déplacement

(Si la surface est perpendiculaire à la direction du vent : sin a = 1)

C'est à dire qu'un cerf-volant carré d'un mètre de coté placé perpendiculairement au vent, si celui-ci souffle à

1m/s= 3,6 Km/h (vent de force inférieur à 1 Beaufort) la force sera de 0,13 Kgforce.

10 m/s =36 Km/h (vent force 6 Beaufort) la force sera de 13 Kgforce

Direction du vent

Contrairement à ce que l'on peut croire, le vent ne souffle pas d'une direction strictement horizontale mais ascendante et à un angle de 4° environ, c'est un facteur favorable au vol des oiseaux en vol plané ou en particulier, au vol des cerfs-volants.

On peut remarquer que les oiseaux ne s'élèvent jamais vent arrière mais vent de face.

Effet de la forme générale des ailes

Si on regarde les ailes des oiseaux, on remarque que plus la longueur des ailes est grande par rapport à la largeur, meilleur ils sont planeur.

L'albatros possède des ailes de 3 mètres d'envergure pour une relativement faible largeur. Ces ailes portent un corps énorme.

Surface concaves

Toutes les ailes des oiseaux ont un certain degré de concavité.

Si nous tenons un parapluie horizontalement, c'est à dire le manche vertical, nous éprouvons une force de soulèvement dès qu'il y a un peu de vent.

Si on observe le linge de la lessive qui sèche au vent on constate qu'il a tendance à s'élever au-dessus de l'horizontal en raison de la forme concave qu'il prend alors

Les voiles des bateaux battent au vent, ce battement se produit aussi sur les drapeaux ou les queues de cerfs-volants. Ce battement n'a pour origine que la force provoquée par une surface concave. La poussée est dirigée dans le sens de la concavité qui pousse vivement la voile sur le bord opposé où le même phénomène se produit.

Autre exemple : une cuillère que l'on déplace rapidement dans une tasse de café.

Les premières mesures sur ces surfaces furent effectuées par Otto Lilienthal et présentées dans le Traité "Vogelflug" (Le vol des oiseaux).

Lilienthal avait compris, bien avant bon nombre de ses contemporains, que la stabilité dans les airs s'obtiendrait par une voilure cambrée. Mais là ne réside pas la singularité de l'oeuvre de Lilienthal. Il était évident à ses yeux que rien ne servirait à faire voler un appareil si l'on était incapable de le piloter. à contre-courant de son époque, lui qui ne croyait guère à l'hélice, il prôna une approche expérimentale passant par les planeurs.
Forcené de l'expérimentation, Otto Lilienthal n'était pas pour autant un empiriste. Ses appareils étaient le fruit de très nombreux calculs. Sa méthode de travail, qui sera d'un apport majeur pour l'aéronautique, l'amènera à produire des planeurs d'un très haut niveau de perfection, en dépit d'une apparente rusticité. Tous ses planeurs étaient construits sur la base d'une structure de bambou et de rotin recouverte d'une toile de coton. Les schémas de ses appareils, avec lesquels il effectua plus de deux mille vols planés variaient assez peu. Lilienthal construisit essentiellement des appareils monoplans d'une envergure avoisinant les sept mètres, auxquels il se suspendait par les coudes et les avant-bras. Décidé à réduire l'envergure de ses planeurs, il décida de construire des biplans. Le 9 août 1896, le plan supérieur de son dernier prototype se détacha et Lilienthal tomba d'une hauteur de 17 mètres. Il décéda peu après de ses blessures, après avoir déclaré, fataliste: "il est nécessaire qu'il y ait des victimes".

Le mouvement des molécules d'air constitue le vent.

D'une part, la voile est frappée sur la face "au vent" par des molécules d'air dont les chocs développent sur elle une certaine presson, d'autre part, cette voile dévie des filets d'air qui, du fait de leur vitesse d'écoulement, vont créer au dos de cette voile, "sous le vent", une zone de dépression. Il s'ensuivra une aspiration, une succion de la voile.

L'expérience prouve que la succion est plus importante que la pression
(4 ou 5 fois dans certains cas).
Par exemple, lors d'une tempête, c'est le versant de toiture opposé au vent qui souffre le plus. ( les tuiles, ardoises ou lauzes s'envolent en premier.

De la pression et de la succion, résulte une force (ou poussée) du vent dans la voile.

Soit une voile enverguée sur des espars immobiles, et soumise à l'action d'un vent de direction V ; l'expérience montre que la voile subit de ce fait une poussée OP, à peu près perpendiculaire a la droite AB joignant la ralingue "au vent" A, à la ralingue "sous le vent" B ; cette droite représente la corde de la voile.

La direction du vent fait, avec la corde de la voile, un angle i appelé angle d'incidence. Quand, la direction du vent varie, cet angle varie également. La direction de la poussée par rapport à la voile reste pratiquement la même, mais son intensité varie. Pour une voile immobile de surface donnée et recevant un vent de force constante, l'expérience montre que :

- P est nul pour un angle d'incidence nul. En effet, dans ce cas, la voile est "en ralingue", elle flotte au vent comme un drapeau.

- P ne devient notable que lorsque la voile commence à être gonflée par le vent. (Voile pleine : i = 10 à 12°) .

- P croît et passe par un maximum pour un angle i variable selon la nature de
la voile :

22 à 23° pour une voile Marconi ou un foc,

28 à 30° pour une voile aurique ou houari,

30 à 35° pour une voile carrée.

- P diminue ensuite jusqu'à i = 90° , quand la voile est perpendiculaire au vent.