Forces sur un cerf-volant

Physique du cerf-volant
(Ne pas confondre avec Cerveau Lent)

Les forces sur un cerf-volant peuvent être mesurées comme la moyenne de ses éléments de surface.

Qu'est-ce que cela signifie?

Cela signifie qu'un cerf-volant peut avoir de nombreuses pièces et que vous pouvez les mesurer séparément, puis rassembler les informations pour comprendre la situation dans son ensemble.

Les forces sur un cerf-volant sont similaires aux forces sur un avion, notamment :

la poussée, la traînée, la portance et la gravité.

Examinons chaque concept séparément.

Concept : Poussée

La poussée est ce qui pousse un objet vers l'avant. Sur une fusée, la poussée est accomplie en poussant la fusée vers le haut.

Sur un cerf-volant, la poussée est accomplie en utilisant une ligne pour tirer le cerf-volant lorsque le vent passe devant. Cette méthode est également utilisée dans le ski nautique, le ski cerf-volant (kite ski) et le kite surf.

Expérience :

Accrochez-vous à une corde et imaginez-vous voler dans les airs comme un cerf-volant.

Que se passe-t-il lorsque vous tournez la tête, tordez les épaules ou bougez les bras et les jambes ?

Dans quelle direction vous déplaceriez-vous pour chacun ?

Expérimentez :

Regardez une vidéo d'un sport captif tel que le ski nautique, le ski cerf-volant, le kite surf ou faites du téléski sur une montagne de ski.

Il existe deux types de traînée qui dominent le vol de cerf-volant.

 "La traînée" qui revient à frapper un mur et devoir s'arrêter et marcher autour tandis que "La friction" revient à tirer une couverture sur du papier de verre. Les deux vous ralentissent.

Expérimentation :

Lorsque vous roulez en tant que passager dans une voiture, placez votre main en toute sécurité à l'extérieur de la fenêtre pour sentir la traînée sur votre main.

Faites pivoter votre main de 0 degré, 45 degrés et 90 degrés pour sentir la différence de traînée.

Avez-vous également remarqué une augmentation?

Expérimentez : faites des recherches sur les différents types de traînée.

La traînée de forme est importante pour les cerfs-volants et est particulièrement utile lorsque nous pensons aux queues de cerf-volant. La traînée de forme a deux composantes : stable et battante.

Exemples:

Drogues: Fournit une traînée de forme car il capturent le vent comme un seau

Queues de tube: Procurent une friction

Spin: Fournit une traînée de forme et un frottement

Queues battantes: Fournissent une traînée de forme à l'extrémité de la queue où ils battent le plus rapidement

Q : Pourquoi les avions rentrent-ils leurs roues ?
R : Pour économiser du carburant en réduisant la traînée pendant tout le vol.

La friction est une petite composante de la traînée sur un cerf-volant car seulement 1 à 5% de la traînée d'une queue est composée de frottement.

Une longue queue aura un frottement le long du haut de la queue avec une traînée de forme là où la queue bat en bas.

Q : Quels sont quelques-uns des éléments que nous attachons à un cerf-volant pour ajouter de la traînée ?

R : Queues de banderoles, queues de tube, queues pelucheuses, drogues et queues de drapeau/bannière. Les drogues augmentent leur traînée avec l'augmentation du vent.

Q : Où ajoutons-nous de la traînée à un cerf-volant et pourquoi ?

R: Habituellement, nous attachons les queues au centre du bas d'un cerf-volant.

Pourquoi?

Parce que c'est drôle. Parfois, c'est vraiment la réponse parce que certains cerfs-volants volent bien sans queue, ils n'ont donc pas besoin de traînée supplémentaire.

Mais attacher les queues en ligne avec la colonne vertébrale est préférable car cela maintient le cerf-volant droit et pointé face au vent. Les queues assorties peuvent être attachées par paires à gauche et à droite du centre inférieur.

Expérience :

Construisez un cerf-volant qui utilise la traînée pour voler. C'est l'un des objectifs de la science 8e Grade à '' Concevoir un dispositif qui utilise la friction pour contrôler le mouvement d'un objet. " (programme de base de 8e année)

Voici un exemple d'un cerf-volant qui vole bien.

Ajouter une drogue à la ligne, c'est bien, mais dans cette illustration, nous en avons ajouté une qui est trop grande :

Résultat : la traînée supplémentaire sur la ligne a modifié l'angle d'attaque et peut faire survoler ou planter l'aile.

Concept : roulis (Roll), tangage (pitch)  et embardée (yaw)

Lorsque vous faites voler un cerf-volant, il y a des jours où votre cerf-volant peut s'élever dans le grand ciel bleu puis rester parfaitement immobile. C'est inhabituel.

Habituellement, il y a un mouvement du cerf-volant causé par le vent ou par une propriété du cerf-volant. En fait, les cerfs-volants volent en utilisant le même comportement tridimensionnel que les avions car ils présentent un roulis, un tangage et une embardée.

Voici un schéma de chacun dans l'ordre :

Ici, ils sont présentés ensemble sur le même cerf-volant :

Expérimentation :

Apportez une modification à votre cerf-volant et prédisez son effet sur le vol du cerf-volant. Il est recommandé de faire un changement à la fois. Les modifications peuvent inclure :

• Faire de grands trous sur un côté du cerf-volant.
• Bouger la queue.
• Remplacement d'un espar par un espar plus fin ou plus épais.
• Taper un quart d'un côté du cerf-volant.

Concept : Portance (Lift)

Quand les gens pensent aux cerfs-volants, ils pensent souvent au vent qui soulève leurs cerfs-volants dans le ciel.

Certaines personnes pensent que la portance est créée par un courant ascendant. Ce n'est généralement pas le cas.

 Le vent est généralement horizontal par rapport à la surface de la terre et la portance est le résultat de la forme aérodynamique du cerf-volant incliné face au vent.

Les molécules d'air se précipitent le long du cerf-volant agissant comme une main invisible pour soulever le cerf-volant plus haut.

Prenons un cerf-volant Delta comme exemple :

Q : Quelles sont les formes de cerf-volant typiques ?

R : Il existe de nombreux modèles de cerfs-volants stables classiques et traditionnels.

En voici quelques-uns:

Q : Y a-t-il des formes qui ont de mauvaises qualités aérodynamiques ?

R : Oui, il y en a beaucoup aussi. Ils comprennent : des sphères solides, des cylindres fermés, des pyramides solides et bien d'autres.

La surface

La portance est liée à la surface de l'aile. Lorsqu'ils sont pilotés au même angle, les cerfs-volants plus grands attrapent plus d'air et génèrent plus de portance.

Q : Y a-t-il plusieurs explications à la façon dont les cerfs-volants créent de la portance ?

R : Oui, la portance newtonienne et la portance de Bernoulli sont deux façons d'expliquer la portance créée par les cerfs-volants.

Comment Newton explique la portance

Lorsque les molécules d'air frappent la surface du cerf-volant, elles sont déviées vers le bas. Cette action soulève le cerf-volant vers le haut.

Cette action soulève le cerf-volant à cause de ce que Newton a appelé, "une réaction égale et opposée". Cette réaction est la troisième loi du mouvement de Newton.

Le vent est dirigé vers le bas donc le cerf-volant est poussé vers le haut.

Expérience :

Développer un modèle qui démontre la troisième loi de Newton impliquant le mouvement de deux objets en collision.

Q : Comment les cerfs-volants en caisson génèrent-ils de la portance ?

R : Les cerfs-volants en caisson ont plusieurs surfaces alignées qui fonctionnent ensemble pour de meilleurs résultats.

 Si nous traitons un simple cerf-volant carré comme deux cerfs-volants séparés, nous pouvons imaginer que le vent soulève chacun :

Vent à l'intérieur :

Vent extérieur :

La portance est créée par des surfaces de cerf-volant qui fonctionnent ensemble. Les surfaces pourraient travailler les unes contre les autres si elles ne sont pas soigneusement alignées.

Certaines personnes ont essayé (peut-être accidentellement) de construire et de faire voler un cerf-volant avec des surfaces mal alignées.

Comme ils sont mal alignés, ils se battent pour gagner de la portance dans différentes directions ou bloquer complètement le flux d'air. Le résultat de ces expériences maintient le cerf-volant prévu au sol.

Aligné

Désaligné

Exemple :

Un jour, un petit garçon à Devereux Beach à Marblehead, Massachusetts a construit un cerf-volant Eddy typique dans un atelier. Il a vu qu'il volait bien et a fixé plusieurs cerfs-volants Eddy en forme de boule. La nouvelle structure avait des surfaces qui se battaient les unes contre les autres pour ne pas voler.

Comment le principe de Bernoulli explique la portance

Pendant qu'un cerf-volant vole, de l'air passe devant le cerf-volant. Lorsque l'air frappe le cerf-volant, une partie de l'air se déplace au-dessus et une autre en dessous de la surface du cerf-volant.

Parce que la pression sur le fond est plus élevée que la pression sur le dessus, le résultat fait monter le cerf-volant.

Voici une illustration vue de côté d'un cerf-volant avec une surface plane qui vole à un angle élevé :

Notez qu'il y a un flux d'air régulier devant et derrière le cerf-volant ainsi qu'une turbulence derrière le cerf-volant. Le débit d'air est affecté par l'angle de vol.

Exemple:

Les cerfs-volants à profil aérodynamique sont excellents. Remarquez les ouvertures en haut du cerf-volant qui permettent à l'air de remplir le cerf-volant, ce qui donne un profil aérodynamique qui crée une portance :

Q : Est-ce que différents cerfs-volants utilisent différentes méthodes pour gagner en portance ?

R : Oui, il existe plusieurs méthodes pour gagner en portance. Il existe des cerfs-volants à surface unique tels que les cerfs-volants dièdres ou courbés. Il existe des cerfs-volants à profil aérodynamique. Il existe plusieurs cerfs-volants de surface tels que les cerfs-volants à caissons et il existe des cerfs-volants multi lignes.

Expérience :

Tenez une feuille de papier entre le pouce et l'index de chaque main. Tenez-le environ à 4" (10 cm) sur la longueur de 11" (27 cm). Remarquez comment il pend. Soufflez dessus et voyez comment le papier monte vers l'air plus rapide que vous créez.

Ajouter de la portance en ajoutant des cerfs-volants

Une plus grande portance est obtenue en ajoutant plus de surface de voile et en ajustant l'angle d'attaque.

Une façon d'ajouter plus de surface de voile est d'ajouter des cerfs-volants supplémentaires à votre ligne de vol. Assurez-vous que votre ligne de vol est suffisamment solide pour supporter la tension supplémentaire.

Les arcs de cerf-volant fonctionnent en ajoutant des cerfs-volants à la même ligne horizontalement. Chaque cerf-volant ajouté augmente la surface de voile et ajoute également de la portance.

Les trains de cerfs-volants fonctionnent en attachant des cerfs-volants à la même ligne d'avant en arrière.

Saviez-vous?

En 1895, des trains de cerfs-volants Hargrave ont été pilotés par l'observatoire météorologique de Blue Hill à Milton, Massachusetts. Ils servaient à soulever des instruments et à faire des observations météorologiques.

Une idée fausse fréquente

Les videurs, bols, paniers, couronnes et parachutes sont des exemples d'appareils appelés « videurs au sol » parce que la pression du vent les fait rester ouverts et rebondir sur le sol.

Semblable à un parachute, une couronne rebondit sur le sol.

Facteurs d'augmentation

Pour résumer, la portance est une combinaison de plusieurs facteurs travaillant ensemble :

• Zone du cerf-volant - une plus grande zone donne plus de portance
• Angle d'attaque - l'angle approprié augmente la portance
• Angle dièdre - un cerf-volant plus plat donne plus de portance
• Vitesse du vent - une vitesse de vent plus élevée génère plus de portance

Concept : La Gravité

La gravité est une loi qui ne peut être enfreinte. Tout ce qui a une masse tombera vers l'objet le plus proche et le plus lourd qui se trouve généralement vers le centre de la terre. La gravité est ce qui ramène un cerf-volant au sol.

Le poids d'un cerf-volant affectera son vol car le vent crée de la portance mais le poids du cerf-volant est opposé à cette portance.

Certaines personnes pensent qu'une ligne de cerf-volant cassée ferait voler un cerf-volant dans l'espace.

Expérience :

Cet exercice nécessite deux personnes. Une personne pour faire voler un cerf-volant et couper la ligne de cerf-volant pendant que le cerf-volant vole. Oui. Vraiment.

L'autre personne doit regarder le cerf-volant de côté.

Dans quelle direction vole le cerf-volant ? Haut, vers l'espace ou bas ? Pourquoi?

Le poids

Lors de la construction d'un cerf-volant pour la première fois, certains étudiants ne prêtent aucune attention au poids du cerf-volant.

Ils croient qu'il a besoin de plus de force pour survivre au vent et survivre à un crash, mais des cerfs-volants lourds ou des vents légers feront tomber tous les cerfs-volants.

Expérimentez :

Prenez un cerf-volant dont vous savez qu'il vole bien, puis ajoutez du poids au cerf-volant ou fabriquez un cerf-volant identique en utilisant des matériaux de voile plus lourds.

Au lieu de cela, vous pouvez attacher des bandes de ruban adhésif, attacher des bandes de ruban adhésif ou attacher des pièces de monnaie au cerf-volant d'origine. Assurez-vous que le poids est ajouté de manière équilibrée au centre de gravité ou autour du point de bride.

Comment les performances de vol changent-elles ?

C'est l'un des objectifs en sciences de 8e année de "Citer des exemples de la façon dont la force gravitationnelle de la Terre sur un objet dépend de la masse de l'objet" (Programme de base de 8e année)

Expérience :

Essayez de soulever une charge utile. Lancez votre cerf-volant puis à 50' de votre cerf-volant attachez une charge utile à la ligne. Si le cerf-volant peut soulever la charge utile, ajoutez plus de poids. Combien votre cerf-volant peut-il soulever?

Q : Pourrions-nous substituer du poids à la place d'une queue ? Le poids serait-il un bon remplacement pour aider un cerf-volant à voler par vent fort ?

R : Non, ajouter du poids n'est pas la même chose. La gravité tire à la fois sur le cerf-volant et sur la queue. Une queue idéale ne devrait pas ajouter de poids, elle ne devrait ajouter que de la traînée. De cette façon, il est aligné avec le cerf-volant et ne change pas l'angle d'attaque du cerf-volant.

La première illustration ci-dessous montre le cerf-volant tiré vers le bas et changeant l'angle d'attaque au vent. Changer l'angle d'attaque peut faire planter l'aile. Avoir la queue alignée avec le cerf-volant est bien mieux :

Pauvre:                Aligné c'est mieux :

Expérience : remplacer la queue d'un cerf-volant :

1. Avec une corde qui pèse le même poids que la queue.

2. Avec une corde de la même longueur que la queue d'origine.

La corde vole-t-elle aussi bien que la queue ?

Force vs poids

Les cerfs-volants sont un équilibre entre force et poids. Ils doivent être suffisamment solides pour supporter la force du vent et suffisamment légers pour voler.

Nous évitons les matériaux les plus lourds (comme le métal) car ils sont très lourds. Peut-être que le matériau le plus solide n'est pas le meilleur choix pour former un équilibre.

Les cerfs-volants plus légers volent mieux, mais les cerfs-volants plus légers pourraient se casser plus facilement. Encore une fois, l'équilibre est important.

Matériaux

Deux matériaux peuvent sembler similaires, mais l'un peut être plus lourd que l'autre.

Expérience :

Comparez une variété de matériaux différents. Coupez des morceaux de 6" x 6" (15 cm x 15 cm) de :

• Plastique
• chiffon
• Tyvek®
• papier de copie
• papier de soie
• feuille d'aluminium

Pesez chacun. Déchirez-les en deux un à la fois et ajoutez les résultats au tableau. Le plus léger est-il le plus facile à déchirer ?

Le plus lourd est-il le plus solide ?

 Formez un tableau de résultats comme celui-ci :

Concept : Rigidité contre flexibilité

Les cerfs-volants doivent être suffisamment solides pour survivre au vent. Tout comme votre corps a un squelette pour le soutenir, la force d'un cerf-volant provient principalement du cadre du cerf-volant.

Les cadres de cerf-volant sont généralement construits avec des espars qui donnent au cerf-volant une forme aérodynamique conçue pour faire face au vent.

Les longerons peuvent être fabriqués à partir de divers matériaux. Certains sont plus épais ou plus fins.
Les pieds à coulisse nous permettent de mesurer l'épaisseur des longerons.

Une variété de diamètres permet à un cadre de cerf-volant d'être suffisamment rigide pour conserver sa forme ou suffisamment flexible pour se plier au vent.

Certaines des tiges ci-dessous sont des tubes creux pour gagner du poids tandis que l'épaisseur de la paroi contribue à sa souplesse.

Expérience :

Accrochez une bouteille d'eau au centre d'un longeron et tracez la déviation de différents diamètres de longerons en bois, en fibre de verre et en fibre de carbone. Cela nous montrera à quel point il se pliera par vent fort.

 Notez que la longueur du longeron est importante.

Les espars plus longs se plieront-ils plus ou moins ?

Q : La flexibilité d'un cerf-volant l'aide-t-elle à voler ?

R : Oui, la capacité d'un cerf-volant à fléchir est une méthode de stabilité. La flexion permettra à l'aile de s'adapter au vent. Plus de vent, plus de flexibilité. Plus le cerf-volant fléchit, plus il libère de pression sur la voile.

Tous les cerfs-volants fléchissent mais certains cerfs-volants utilisent cette propriété à leur avantage.

Par exemple, la barre de flèche d'un Indian Fighter Kite est conçue pour fléchir en vol. Cela rend le cerf-volant plus stable qu'avant. Lorsque vous tirez sur la ligne, l'épandeur fléchit permettant au cerf-volant de zoomer dans la direction dans laquelle il est pointé.

Remarquez comment le centre du cerf-volant reste en avant à cause de la colonne vertébrale à l'arrière, de la bride à l'avant et de la traction de la ligne.

Concept : flux d'air sur le cerf-volant

Lorsqu'un cerf-volant est symétrique, les côtés gauche et droit du cerf-volant sont identiques. Cela fournit un flux d'air équilibré sur la surface d'un cerf-volant.

Pendant que vous faites voler un cerf-volant, considérez comment l'air se déplace sur la surface du cerf-volant. Voici quelques exemples simplifiés mais le mouvement de l'air peut être très compliqué et il change avec l'angle d'attaque.

Cerf-volant delta	Cerf-volant à profil aérodynamique
Cerf-volant Rokkaku	Cerf-volant diamant

Recommandation : ne lancez pas le cerf-volant. Le vent doit circuler doucement sur le cerf-volant pour faire le travail de levage du cerf-volant à l'angle approprié.

Concept : angle d'attaque

L'angle d'attaque est l'angle du cerf-volant face au vent. Elle se mesure par rapport à l'horizon.

Chaque cerf-volant a un angle idéal qui lui permet d'équilibrer la portance avec la stabilité. Incliner davantage le cerf-volant fait que plus de vent manque le cerf-volant. Ceci est utile dans les situations de vent fort car cela réduira la traction sur la ligne.

Le vent frappe le cerf-volant

Expérience :

Utilisez un rapporteur pour mesurer l'angle d'attaque. C'est l'inclinaison du cerf-volant par rapport à l'horizon. Vous devrez peut-être faire voler le cerf-volant près du sol pour prendre la mesure.

Concept : Angle de vol

L'angle de vol d'un cerf-volant est l'angle de la ligne par rapport à l'horizon. Cela peut être différent de l'angle d'attaque.

Expérience :

Utilisez un rapporteur pour mesurer l'angle de vol.

Expérimentation :

Testez un cerf-volant pour vous assurer qu'il vole bien, puis modifiez l'angle d'attaque en déplaçant la pointe de la bride d'un demi-pouce vers le bas.

Essayez à nouveau de faire voler le cerf-volant. Qu'est-il arrivé à l'angle de vol ?

Notion : tension

La tension est la traction sur la ligne. La tension est causée par la somme de la portance qui tire vers le haut et de la traînée qui tire sous le vent (pas vers le bas).

Exemple :

Ajouter des queues et des décorations à la ligne de vol n'ajoute pas de portance, mais cela ajoute de la traînée, ce qui augmente la tension.

Expérience :

Attachez les extrémités de trois cordes ensemble comme le montrent les flèches dans le schéma ci-dessus.

Une personne agit comme « ascenseur » et l'autre agit comme « traînée » en tirant à 90 degrés l'une par rapport à l'autre. La troisième personne ressentira la tension combinée dans une troisième direction. Mesurez les angles pour confirmer la troisième direction.

Expérience :

Mesurez la tension sur la ligne d'un cerf-volant à l'aide d'une balance à bagages ou d'une balance à ressort. Vous sentirez le vent combiné à la traînée créée par le cerf-volant, la ligne et les queues.

Si vous n'avez pas de pèse-bagages, utilisez quelques élastiques très résistants et utilisez une règle pour mesurer leur étirement.

Concept : glisser contre décrochage

Glissement:

Le vol plané se produit lorsque l'avion avance avec le nez vers le bas et perd lentement de l'altitude. Les avions, les planeurs et de nombreux autres types d'avions le font.

Le décrochage :

Le décrochage est une réduction soudaine de la portance lorsque le nez de l'avion se soulève, ce qui ralentit ou arrête le mouvement vers l'avant.

Cela aide un cerf-volant à continuer à voler lorsque le vent ralentit ou s'arrête brièvement. Lors d'une chute dans le vent, l'aile perdra de l'altitude mais le nez de l'aile remontera encore et encore pour essayer de rattraper le vent et récupérer.

La différence entre la glisse et le décrochage repose en partie sur l'équilibre de l'aile d'avant en arrière ou "nez à queue".

Q : Est-ce que les cerfs-volants glissent ou décrochent ?

R : La plupart des cerfs-volants décrochent pour relever encore et encore le nez en essayant de récupérer le vol lorsque le vent tombe. Si le cerf-volant glissait, il ne récupérerait pas. Il retomberait au sol après la première chute dans le vent.

Expérience :

Construisez un planeur en papier ou en bois de balsa. Apportez des modifications à votre construction afin que le planeur puisse décrocher. Puis faites-le glisser à nouveau.

Il existe une sorte de cerf-volant appelé cerf-volant planeur qui monte lorsque vous tirez sur la ligne. Lorsque la traction s'arrête, le cerf-volant commence à planer.

Les cerfs-volants planeurs sont devenus un spectacle d'intérieur courant. Avec une telle variété, chaque cerf-volant planant a des caractéristiques de vol différentes, et certains se comportent si bien que n'importe qui peut les piloter."

Concept : loi du carré inverse

Q : Pourquoi ne pas faire voler votre cerf-volant jusqu'au bout de la ligne de cerf-volant ?

R : Les cerfs-volants ont l'air minuscules lorsqu'ils sont à grande distance, mais tout semble plus petit à distance, pas seulement les cerfs-volants.

Exemple : "Le soleil mesure 1,4 million de kilomètres ou 870 000 miles de diamètre. Il est si grand qu'on pourrait y loger un million de terres. Pourtant, vous pouvez bloquer sa lumière avec votre pouce."

Il existe une équation qui relie la taille d'un cerf-volant proche à celui qui est éloigné de notre œil :

taille du cerf-volant à proximité distance / taille du cerf-volant dans le ciel
                                                    =
distance du cerf-volant dans le ciel^{2 /} distance du cerf-volant à proximité²

Expérience :

Un cerf-volant semble mesurer 1 mètre de haut lorsqu'il se trouve à 2 mètres de notre œil.

Quand le cerf-volant est à 100 mètres, à quelle hauteur apparaît-il dans le ciel ?