II/ Effet de la modifications de la forme physique sur l'aéro et
hydrodynamisme.
Introduction
:
Alors que sur terre et dans les
air, l'homme se déplace de plus en plus vite, on constate sur l'eau une certaine
stagnation dans cette course à la vitesse, due principalement à la résistance
hydrodynamique à l'avancement (pour un navire classique, la puissance nécessaire
à la propulsion varie à peu près comme le cube de la vitesse), à tel point
que tout gain notable de vitesse doit provenir d'un parfait profil de la coque,
des rames et du poids des matériaux. L'hydrodynamisme ainsi que l'aérodynamisme
sont deux paramètres importants qui influent sur la vitesse de tout objet
se déplaçant( parfois seulement l'aérodynamisme intervient (comme pour les
avions) et parfois seulement l'hydrodynamisme comme pour les (sous-marins)),
dans le cas que nous étudions l'aérodynamisme à certes une influence sur la
vitesse mais très faible comparé à l'hydrodynamisme car le système eau est
environ mille fois plus visqueux que le système
air.
Le profil d'un objet est souvent
modifié afin de rendre son dynamisme (ici du bateau) plus performant.
Plusieurs paramètres vont influer plus en détail est le paramètre principal
influant sur le profil du bateau.
A/ Notions importantes:
1°)Le principe d'archimède
:
Un fluide exerce sur un solide immergé des forces pressantes, qui se réduisent à une force unique ascendante portée par la verticale du centre de gravité du fluide déplacé. Son intensité est égale au poids du fluide déplacé (c'est-à-dire au poids du fluide que contiendrait un volume égal à celui du solide). Si le solide est entouré par 2 fluides superposés, la poussée qu'il subit est la résultante des poussées que subirait chaque partie du solide entièrement plongée dans le fluide. Si un corps flotte à la surface d'un liquide, le poids de l'air déplacé est négligeable vis-à-vis de celui du liquide déplacé, qui représente la poussée totale.
Principe d'ARCHIMEDE : Tout corps plongé dans un fluide, subit de la part de celui-ci une poussée verticale de bas en haut égale au poids du volume de fluide déplacé.
Poids Apparent = Poids Réel - Poussée d'Archimède
Poussée d'Archimède = Volume x Densité
Caractéristiques de cette force :
direction : verticale,
sens : de bas en haut,
valeur : égale au poids rVg du fluide déplacé (avec r en kg.m³, V en m³et g en N.kg-1
s'applique au centre de gravité du fluide déplacé appelé centre de poussée.
La force de trainée est une force relativement faible
(comparé aux autres forces qui agissent sur le bateau) variable selon la forme
du bateau et la vitesse de celui-ci, elle varie également en fonction de la
viscositée du fluide dans lequel le bateau avance
et en fonction de la température. Plus le sillage(la trainée) derriere bateau
est grande et plus la force de traînée l'est aussi. Donc plus le bateau est
soumis à une résistance à l'avancement. Nous allons étudié la taille des sillages
derrière différents objets de formes variées(dont un représentant la forme d'un
bateau) pour comprendre la forme allongée des bateaux.
3°) Le sillage :
Ce n'est rien d'autre que l'écoulement visible derrière le bateau à la surface de l'eau. Plus il est grand plus la force de traînée est grand, plus il est petit et plus la force de traînée l'est aussi.
B/ Pourquoi les bateaux d'aviron ont-ils une telle forme et non une autre ?
1°) Tests de la mécanique des fluides
:
Présentation des expériences : Les expériences ont étés réalisées sur une table à Ondes qui n'est en fait rien d'autre q'une plaque de verre entourée de bords de manière a en faire une cuve de faible hauteur (environ 3 cm). Cette table à Ondes a été remplie d'eau mélangée à de la fluorescéine (colorant jaune fluo) puis recouverte de particules de souffres afin de rendre les déplacements de l'eau visibles sans trop de difficultés. Ce qui n'a pas été évident du premier coup!!!
Pour symboliser l'avancement du bateau, nous faisions circuler le liquide par une pompe qui récupérait celui-ci d'un bout de la table et que l'on rejetait par le coté opposé. Afin d'avoir un courant le plus large possible, nous faisions passer l'eau du tuyau à l'embouchure d'un tube de dentifrice vide et coupé a l'extrémité la plus large. Ainsi le flux était suffisamment large pour les objets que nous utilisions et régulier de part la hauteur uniforme du tube à son extrémitée "plate".
a) Cas d'un objet rond:
Nous observons la taille du sillage pour la comparée avec la taille des sillages d'autres pièces de forme différente. Pour le cas ci-dessous à la vitesse testée, le sillage est fermé, mais il n'en est pas de même pour toute les vitesses. Pour une sphère le coeficient de traînée Cx est défini par Fx=Cx((rv2infini)/2)Sp avec :
v : vitesse de l'écoulement,
Sp : surface de la projection de l'obstacle sur un plan perpendiculaire à l'ecoulement,soi pour une sphère : PR2,
r : masse volumique,
et C : coeficient de traînée.
Le coeficient de traînée varie aussi en fonction d'un nombre : le nombre de Reynolds obtenu par : Re=(2rRvinfini)/havec :
d) Cas d'un objet alongé et fin (de la forme d'un bateau):
(cliquer sur les photos pour les agrandir)
Photo sans légende
Photo avec légende
e) Conclusion :
De touts les sillages étudiés, c'est celui de l'objet le plus fin et éffilé qui a le plus petit, donc comme nous le remarquions dans le paragraphe sur la force de traînée, c'est celui là qui a la plus petite résistance à l'avancement de part la force de traînée. Nous comprenons ainsi pourquoi les bateaux sont si allongés et fins car cela leurs permet d'avir une résistance à l'avancement la plus faible possible. Un skiff par exemple (bateau à un rameur) mesure jusqu'a dix mètres de long pour seulement 29cm de large et une quinzaine de kilos. (remarque : les bateaux sont creux pour peser moins lourd et pour flotter d'avantage car "l'intérieur " du bateau est fermée hermetiquement.)
2°) Le véritable profil d'un bateau :
Les bateaux d'aviron tels que ceux ci-dessous (des skiffs : bateaux à un rameur) sont donc très étroit pour avoir un dynamisme leur permetant d'atteindre en course la vitesse d'un solex !
Pour observer le traînée derrière plusieurs types de bateaux, vous pouvez cliquer sur les photos ci-dessous pour les agrandir.
