Encore plus vite que le vent 27


Vous savez peut-être que j’ai créé il y a un peu plus de 5 ans un blog consacré à la vitesse à la voile, « Foilers! », désormais principalement animé par d’autres passionnés. Depuis 2007, le mur des 50 noeuds a été franchi par des engins très différents, allant du kitesurf à l’Hydroptère, mais le 24 novembre 2012, le record de vitesse pure a été pulvérisé par Vestas Sailrocket 2, qui a atteint 65.45 noeuds, soit 121 km/h de moyenne sur 500m (video)

Vestas Sailrocket 2 à 65 noeuds en Namibie. Cliquez pour la video !

Dans un article faisant le bilan de 5 ans de progrès spectaculaires, j’ai relevé que pour atteindre de telles vitesses il faut des conditions idéales : vent de 30 noeuds (voire plus pour les kite) arrivant sous le bon angle au ras d’une plage pour que les vagues ne soient pas formées. Le record absolu de vitesse a-t-il toujours un sens s’il faut attendre des semaines que ces conditions se présentent en l’un des quelques spots idéaux de la planète ? Ne devrait-on pas plutôt mettre sur pied des records relatifs à la vitesse du vent, en considérant que Sailrocket a atteint 2.4x la vitesse du vent, un kitesurf atteignant 1.8 et « BMW Oracle », le géant de la dernière Coupe de l’America un facteur 4.5 ?

Car oui, on peut aller plus vite que le vent à la voile. Mais pas à toutes les « allures » : les bateaux munis de voiles traditionnelles ou d’ailes fixes ne peuvent remonter face au vent. Et au « vent arrière », il sont condamnés à une vitesse inférieure à celle du vent car  lorsque la vitesse du bateau augmente, le vent apparent diminue jusqu’au point où la puissance extraite par les voiles compense la traînée, et le bateau ne peut plus accélérer.

Mais des voiles « non traditionnelles » permettent-elles de dépasser ces limites ?

La réponse est oui. Sur l’eau il existe déjà des modèles réduits, de petits engins monoplaces et même un catamaran de 36 pieds propulsés par des éoliennes orientables couplées à des hélices marines, ce qui leur permet de remonter directement face au vent. Mais en l’absence d’organisme validant des records de VMG, les navigateurs ont peu de considération pour ces travaux

Sur terre, la NALSA (Association Nord Américaine de Chars à Voile) homologue des records face au vent en vitesse absolue (C3) et relative (C4) [1]. Ces deux records étaient tous deux détenus par le véhicule « DTU » de l’Université Technique du Danemark participant à l’édition 2011 de la compétition Aeolus. Il avait atteint 24.6 km/h et 75% de la vitesse du vent pendant les 10 meilleures secondes de son parcours sur une route de  5.3 km orientée face au vent. La course a été remportée cette année par Chinook, un engin de l’Ecole Technique Supérieure du Québec qui a remonté le vent en moyenne à 58.5% de la vitesse du vent réel.

Chinook, lauréat de l’Aeolus 2012 avec 58.5% de la vitesse du vent (cliquer pour plus d’infos)

Chinook a peut-être même ponctuellement fait mieux que les 75% de DTU, mais ça n’a plus d’importance depuis le 16 juin 2012. Car ce jour là, le « Blackbird » de Rick Cavallaro a pulvérisé le record de vitesse absolue face au vent (C3) avec 36.6 km/h et surtout le record relatif  (C4) avec 2.1 fois la vitesse du vent réel !  [2,3]

Blackbird 2012

Blackbird face au vent. Remarquez le pas variable de l’éolienne (et cliquez pour plus d’infos)

Ce record spectaculaire est cependant moins surprenant que celui qu’avait déjà réalisé Blackbird le 3 juillet 2010. Ce jour là Rick Cavallaro est devenu le premier homme « DDWFTTW » : Direct DownWind Faster Than The Wind. Il a même atteint 44.6 km/h dans 16 km/h de vent, soit presque 2.8 fois la vitesse du vent [5,6] au vent arrière !

Comme le dit Rick Cavallaro dans un article passionnant qui retrace toute l’aventure [7], 99% des gens pensent a priori que c’est impossible (c’était mon cas) et 99% des autres n’arrivent pas à comprendre comment ça peut marcher (c’est mon cas actuellement, mais je me soigne).

En 2008, cette vidéo sur YouTube où l’on voit un modèle réduit dépasser la vitesse du vent (à partir de 1:22) a été qualifiée de canular et suscité des commentaires très critiques voire haineux sur plusieurs forums. Même des blogs de science respectables assimilaient DDWFTTW à « mouvement perpétuel » [8].

Il faut dire que la première idée qui vient à l’esprit est fausse : ce n’est pas l’éolienne qui fait tourner les roues, ce qui poserait un problème lorsque le vent apparent s’annule. Ce n’est pas non plus l’inertie du rotor qui permet de passer cette vitesse critique, et il ne faut pas inverser le pas de l’hélice pour qu’elle mouline l’air venant de l’avant après avoir mouliné l’air venant de l’arrière. D’ailleurs regardez la vidéo une fois encore : l’hélice tourne dans la direction « propulsive » dès le départ, et rien de spécial ne se produit lorsque l’engin atteint la vitesse du vent

La solution est beaucoup plus simple, mais aussi beaucoup plus perturbante que ça : ce sont les roues qui actionnent l’hélice, qui fonctionne comme un propulseur ! Ca pue le mouvement perpétuel, mais ça n’en est pas un parce que le vent réel est toujours présent, le problème étant de pouvoir utiliser son énergie.

Dans leur article « Plus vite que le vent » [9] paru dans « Pour La Science » cet été, Jean-Michel Courty et Édouard Kierlik utilisent l’analogie du yoyo : quand un yoyo est posé au sol et qu’on tire doucement sur la ficelle, il se rapproche en enroulant la ficelle autour de son axe, donc plus vite que le déplacement de la ficelle. Ce comportement ne se produit cependant que si certaines relations entre le rapport de transmission (le rapport entre le périmètre de l’axe et le périmètre du yoyo) entre le coefficient de frottement du yoyo au sol sont satisfaites.

Sur « Blackbird », c’est le vent réel arrière qui joue le rôle de la ficelle et l’hélice celui de l’axe. Avec un rapport de transmission entre le périmètre des roues et le pas de l’hélice bien choisi et des coefficients de frottement avec la route et avec l’air suffisants, le véhicule exploite avec une sorte de bras de levier la différence de vitesse relative entre les deux milieux, différence qui reste d’amplitude et de direction constante lorsque le véhicule accélère.

La possibilité théorique d’un tel véhicule avait déjà été établie en 1969 [10]. Il a fallu 40 ans de travail de passionnés pour arriver à dépasser la vitesse du vent sous toutes les allures, mais pour l’instant à terre, et avec des véhicules différents ou nécessitant une adaptation. Qui arrivera à rouler sur un cercle complet plus vite que le vent réel ? Et qui arrivera à le faire sur l’eau ?

Références

  1. « NALSA REGULATIONS FOR SPEED RECORD ATTEMPTS« , 2012
  2. Rick Cavallaro « Report for the Submission of Data Supporting World Record Runs in the Category Dead Upwind Vehicle » 25 June 2012
  3. Bob Dill and Kimball Livingston « Observers Report for Proposed Records for Dead Upwind Sailing and Maximum Speed for a Turbine Driven Craft« , NALSA, Novembre 2012
  4. Racing Aeolus 2011 : The Bristol Entry (slides sur la conception d’un véhicule de la compétiton)
  5. Rick Cavallaro « Report for the Submission of Data Supporting World Record Runs in the Dead Downwind Vehicle Category« , 12 July 2010
  6. Bob Dill and Kimball Livingston « Observers Report for a NALSA Dead Down Wind Record Attempt
    And An Attempt for a Top Speed Record in the Non-Conventional Sailing Craft Category« , NALSA 2010
  7. Rick Cavallaro, « A Long, Strange Trip Downwind Faster Than the Wind« , Wired, 27 August 2010
  8. Rhett Allain « Physics and directly downwind faster than the wind (DWFTTW) vehicles » , Scienceblogs, décembre 2008
  9. Jean-Michel Courty et Édouard Kierlik « Plus vite que le vent« , Pour la Science N°417 – juillet 2012
  10. Andrew B. Bauer « Faster than the wind« , 1969
  • Ethaniel

    L’analogie avec le yo-yo est édifiante, merci =).

  • http://www.nauticaerium.com Guy Capra

    Merci Docteur pour cette mise au point édifiante :-D
    Juste mon petit grain de sel pour permettre de « sentir » le principe :
    http://nauticaerium.blogspot.fr/2012/12/la-pensee-va-plus-vite-que-le-vent.html

  • http://gravatar.com/melkarth PAT

    AAAh, il m’a fallut du temps mais ça y est j’ai pigé aussi. Je mets mon grain de sel pour expliquer simplement à ceux qui ont la même logique que moi.

    Notion1: Le vent apparent.
    Le vent apparent est la soustraction de 2 vecteurs: Le vent réel moins la vitesse de déplacement (vent relatif). (plus on se déplace vite plus on a l’impression que le vent vient de face).
    En vent arrière, plus on accélère plus le vent généré par le déplacement annule le vent « naturel » qui nous pousse dans le dos. Il arrive donc un moment ou le vent apparent devient nul. Si l’on continue à accélérer on aura l’impression d’un vent de face.

    Notion2: L’accélération.
    Le principe de base en voile est d’utiliser le vent apparent pour se déplacer. Il n’est pas possible d’accélérer plus que le vent apparent. J’ai bien dit accélérer et non déplacer. En effet en vent arrière on se déplace de plus en plus vite en utilisant la vitesse du vent, le vent apparent diminue, on accélère de moins en moins j’usqu’à ce que le vent apparent soit nul. En l’absence de vent apparent impossible d’utiliser sa force pour prendre encore un peu de vitesse mais la vitesse acquise reste là.

    L’astuce.
    La logique est simple, pas de vent apparent = pas d’accélération. Il est IMPOSSIBLE d’utiliser le vent en vent arrière pour aller plus vite que la vitesse du vent.

    L’astuce ici c’est qu’on utilise un autre « vent apparent ». quand on est à l’arrêt le sol ne se déplace pas par rapport à nous. Plus on accélère plus le sol va se déplacer vite. Le « vent apparent de la route » est comme le vent apparent de l’air: on se fout de savoir si le sol se déplace sous nous ou si on se déplace dessus. l’énergie disponible dépend de la vitesse du sol par rapport au véhicule et point barre.

    La vitesse maximale.
    Pour simplifier. En vent arrière plus on accélère plus le vent apparent de la route augmente, le vent relatif de l’air tend à se transformer en vent de face.
    Le but ici est d’utiliser Le vent apparent de la route pour générer un vent et propulser le véhicule. Pour accélérer le « vent final » doit être plus rapide que le déplacement du véhicule (vent relatif de la route).

    Or en vent arrière le vent apparent de l’air= celui de la route – le vent réel. Bref la vitesse de la route sera TOUJOURS plus rapide que le vent (on estime un vent de dos comme une vitesse négative). C’est donc bien le vent arrière qui donne ce « potentiel d’accélération » et celui-ci reste disponible même si le vent apparent est nul. La vitesse maximale dépendra donc des pertes du système et uniquement les pertes.

  • http://drgoulu.com Dr. Goulu

    L’article de Guy et le mien ayant été cités sur ce forum anglophone, il s’en suit un débat assez chaud qui m’a dirigé vers cet article qui dit très justement (en anglais):

    Le très grand scepticisme envers DDWFTTW que vous voyez sur différents forums est causé par le fait que les sceptiques y pensent comme un problème d’énergie alors que ce n’est en réalité qu’un problème de levier. Il y a assez d’énergie dans le vent pour déplacer le char plus vite que le vent, vous devez juste trouver un moyen d’appliquer un levier pour y parvenir

    Reste qu’il est vrai que je n’ai pas jusqu’ici trouvé de calcul de la chose en termes d’énergie, et que comme pourfendeur des mouvements perpétuels, ça me dérange…

    • http://www.nauticaerium.com Guy Capra

      Merci pour l’info Philippe.

      Sans calcul aucun on peut expliquer simplement pourquoi ce n’est pas un mouvement,perpétuel (malgré certains qui se gaussent, en français comme en anglais) :
      sans l’énergie apportée par le vent le mouvement s’arrête, point.

      Donc nous ne sommes pas en train de parler d’un mouvement magique auto-perpétué, mais au contraire d’une façon très intelligente de récupérer une énergie distribuée en continu : l’énergie offerte par le vent.

      Comme tu le dis si justement, il s’agit simplement d’une sorte de levier mécanique, même si ce levier est appliqué en partie sur un fluide.

      Un polémiste ricane sur le forum anglophone en stipulant que je parle d’un mouvement perpétuel tout en disant que ce n’en est pas un : en fait il n’a pas encore compris que ce n’est pas le char qui fournit l’énergie aux roues dans un circuit fermé char-roues-route-hélice, mais le vent qui appuie sur le char.
      Ce vent fait tourner les roues qui font tourner l’hélice qui crée un courant d’air opposé au vent et qui en s’appuyant dessus continue de permettre l’accélération au delà d’une vitesse vent/char relative nulle.
      Effectivement en bouclant l’explication comme ça on dirait du perpétuel, mais c’est juste parce qu’on oublie l’énergie extérieure apportée par le vent…

      Oui, c’est cet ensemble d’actions/réactions finalement appuyées sur le vent qui permet au char d’avancer, et de le faire plus vite que le vent lui-même.
      Oui, on peut voir ça comme une sorte de levier.
      Au démarrage l’hélice ne pousse pas, elle est poussée et c’est cette poussée qui fait avancer le char et tourner les roues.
      Regardons bien le sens de cette hélice : dès le départ elle ne tourne pas comme si c’était le vent qui la faisait tourner, mais bel et bien « à l’envers » comme une hélice d’hydroglisseur qui pousse contre le vent pour faire avance l’engin.
      Quand le char démarre lentement bien sûr ça ne pousse pas et l’hélice sert simplement comme une sorte de spi en vent arrière.
      Mais dès que le char atteint une certaine vitesse, la poussée de l’hélice devient efficiente, et c’est elle qui en s’appuyant sur le vent permet au « miracle » de s’accomplir (ne jamais oublier que le vent « avance » déjà assez vite).

      Il s’agirait d’un mouvement perpétuel si aucune énergie extérieure n’entrait en ligne de compte.
      S’il y avait pétole et que le char se déplace quand même uniquement poussé par sa propre hélice entraînée uniquement par ses propres roues on pourrait crier au scandale, mais ce que beaucoup semblent oublier dans leur appréhension du système, c’est que ce fameux vent constitue une énergie extérieure constamment apportée.

      Ensuite le système est assez intelligent pour l’utiliser, c’est tout.

      • http://drgoulu.com Dr. Goulu

        Oui Guy nous sommes d’accord. MAIS (un peu comme pour les bidules magnétiques…) une explication purement cinématique n’est pas entièrement convaincante. Il faut vraiment pouvoir montrer que ça joue aussi du point de vue dynamique, soit que la puissance (ou l’énergie) que l’on peut tirer des roues est supérieure à celle injectée dans la propulsion, et que la résultante de toutes les forces fait accélérer le char plus vite que le vent. Et jusqu’ici je n’ai toujours pas trouvé de calcul dynamique complet satisfaisant.

        Donc je me suis lancé dans une petite simulation avec le tableur Google Docs qui commence à jouer au niveau des forces, mais pas (encore) de l’énergie (ou de la puissance)

        A part ça, la polémique a vraiment fait rage en 2010 à voir cet excellent article, mais surtout certains commentaires…

        • http://www.nauticaerium.com Guy Capra

          Ok Philippe, tu me vois content que nous tombions d’accord sur le principe, et évidemment je comprends – et j’admire – ton besoin d’en approfondir le côté scientifique. Je me réjouis déjà de ton futur article qui en parlera :-)

          Aparté : en ce qui concerne les « bidules magnétiques » d’ailleurs il y a un dernier commentaire en souffrance il me semble ;-)

          Enfin en guise de conclusion pour ma part, je suis une fois de plus en position de constater qu’il existe un facteur énergétique inépuisable et infini si ce n’est perpétuel : la puissance des convictions !

          Suivant les polémiques et autres rhétoriques cette puissance ne va pas toujours dans le même sens, mais si un jour on trouve le moyen d’appuyer un bon levier pour l’utiliser, on pourra soulever la terre entière, l’univers, et au delà ! ;-)

  • nevereven

    Merci Dr Goulu pour cet article.
    On attend impatiemment une explication « avec les mains » bien vulgarisée du DDWFTTW ! Un truc à la Feynman qui ne pue pas le mouvement perpétuel !

  • surunitairedream

    Pour le « Blakbird »Je pense que l’on est en droit de dire que c’est une machine surunitaire!?
    La démonstration est faite que la condition de la surunité consiste par commencer d’une perte (énergie initiale pour les roues qui donne la vitesse etc..) vers un bénéfice,et non pas définirchercher le bénéfice comme condition de départ.

    Dr goulu,qu’en pensez vous?

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      Désolé, mais Blackbird n’est pas plus « surunitaire » qu’une pale d’éolienne dont la vitesse à l’extrémité est supérieure à celle du vent. C’est un simple effet de levier. Blackbird est comme un systèmes d’engrenages coincé entre 2 crémaillères parallèles (sol et vent). Il convertit l’énergie du vent réel en énergie cinétique du véhicule, mais par un mécanisme assez subtil utilisant le frottement sur le sol et dans l’air.
      Si le bidule était « surunitaire », il n’y aurait pas besoin de vent réel, le pousser au départ devrait suffire ;-)

  • surunitairedream

    l’irréversibilité de l’entropie est donc contournable en démarrant non pas d’une situation d’équilibre pour un sur-équilibre immédiat,mais d’une déséquilibre vers un rééquilibrage….!???
    C’est l’explication de base que je tire du système surunitaire que j’ai construit.
    Je sais: »c’est impossible!Montre un plan!mito! »ETC…..Peu importe,je suis pas là pour convaincre ou lever des fonds.Je cherche juste à mieux définir certaines choses avec des termesconcepts scientifique.

  • surunitairedream

    Trop un cassa tête ce « Blackbird »!
    Je pense qu’il faut chercher sur deux pistes.
    le rotor derrière l’hélice sert t’il toujours de moteur,ou,à partir d’un certain seuil de vitesse passe t’il en mode générateur au moment ou la vitesse acquise est suffisante,et avec une position plus horizontale des pales,on optient plus une rotation par effet de portance,générant ainsi plus de puissance sur les roues(qui elles se sont transformées de générateur en moteur?))que les pales n’opose de résistance à l’air.(?)Un peu sur le principe des avions pour lesquels 50 tonnes de poussée permettent de faire soulever leurs masse de 200 tonnes.
    Pour l’hélice,en observant,j’ai un doute si l’orientation des pales est vraiment des deux cotés celle que l’on supose voir….Je me demande si les orientations ne sont pas oposéescontrariante de sens,mais avec une différence d’angle qui donne ainsi une primoté de sens face au vent et une primoté de sens de propulsion en phase moteur.
    Ou bien,détecter un non alignement des deux pales par rapport à l’axe;ce qui est suceptible de favoriser un sens(?)
    Ou encore,imaginer une variation asymètrique de l »angle des pales durant la rotation(et sur un seul coté ?),offrant ainsi,peut-être,un avantage de couple ou de force centrifuge.(?)
    Stop,j’ai mal à la tête

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      C’est beaucoup plus simple que ça. Sur cette feuille de calcul j’ai calculé l’accélération d’un chariot fictif sous l’effet des différentes forces. Il atteint 1.5x la vitesse du vent en 90 secondes. Mais je n’ai pas encore éclairci la partie « énergie », qui doit faire intervenir le fortement dans l’air d’une manière qui m’échappe encore…

  • Michael

    Cher Dr Goulu

    Je dévore votre blog depuis quelques jours… Un seul souci: je ne parcours les articles que par les liens « sur le même sujet »
    J’ai fouillé mais je ne trouve pas d’index.

    Merci

  • http://drgoulu.com Dr. Goulu

    Cher Michael,
    ahhh l’index… vaste projet procrastiné depuis des années car il me forcerait à mettre de l’ordre dans mes idées trop disparates… Ce qui en tient un peu lieu est la « boule de sujets » dans la colonne de droite : elle est manipulable à la souris et vous dirigera vers les « tags » principaux. Les tags sont les mots clés figurant au bas de chaque article, cliquables eux aussi et permettant (parfois) de retrouver une série d’article sur un thème donné comme http://drgoulu.com/tag/eolienne/ par exemple.
    Bienvenue sur ce blog !

  • nevereven

    En fait une complétion (ou chasse au record) qui consisterait à créer l’engin ayant le « meilleur diagramme polaire des vitesses » (ou carrément le « meilleur diagramme polaire des vitesses relatives ») serait absolument grotesque. Non seulement cet engin (même en changeant de « gréement ») serait battu par des bateaux classiques à toutes les allures non exotiques (comprises entre 10 et 150 deg) mais il se ferait aussi pulvériser par un AC 45 sur n’importe quel parcours (genre triangle olympique). Autrement dit, il ne serait ni « bien spécialisé » ni « bon en moyenne ». Vous qui aimez ramener le progrès scientifique à ses applications concrètes et pratiques (pourquoi ? comment ? combien ?) devez admettre q’un tel engin en forme d’usine à gaz serait inutile et inutilisable. De plus il n’apporterait aucune retombée technologique. Par contre un record par allure (y compris à 0 deg. et 180deg.) aurait des retombées techno intéressantes. De même un record de vitesse relative pousserait à l’innovation et ramènerait les records de vitesse à leur raison d’être. La dessus je partage 1000 fois votre avis.

    Sinon la vidéo DDWFTTW sur un tapis roulant est géniale ! Par un simple changement de référentiel on comprend enfin que (et comment) c’est possible !!!

    Super blog ! Super philo ! Super centre d’intérêts !

  • http://ingenieriamulix.wordpress.com olivier

    Juste pour ma curiosité de néophyte, quels sont les meilleurs spots mondiaux?

  • http://www.kristen.fr/Methode_Le_Gallic/ Le Gallic Michel

    Bonjour,
    Le sujet « Encore plus vite que le vent » me passionne depuis longtemps.
    Les références que vous citez sont devenues également les miennes au fil des années: au début il n’y avait pas le Web…
    Voici un lien vers mon Blog : http://www.kristen.fr/Methode_Le_Gallic/
    Mes démonstrations sont basées sur des exemples numériques, ce qui, de mon point de vue, facilite la compréhension.
    En espérant que mes travaux apportent quelques bonnes réponses…
    Cordialement
    M. Le Gallic

  • http://drgoulu.com Dr. Goulu

    Trouvé cette jolie vidéo qui explique le truc

    http://www.youtube.com/watch?v=k-trDF8Yldc

    Remplacez la grande roue et la règle par une « vis dans le vent » et vous y êtes !

    • http://www.alomphega.com Guy Capra (Alomphega)

      Vidéo dont je croyais même me souvenir que c’était toi cher docteur qui m’en avait donné le lien…

      Jubilatoire expérience probante, mais hélas aucune explication, juste une merveilleuse constatation ; avec la preuve que tu as raison de dire que l’intuition peut parfois être trompeuse.

      Cependant si on précise que la règle pousse l’engin et que les roues – simplement appuyées d’un côté sur la règle et de l’autre sur le sol – augmentent la vitesse de l’engin par rapport au déplacement de la règle relativement au sol par un effet levier dans le même sens que la poussée, on retombe sur des explications permettant finalement une compréhension relativement intuitive du phénomène O:-)

      Il faut à cela préciser que dans le cas du DDFTTW la vitesse au départ est différente d’avec l’expérience de la règle car vient se rajouter un facteur de glissement des fonctionnements : dans un premier temps le vent pousse la voilure qui réagit comme une voilure statique avant de prendre de la vitesse et de permettre à l’hélice de rentrer en action.
      Ensuite le souffle de cette hélice tient sur le vent le même rôle que tient le frottement de la grande roue supérieure sur la règle, et l’élasticité du fluide en question (l’air) permet ce glissement de fonction progressivement et en douceur.

      • http://drgoulu.com Dr. Goulu

        Ben non, j’avais indiqué d’autres vidéo dans l’article, mais celle là je ne la connaissais pas ..

        Elle me semble limpide du point de vue cinématique, mais comme je le dis plus haut, il manque encore un véritable bilan d’énergie de la chose, donc un modèle dynamique tenant compte des frottements, glissements etc.

  • LE GALLIC Michel

    Bonjour,
    Une réponse à votre souhait est sur mon Blog :
    http://www.kristen.fr/Methode_Le_Gallic/?cat=7

    Voici le lien vers le tableau de calculs Excel « DWFTTW »
    http://www.kristen.fr/Methode_Le_Gallic/wp-content/themes/3/doc/methode_le_gallic-dwfttw.xls
    Les paramètres (chiffres gras sur fond rose) sont choisis pour l’exemple (voir Nota): calcul mécanique d’un engin à hélice propulsive capable d’atteindre u=3 fois la vitesse du vent de dos (v=1m/s) Puissance appareil: P=30 Watt rendement global R= 2/3

    L’étude « UPWIND » est établie pour atteindre u=2 fois la vitesse du vent de face (v=1m/s) avec une turbine éolienne. Puissance appareil: P=30Watt R=2/3 également: on peut ainsi comparer facilement les 2 « modes » c’est très instructif.
    http://www.kristen.fr/Methode_Le_Gallic/wp-content/themes/3/doc/METHODE_LE_GALLIC-.xls
    Nota: Pour ces 2 exemples théoriques, les calculs sont établis pour un vent de 1m/s afin de correspondre à la synthèse et schéma de principe de février 2011.
    A l’origine, les variables correspondaient à un appareil (multidirectionnel avec « Eolice » à pas variable) que j’avais commencé à construire… (Avant que le sujet n’existe sur le Web)

    Cette étude complète, est à ma connaissance, sans équivalent sur le Web:
    – Les divers rendements (à viser) des « machines » sont chiffrés et pris en compte pour le calcul des performances (limites)
    – Le facteur d’induction (x) du rotor est calculé selon ma Méthode du 21/05/2005 montrant que la « limite de Betz » ne s’applique pas à une éolienne « auto-mobile »
    (Même raisonnement pour Eolienne et Hélice= facteur (x) idéal=performances optimales)
    – Les caractéristiques des rotors sont indiquées (exemples)
    – Le rapport (K) de démultiplication idéal entre le rotor et les roues est donné par les calculs.
    – Les équations de base concernant l’équilibre de l’engin sont établies: adhérence, stabilité…
    – Etc…
    Remarque: l’analyse des résistances (T) est incomplète et simplifiée (/Sol? /Air?)
    Elle serait à développer car les trainées sont déterminantes/limites.

    Je dois admettre que c’est assez brouillon…
    Cette approche « mécanicienne » commencée en 1997 (voir lien ci-dessous)… comporte sans doute quelques (petites ?) erreurs et lacunes, exemple: comment calculer le temps nécessaire pour atteindre la vitesse maximale?
    http://www.youtube.com/watch?v=Z9lUSkMfLiQ

    Pour faire des simulations et comprendre le fonctionnement des tableaux, le mieux est de commencer par faire varier un paramètre (chiffre gras sur fond rose) ex: = u/v (nombre de fois la vitesse du vent) en case E5.
    Merci de votre attention.
    Bon vent!

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      Merci beaucoup, ça me paraît en effet très complet, ce que j’ai vu de plus complet jusqu’ici.

      Que pensez-vous de mon défi de décrire un cercle complet plus vite que le vent à toutes les allures ? Que faut-il faire varier sur un véhicule pour passer de DUWFTTW à DDWFTTW et vice-versa de manière continue ? Suffit-il d’orienter l’hélice ou faut-il faire varier un rapport de transmission en même temps ?

      • nevereven

        Je ne comprends pas vraiment votre intérêt (POURQUOI ? comment ? COMBIEN ?) de relever un tel défi… Cet engin serait battu sur tout parcours de régate et trouverait également meilleur que lui à une allure donnée. Par ailleurs, je ne pense pas qu’il déboucherait sur des innovations technologiques (qui existent déjà et qu’il ne ferait qu’assembler de manière non optimale)

  • LE GALLIC Michel

    Bonjour,
    Parcourir un cercle complet plus vite que le vent me paraît difficile sur l’eau: un voilier peut-il le faire ?
    Sur sol dur, par contre, en optimisant les divers rendements de « l’éolice » et de la transmission, en minimisant les traînées, cela devrait être possible. A priori, on peut admettre l’avantage du « Turbochar » aux allures voisines du vent de face (x2) et du vent de dos (x3)…
    Tableaux Excel : en faisant varier l’Angle (C) entre trajectoire et vent réel (case F5) on obtient les caractéristiques de l’engin aux différentes allures.
    Le principe que j’ai retenu pour les calculs du « Turbochar » est de conserver l’axe du rotor dans la direction du vent relatif (w). Mais à certaines allures il pourrait être avantageux pour la performance et l’équilibre, d’utiliser la portance du disque rotor…( Gyrovoile)
    Evidemment la combinaison de tous les paramètres de calculs sur un cercle (intégrales ?) va rapidement devenir très compliquée et…frustrante !
    Il serait beaucoup plus valorisant de réaliser une maquette radio-commandée.
    Avec un pas fixe, (ligne 15 des 2 tableaux/Blog) pour maintenir l’efficacité des pales, une variation continue du rapport de transmission rotor / roue est utile, (ligne 51) mais : gestion difficile et pertes/transmission.
    On peut adopter un pas variable, (autres tableaux) mais sans variateur / transmission le démarrage de l’appareil sera difficile (faible rendement à petite vitesse). Compromis: auto-démarrage/départ lancé ?
    Je choisirais un rotor à pas variable, calculé pour un bon rendement aux grandes vitesses, avec possibilité d’inverser les pales, selon l’allure, en mode Eolienne ou mode Hélice, si nécessaire. Pour la transmission mécanique, un changement de vitesses simple et efficace, pourrait être ajouté…
    Bon vent !

  • Le Gallic

    Suite réponse: le 02 juillet 2013
    Bonjour,
    Pour compléter ma réponse, j’ai tenté une simulation sommaire à partir des 2 tableaux de calculs: cercle divisé en 12 secteurs de 30°
    Le « Turbochar » est lancé sur un cercle et reçoit un vent réel constant: v=1 m/s
    Les pales (à profil symétrique) sont orientées en Mode Hélice propulsive ou Turbine éolienne et l’axe du rotor positionné dans la direction du vent relatif (w)

    Allures voisines du vent de dos: tableau D.W.F.T.T.W. Mode hélice
    Angle C entre la trajectoire et le vent réel de 0° à 30°
    Pour C=0° la vitesse instantanée théorique de l’engin atteint son Maximum: u=3 m/s.
    Pour C=30° environ: u=2.8 m/s env.

    Allures « autres »: tableau vent de FACE Mode éolienne
    Angle C entre la trajectoire et le vent réel de 30°à 180°
    Pour C=180° la vitesse instantanée théorique de l’engin atteint son Maximum: u=2 m/s.
    Pour C=30° environ: u=1 m/s env.

    NOTA: pour C=30°environ, u=2.8 ou 1 m/s, selon le mode, hélice ou éolienne?
    Il faudrait combiner les 2 tableaux pour calculer l’optimum…

    On obtient une vitesse instantanée théorique moyenne, sur le cercle: u=1.8 m/s, environ.

    La régulation du mouvement due à l’inertie de l’engin, les accélérations, seraient à prendre en compte. Avec un pilotage pour gérer, en pratique, l’orientation des pales et/ou de l’axe rotor on devrait donc dépasser la vitesse du vent en moyenne sur le cercle (x 2 sur Rail ?)

    ANALOGIE/Aile rigide: u=5 fois env. la vitesse du vent pour les pales à profil symétrique /éolienne à axe vertical, à variation cyclique d’incidence (DARRIEUS) en fonctionnement normal, après lancement.

    LIMITES: Une Turbine éolienne FIXE, (« parfaite »= rendement 100%) ne peut extraire que 16/27 (59.26%) de l’énergie contenue dans la veine d’air correspondant à sa surface « balayée ». (Limite de BETZ)
    Sauf erreur: cette même éolienne, MOBILE, (ma Méthode: vent de face, facteur d’induction: x=0.0..1 case E11) peut déplacer une machine (supposée parfaite: R=100%) à une vitesse théoriquement… illimitée! (rendement « réceptif » tend vers 1)
    Par contre: en appliquant (par erreur) la loi de BETZ (x=0.333) cette même machine irait seulement à: u= 2 fois le vent (rendement « réceptif » limité à 2/3)

    PRATIQUE: Supposons un aérogénérateur « auto »mobile, se déplaçant à la vitesse du vent, de face. Compte tenu des divers rendements réalisables, il devrait procurer environ 30% net d’énergie, de plus qu’un aérogénérateur fixe! A suivre…

    « BLACKBIRD »: Grand rotor * Transmission par chaîne * Sol dur = Rendement Global élevé R=64.3% pour u= 2.8 fois vent de dos et: R=67.7% pour u=2.1 vent de face.
    (« ORACLE »: u=4.5 v, R serait 80% mini, à analyser, en fonction de « l’allure » et de la durée?)

    YOYO (selon configuration) …en tirant sur le fil: il avance= preuve DWFTTW.
    Il recule= preuve que l’on peut aller FACE au vent…+/- vite?
    Voir aussi: http://www.dailymotion.com/video/xwaaox_tild-up_tech#.UdFH_vlszuR

    FORTUNE: à 17 h le 31 mai 2013, un ouragan s’est abattu sur TORONTO. Je n’ai pas réussi à faire le cercle complet sur la terrasse extérieure de la CN TOWER, et ma vidéo n’est pas… à la hauteur.

    Bon vent!