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Les phénomènes physiques

Système d'équilibre à trois forces

 Syst equilibre a 3 forces

Ici, nous voyons un système d'équilibre à trois forces, mis en place de façon expérimentale sur une planche. En kitesurf, on dénombre beaucoup de forces, mais celles-ci sont les principales. Pour naviguer et notamment remonter au vent, il faut une combinaison parfaite de la force de traînée, la force procurée par l'aile, la force qui régit de celle du sportif qui actionne ses pieds pour repousser la planche. La photographie nous montre ces forces sur un même plan, or dans la réalité ce n'est pas le cas. L'aile utilise le vent, tandis que les autres forces utilisent l'eau.

La force de l'aile est décomposée en 2 forces qui s'additionnent pour engendrer un mouvement rectiligne uniforme : la portance et la force du vent qui entraîne le sportif sur le côté.

On remarque que la somme des trois forces portées sur la planche est nulle , donc d'apès le principe de l'inertie : tout objet soumis à des forces qui se compensent est soit immobile soit en mouvement rectiligne et uniforme.

Enfin, la poussée d'Archimède est la force qu'exerce un liquide (comme l'eau) sur un objet. C’est à partir de cette poussée qu’on définit la flottabilité d’un corps. C'est ainsi qu'un navire, ou ici une planche de kitesurf, flotte sur la mer. Si la poussée est supérieure ou égale au poids de l'objet, celui-ci flotte. Au contraire, si la poussée est inférieure au poids de l'objet, celui-ci coule.

1) Force du vent

 

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La fenêtre de vol est le quart de sphère virtuel formé par tout l'espace dans lequel une voile est capable d'évoluer (ici on voit 2 quarts de sphères). Plus la voile se rapproche de la zone de pleine puissance de cette fenêtre, plus elle prend de vitesse, et inversement.

En effet, au zénith c'est-à-dire au point le plus haut de la fenêtre, le vent exerce sa force seulement sur le bord d'attaque (première surface de la voile : premier boudin). Ainsi, la surface étant trop fine, elle ne suffit pas pour emmener le kitesurfeur. Au contaire, lorsque la voile se situe au centre ou en bas de la fenêtre, dans la zone rouge, le vent agira sur la surface entière de la voile, qui va donc prendre rapidement une vitesse très forte, voire incontrôlable. Sur l'image, le sportif a le vent dans le dos et sa voile se trouve dans la zone de pleine puissance. Pour remonter au vent, il faut trouver la bonne position afin d'obtenir une vitesse constante et moyenne qui puisse laisser une marge de manoeuvre au sportif dans les virages.

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Ventrelatif

Lorsque la fenêtre de vol est statique, elle est directement orientée par rapport à la direction du vent météo qui alimente le plan d'eau.

Le vent apparent est différent du vent réel : c'est le vent perçu par le sportif dans un déplacement. Il est composé du vent réel (celui qu'il ressent lorsqu'il ne bouge pas) et du vent vitesse (vent créé losqu'on se déplace, proportionel en direction opposée à la vitesse). Pour remonter au vent, il faut être moins rapide que la vitesse du vent réel, sinon le vent apparent est mal orienté.

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La bascule de la fenêtre de vol correspond à la modification du vent apparent. Sur la photographie ci-dessus, le sportif se déplace dans la direction de la flèche orange, vers la droite, à une certaine vitesse. On voit alors 5 positions différentes de sa voile : il la borde afin de modifier son vent apparent pour emprunter un virage.

En naviguant, le sportif peut observer l'effet du vent apparent en regardant si son aile avance ou recule lorsqu'elle est en bord de fenêtre. Plus il va vite, plus son aile va vers l'arrière. En réalité, l'aile reste toujours en bord de fenêtre mais la fenêtre tourne pour rester toujours dans l'axe du vent apparent.

 

2) Force de traînée

La trainée de frottement est une force de résistance, qui s'exerce par un fluide (l'eau et l'air ici) sur un objet, lorsque l'un des deux objets est en mouvement par rapport à l'autre. Cette résistance est parallèle à la trajectoire du fluide, dirigée dans le même sens et elle s'oppose à l'avancement de l'objet. Donc en kitesurf, la traînée est exercée par l'eau sur la planche et par l'air sur l'aile, et les ralentit.

La force de traînée peut se calculer, elle correspond à la formule :

                                 fx = 1⁄2 ρ. V2 . S. C

ρ est la masse volumique du fluide en kg.m3-1

V est la vitesse de l'objet en m.s-1

S est la surface de référence en m2

Cx est le coefficient de traînée (sans unité)

La force de traînée est donc liée à la vitesse : plus l'objet va vite, plus la force de résistance est grande.

Cette force est également liée à la portance, qui est la force subie par un corps en mouvement dans un fluide ou dans l'air, s'exerçant perpendiculairement à la direction du mouvement. La formule de la portance est la même que celle de la traînée tout en changeant coefficient de traînée en coefficient de portance. La portance (en newtons) agit sur l'aile, et son équivalent, la poussée d'Archimède, agit sur la planche.

 

Aer4

 

 

Force de trainee

 

 

3) Force du sportif

Le sportif doit obligatoirement repousser la planche contre l'eau et les vagues pour contrôler sa vitesse et ainsi pouvoir remonter au vent : une trop grande vitesse l'empêchera de faire de bons virages, pas assez de vitesse ne lui donnera pas la poussée nécessaire pour avancer.

En remontant au vent, la planche a un angle important par rapport à la surface de l'eau. L'appui talon est l'appui principal permettant de garder une orientation et de tourner en direction du vent. Il constitue la force du surfeur qui, en adoptant cet appui, provoque une résistance face à lui et ralentit pour pouvoir tourner.

 

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