Comment fonctionne un aileron de windsurf?

Rick Hanke, Maui Ultra Fins

1) Introduction

Avec la multiplicité de discussions sur les caractéristiques et performances des ailerons ainsi que tous les postulats associés tachant d’appréhender et de comprendre la manière dont la puissance d’un aileron est créée, ce qui induit le spin out et quel est la réelle utilité d’un aileron de windsurf, cet article tachera d’éclaircir de nombreuses questions et problématiques. Nous aborderons dans un premier temps la physique dans la pratique du windsurf, puis nous verrons comment fonctionne un aileron et quels paramètres sont importants.

Afin de comprendre l’impact d’un aileron de windsurf, qui est seulement de l’ensemble, une petite – pourtant vraiment importante- partie de l’ensemble, nous devons tout d’abord tacher d’étudier le système dans son ensemble afin de comprendre les interactions entre les différents éléments

Le principe d’équilibre

Afin de décrire le mouvement d’une planche à voile nous pouvons utiliser une approche simple en utilisant le principe d’équilibre où les vecteurs résultants de toutes les forces en action doivent être équilibrées, ou – en parlant mathématique- la somme de toutes les forces et moments doit être égale à zéro. Ce principe de base a été développé par Isaac Newton en 1687 et est toujours valide aujourd’hui.

Selon le principe d’équilibre, le mouvement d’un corps est défini par les forces et moments qui agissent sur celui-ci. Pour tous les corps en position stable ou en mouvement stable, la somme de toutes les forces et moments doit être égale à zéro. Cela signifie que toutes les forces doivent être équilibrées comme dans le mouvement vers l’avant généré par la planche à voile qui subit la résistance par friction d’une force égale, autrement la planche accélérerait ou décélérerait

Les forces et les moments en navigation

Toutes les forces peuvent être déterminées à partir du poids du corps, car les forces que le poids crée doivent être équilibrées avec les forces aéro et hydrodynamiques crées par la voile et l’aileron. Il n’y a pas besoin de calculer méticuleusement les forces hydrodynamiques dans ce cas là mais nous devons comprendre le concept général.

La portance de la planche

Au planning, la portance de la planche est dynamiquement créée par l’eau qui défile sous la planche. Le flux d’eau est rejeté en arrière et une force avant est crée (action=réaction). Ceci est la portance qui soulève tout le poids de la planche, de la voile et du planchiste.

D’après le principe d’équilibre il en résulte : Portance (planche) = poids total,

(schéma 1)

Voile, planche et force de l’aileron

Le flux d’air (vent apparent) crée dans la voile une force perpendiculaire à la direction de ce flux, et légèrement en avant de perpendiculaire à l’axe longitudinal de la planche en fonction de l’angle d’attaque au vent, des courants etc

La force total de la voile peut être divisée en deux éléments. La poussée avant dans le sens de l’axe de planche et la poussée latérale perpendiculaire à l’axe de la planche.

Pour naviguer dans la même direction à une vitesse constante, toutes les forces et moments en jeux doivent être équilibrés. Cela signifie:

Poussée (voile) = Trainée (planche + voile)

et

Force latérale (voile) = Force latérale (aileron et planche)

Additionnés, tous les moments doivent être égaux à 0 (schéma 2)

La force latérale de l’aileron est crée de la même manière que la force de la voile en inclinant l’aileron contre le flux d’eau (angle d’attaque). Dans le cas de l’aileron, l’angle de dérapage de la planche est l’angle d’attaque qui est nécessaire pour produire une force latérale.

Tous les phénomènes physiques qui s’appliquent à une aile d’avion sont également valides pour un aileron.

Les seules différences sont la densité de l’eau, qui est 850 fois plus dense ainsi que la viscosité, 14 fois plus grande que l’air. C’est pourquoi l’aileron peut être si petit comparé à la voile pour produire le même niveau de force.

La vitesse du flux pour l’aileron est la vitesse de la planche, tandis que pour la voile la vitesse du flux est le vent apparent qui peut être supérieur au vent réel.

Force de la voile et de l’aileron

De quelle grandeur est donc la force de la voile qui doit être au final équilibrée par la résistance de l’aileron?

Si l’on regarde toutes les forces et moments influant sur la planche, il en découle – d’après les conditions de l’équilibre des forces- que la force maximale de la voile est limitée par un montant précis du poids du corps.

Autrement, le planchiste serait éjecté de la planche. (figure 3)

Qu’est ce que cela signifie? Sous toutes les conditions, en prenant en compte la force du vent, la vitesse de navigation, la taille de la voile etc.., la puissance de la voile sur l’aileron est limitée

En considérant les dimensions du corps et de la voile, il s’en suit que la force maximale qui peut être équilibrée par le corps est à peu près 37,5 % du poids du corps du planchiste. (schéma 3)

Pour une personne pesant 80 kg, la force latérale maximum est de 30kg.

Une petite partie de la force peut être soutenue par la planche, mais globalement, l’aileron est obligé de supporter cette charge. Plus de puissance d’aileron est nécessaire dans le cas d’une planche avec un arrière plus large du au moment additionnel, qui est produit par le planchiste et qui doit etre compensé par l’aileron. (schéma 3)

2) L’aileron

L’aileron et la géometrie du foil sont décrits dans les deux schemas ci-dessous:

Figure 4:

paramètre de l’aileron/ figure 5: paramètre du foil

Ces facteurs ont un effet sur la performance de l’aileron. La longueur, le ratio du taper, le ratio de l’aspect, la surface de l’aileron l’épaisseur relative du foil, l’endroit de l’épaisseur maximale, le raduis de la tête de foil.

Portance et trainée

Comment la force latérale de l’aileron est-elle créée?

Partant du principe que l’aileron n’est rien d’autre qu’une petite aile, nous pouvons utiliser les mêmes concepts qu’en aérodynamique. Les forces crées sont la portance et la trainée, ce qui définit également la performance de l’aileron. Etant donné que l’aileron est placé à la vertical et non à l’horizontal comme une aile, la portance devient une force latérale. Pour autant, la physique générale des force produite est identique à celle apparaissant durant la portance d’une aile.

La portance d’une aile est crée en inclinant l’aile contre le flux d’air avec un angle d’attaque précis (schéma 6). Le flux autour de l’aileron n’est pas symétrique.

Dans la partie haute du foil, le flux doit accomplir un plus long trajet qu’en partie basse. Au final, le flux doit être plus rapide dans la partie haute du foil comparée à la partie basse. La différence de pression produit alors la force de portée. La portance est toujours combinée avec de la trainée qui depend de la géométrie du foil, des frictions avec les molécules d’eau et de la surface de l’aileron.

Schema 6: les flux autour du foil

La portance augmente de manière presque linéaire avec l’angle jusqu’à ce que l’angle devienne si grand que le flux ne puisse plus suivre la partie en basse pression et décroche (figure 7).

La portance cesse et rend l’aileron inefficace, c’est le fameux spin out.

Schéma 7: décrochage

La géométrie du foil détermine la limite d’angle d’attaque que l’aileron peut subir avant de décrocher Les foils avec un bord d’attaque fins décrochent très tôt tandis que les foils plus épais sont plus tolérants et décrochent à un angle d’attaque plus élevé.

En plus de la portance, la géométrie du foil détermine également les caractéristiques de trainée.

Les foils laminaires, par exemple, produisent une trainée très faible pour une région d’ angle d’attaque restreinte grâce au flux d’eau qui passe sans turbulence près de la surface de l’aileron. Cela demande cependant une surface de foil douce avec un angle d’attaque intact.

La performance d’un aileron dépend énormément des nombres de Reynolds (Re). Re donne une mesure du ratio inertie sur viscosité dans un flux. Les nombres de Reynolds dépendent beaucoup de la vitesse du flux. En même temps, on peut trouver des foils qui donnent de bons résultats également à des nombres de Reynolds assez bas (basse vitesse)

Les polaires d’un foil 

Les caractéristiques d’un foil windsurf  sont représentées dans un graphique portance vs angle d’attaque. Une comparaison entre différents foils montre immédiatement leur performances. Le schéma 8 montrent 2 différentes polaires de foil (A et B)

Les deux foils ont au la même courbe de portance linéaire en fonction de l’angle d’attaque. Mais, avec le foil B, le flux se sépare à seulement 9 degrés. On peut en déduire que le foil A quant à lui offre bien plus de portance en général et également suffisamment de portance à basse vitesse. En plus de cela, il montre une bien meilleure performance en remontée au vent.

En considérant un aileron comme une aile en 3 dimensions, la portance, la trainée et les moments sont proportionnels à:

• – la densité de l’eau

• – la surface de l’aileron

• – l’angle d’attaque

• – la géométrie du foil

• – la géométrie de l’aileron

• – la vitesse

De la même manière que pour une voile, le plus important est la surface de l’aileron. Une grosse surface produit plus de portance mais également plus de traînée. De plus,la performance de l’aileron peut être optimisée par sa géométrie. (outline).

Des ailerons longs et allongés comme les ailerons de slalom offrent un bon ratio portance/traînée, ils sont très hydrodynamiques (un peu comme les planeurs). Afin d’éviter le spin out, la surface de l’aileron doit être choisie d’une manière que la portance puisse être générée dans n’importe quelle condition sans entraîner de séparation de flux

Mais il y a également des situations où l’aileron n’est pas totalement dans l’eau. La dépression à la surface peut aspirer de l’air et une séparation des flux s’en suivra (ventilation). De plus, les mouvements dynamiques comme les manœuvres radicales avec beaucoup de pression sur la planche peuvent entraîner des spin outs.

En plus de la performance générale, nous devons également étudier les caractéristiques marines qui ne sont pas uniquement déterminées par la surface de l’aileron mais aussi par l’outline, l’angle d’inclinaison et la rigidité de l’aileron.

Le Spin-out

Une séparation du flux (=décrochage) est appelée un spin out dans la communauté du windsurf. Un décrochage en avion est généralement quelque chose de rare car une fois que l’on décroche, on perd la portance. Pour regagner de la portance, il est obligatoire de réduire l’angle d’attaque et d’avoir suffisamment de vitesse pour recréer de la portance à nouveau. C’est exactement la même chose en windsurf à ceci près qu’il est bien plus facile de réduire l’angle d’attaque tout en gardant de la vitesse. Les avions utilisent des appareils électroniques pour contrôler la vitesse, l’angle d’attaque et la portance. Le windsurfer fait ses changements grâce à son feeling et son expérience, de la même manière que les oiseaux évitent de décrocher avec leur instinct naturel.

La cavitation

Très souvent, le spin out est lié à la cavitation. Cependant la cavitation est un phénomène physique complètement différent que la séparation de flux. La cavitation peut apparaître lorsque la pression sur le foil tombe en dessous de la pression de la vapeur d’eau. Cela signifie que l’eau devient vaporisée et des petites bulles de vapeur (cavitation des bulles) sont crées sur la surface de l’aileron. Les bulles de vapeur résultent en une perte de portance et une augmentation de la traînée. La cavitation peut également arriver à des angles d’attaque faibles et à haute vitesse

Rigidité, Flexibilité et torsion

La rigidité est déterminée par les propriétés élastiques d’un matériau. Une petite charge amène à une flexion (flex) de l’aileron qui influe donc sur le flux autour du foil: plus la flexibilité est élevée, plus la différence avec la portance de base idéale sera grande.

La flexibilité résulte en une perte de portance, la performance est donc réduite. La courbure et la flexibilité ne peuvent pas être évitées avec de longs ailerons car il n’existe pas de matériaux avec une rigidité infinie. Il peut pourtant exister des raisons pour avoir un peu de flex, un besoin de sensation plus douces par exemple!

Le Twist

Le twist est une torsion sur l’axe longitudinal de l’aileron. le twist est uniquement possible quand l’aileron est reculé et que la portance appui sur l’élasticité de l’aileron. Un moment est alors crée. Dans le cas d’un aileron présentant du rake (angle sur l’arrière), le foil à la pointe de l’aileron se courbe dans le flux afin que l’angle d’attaque soit réduit. D’une manière générale, cette courbure (twist) réduit la performance de l’aileron. Le twist d’un aileron est identique au twist d’une voile lorsqu’une rafale produit plus de pression dans la voile, tout comme la pression de vos pieds pousse parfois plus sur l’aileron.

Caractéristiques de l’aileron et de la navigation

Les considération précédentes étaient relativement simples.

De nos jours, en utilisant un GPS on peut facilement mesurer sa vitesse à n’importe quelle allure et mesurer la performance de remontée au vent. Il est aussi assez facile d’identifier les tendances au spin out d’un aileron.

Mais il est bien plus difficile d’établir un jugement objectif sur les caractéristiques de navigation tels que le contrôle, l’agilité dans les vagues ou dans les figures. Ces caractéristiques sont influencée par la voile, la planche et l’aileron et dépendent beaucoup du niveau et des préférences du rider.

Une configuration sur laquelle un planchiste est à l’aise peut ne pas convenir à une autre personne avec un meilleur ou moins bon niveau.

Les ailerons peuvent être testés de la même manière que les planches en utilisant un barème de note. En faisant cela, il est important d’utiliser la même planche, la même voile et le même rider dans les mêmes conditions avec la mêmes surfaces d’aileron.