Un fluide est un milieu matériel déformable (état gazeux ou liquide). La wingsuit est un sport qui s'exerce dans le fluide de l'air.
Lorsque Jeb Corliss effectue un vol, il défie les lois de la physique. En effet, trois forces agissent sur son corps : le poids, la portance et la traînée.
Un faux mouvement de Jeb Corliss peut lui coûter la vie car
les lois de la physique doivent être absolument respectées. Une étude de ces
lois doit donc être connue parfaitement par le wingsuiter afin de pouvoir
planer en toute perfection. Nous allons alors montrer les différents phénomènes qui agissent sur le corps de Jeb Corliss grâce à plusieurs vidéos.
A) Jeb Corliss est attiré vers le sol mais semble être en même temps « porté » par l’air.
1) Jeb Corliss est attiré vers le sol
Quand Jeb Corliss effectue son vol, il est attiré vers le sol. C'est la force du poids, que l’on connait tous, qui intervient. Le poids est une des forces qui agit sur Jeb Corliss et qui est la plus simple à comprendre : cette force est en action sur tout corps terrestre. Mais rappelons tout de même cette loi physique.
Le poids est une force verticale qui s’applique sur le centre de gravité d’un corps, qui est ici le corps de Jeb Corliss, en direction du centre de la Terre c'est à dire vers le sol… Le poids est en fait une simplification de force de gravitation, qui fait que Jeb Corliss et la Terre s’attirent.
La valeur du poids est proportionnelle à la masse du wingsuiter (et à sa distance du centre de la Terre, qui est négligeable).
Voici la formule du poids :
Jeb Corliss est donc attiré par le sol grâce à l’attraction qu’exerce la Terre sur lui et donc grâce à son poids. Il aura donc tendance à se diriger vers le bas.
2) Cependant, Jeb Corliss semble être "porté" par l'air.
La portance est une force physique capitale pour une wingsuit car elle permet à Jeb Corliss de planer.
En effet, quand il ouvre ses bras pendant la chute, la combinaison se gonfle d'air. Alors, la surface d'au-dessus, remplie d'air, aura une forme courbe et la surface d'en-dessous aura une forme plane. Il est alors "porté" par le fluide de l'air comme le montre cette vidéo :
Source : Extrait de la videohttps://www.youtube.com/watch?v=WRqnTODwvEA
A partir de cet instant, il plane. Tout au long du vol, l'air arrive sur la wingsuit à l'endroit qu'on appel le bord d'attaque, et se sépare en deux courants d'air : l'un traverse l'aile par l'extrados (la surface supérieure) et l'autre par l'intrados (la surface inférieure) de la wingsuit. L'air contourne donc le corps de Jeb Corliss puis ressort par ce qu'on appelle le bord de fuite.
L'action de planer est basé sur
la création d'une dépression sur la partie supérieure de l'aile, et ce d'après le principe de Bernoulli.
En effet l'air passant par l'extrados va être
d'une vitesse supérieure à la vitesse de l'air passant par l'intrados.
On explique la différence de vitesse de façon très simple : les deux
courants d'air, se séparant au bord d'attaque, se rejoignent en même temps au bord de fuite. La hausse de rapidité est dû à
l'écart de distance entre l'intrados et l'extrados .
Une dépression à l'extrados, et une grande pression à l'intrados vont alors être créées. La wingsuit va donc être
attirée par l'extrados, et donc vers le haut. Ce phénomène est appelé la portance.
On
se retrouve donc avec à l'intrados, une surpression qui va "supporter"
l'aile, et à l'extrados, une dépression qui va "aspirer" la wingsuit
vers le haut.
Source : image de Wikipedia : http://fr.wikipedia.org/wiki/Avion
On retient que la portance est obtenue du fait qu'il se crée une dépression à l'extrados et une surpression à l'intrados, ce qui va faire monter Jeb Corliss. Le poids et la portance sont donc deux forces verticales qui s'opposent.
La force de portance "aspire" Jeb Corliss vers le haut mais la force du poids prends le dessus et l'attire vers le sol.
La descente de Jeb Corliss sera donc lente.
B) Jeb Corliss semble être « repoussé »
par l’air mais est en même temps «poussé » vers l’avant.
1) Jeb Corliss semble être "repoussé" par l'air.
La traînée est une force qui s'oppose au mouvement de la wingsuit et donc la ralentit.
Jeb Corliss, qui atteint une vitesse assez élevée en vol,
doit affronter la résistance de l'air. Le fluide de l'air
ralentit Jeb Corliss lors de ses expéditions aériennes comme nous le montre la vidéo suivante :
On remarque bien que Jeb Corliss lutte contre le fluide de l'air. Nous allons donc étudier la force de traînée afin de comprendre pourquoi il y a une résistance de ce fluide.
La traînée totale se divise en plusieurs types de traînée :
- La traînée de forme : Elle intervient dès que l'obstacle du fluide de l'air, soit ici la wingsuit, a une épaisseur considérable. Ainsi dans le cas de cette combinaison, qui a une forme étudiée pour pénétrer efficacement dans l'air, ce type de trainée a peu d'effets.
- La traînée de frottement : C'est le type de trainée qui représente la plus grande partie de la trainée totale de la wingsuit. On remarque que dans l'écoulement de l'air sur la combinaison, un ralentissement du fluide est créé. Ceci est causé par le
frottement de l’air sur toute la wingsuit. A l'endroit où l’écoulement de
l’air est freiné, les molécules
d’air sont ralenties ce qui provoque alors une diminution d’énergie sur la wingsuit. Jeb Corliss sera alors ralenti comme le montre la dernière vidéo.
- La traînée induite : Comme on l'a vu plus haut dans le A) , le phénomène de la portance requiert une surpression à l'intrados et une dépression à l'extrados. Ainsi aux extrémités de la wingsuit, la surpression de l'intrados veut combler la dépression de l'extrados. Ce phénomène créé alors des tourbillons marginaux, c'est à dire des turbulences aux extrémités de la wingsuit. Ces turbulences peuvent ralentir Jeb Corliss. On appelle cela la traînée induite.
Cependant, Jeb Corliss est un professionnel et sait comment contrer ce type de traînée. Le principe à l'air d'être simple, mais il est au contraire difficile à réaliser : le wingsuiter doit lever ses ailes un maximum à l'horizontale afin que les tourbillons marginaux soient le moins présents, et qu'il pénètre facilement dans le fluide de l'air.
Nous pouvons en déduire que le seul type de traînée qui a un impact sur Jeb Corliss est la traînée de frottement, car il existe aucune technique pour la contrer.
Afin d'être le moins freiné par la traînée, Jeb Corliss devra alors posséder une combinaison adéquate : il faut que celle-ci lui permette de bien pénétrer dans l'air afin de contrer les tourbillons marginaux et donc la traînée induite.
Cependant, Jeb Corliss est un professionnel et sait comment contrer ce type de traînée. Le principe à l'air d'être simple, mais il est au contraire difficile à réaliser : le wingsuiter doit lever ses ailes un maximum à l'horizontale afin que les tourbillons marginaux soient le moins présents, et qu'il pénètre facilement dans le fluide de l'air.
Nous pouvons en déduire que le seul type de traînée qui a un impact sur Jeb Corliss est la traînée de frottement, car il existe aucune technique pour la contrer.
Afin d'être le moins freiné par la traînée, Jeb Corliss devra alors posséder une combinaison adéquate : il faut que celle-ci lui permette de bien pénétrer dans l'air afin de contrer les tourbillons marginaux et donc la traînée induite.
2) Cependant, Jeb Corliss est en même temps poussé vers l'avant
En aérodynamique, et plus précisément dans le domaine de l'aviation, quatre forces agissent sur l'avion en plein vol : la portance, la traînée, le poids et la poussée. La force de poussée existe grâce aux réacteurs de l'avion, ce qui le fait avancer. Les réacteurs "produisent" donc une force.
SOURCE : La mécanique du vol : http://blogpeda.ac-poitiers.fr/lp2i-sti2d/2012/12/12/la-mecanique-du-vol-les-forces/
Lors d'un vol en wingsuit, la force de poussée est donc inexistante puisqu'il n'y a pas de réacteurs. Alors une question survient : Comment Jeb Corliss arrive-t-il à aller vers l'avant en plein vol s'il n'y a pas de force de poussée ?
En réalité, Jeb Corliss acquiert une vitesse dès qu'il saute dans le vide. En effet, quand il "déploie" ses ailes lors de sa chute, elles se gonflent de plus en plus d'air , ce qui est à l'origine de l'intervention de la portance vue précédemment. A ce moment précis, il acquiert une vitesse initiale qui le propulse vers l'avant.
Sa trajectoire de vol doit être légèrement inclinée pour que la vitesse soit maintenue et que le vol puisse continuer. C'est donc grâce à sa vitesse de départ qu'il ira vers l'avant.
On a donc vu que deux interactions s'opposent : la force de la traînée et la vitesse de départ qui fait avancer Jeb Corliss. Cette dernière prend le dessus, ce qui fait que Jeb Corliss avance en wingsuit malgré le fait que la traînée le freine quelque peu.
C) Savoir manier la portance et la traînée, c'est améliorer la qualité du vol.
1) Un duel entre Jeb Corliss et la traînée pour aller vers l'avant.
Comme nous l'avons vu précédemment, Jeb Corliss doit avoir la forme la plus adéquate, afin de pénétrer correctement dans l'air et donc d'éviter les résistances du fluide. Pour maîtriser son vol, il doit donc manier parfaitement la force de traînée.
Il doit alors savoir la calculer avec précision. Nous allons donc montrer, à l'aide d'un exemple, grâce à quels éléments et grâce à quelle formule Jeb Corliss arrive à calculer cette force si importante.
Voici l'équation de la traînée dont a besoin Jeb Corliss :
Afin de comprendre cette équation, nous allons nous servir d'une expérience comme exemple :
Comparons Jeb Corliss à une main suspendu en
voiture par la fenêtre, placée à l'horizontale dans l'écoulement de
l'air (c'est à dire dans le vent relatif à celle-ci) : la main est alors repoussée
vers l'arrière, et l'on doit alors faire un effort pour la retenir.
Elle subit donc une résistance quand l'air passe, qu'on appelle la
traînée.
SOURCE : Les forces aérodynamiques : http://www.grandvol.com/FFP-manuel/mv_03.htm
Cette force s'exerce donc de la même manière pour le corps de Jeb Corliss. En modifiant quelque peu l'expérience, on remarque que :
1) Si la voiture accélère, on remarque que la traînée est plus forte. Et, au
contraire si la voiture ralentit, on constate que la résistance de l'air est
moins puissante.
Ce fait confirme un élément de l'équation qui est V² (vitesse au carré) :
Une proportionnalité existe donc entre la traînée et la vitesse au carré de Jeb Corliss.
2) Si on place la main en position verticale, la traînée sera plus présente.
Ce phénomène justifie donc un élément de la formule qui est S (la surface) :
Une proportionnalité existe donc entre la traînée et la surface de la wingsuit exposée au vent qui est ce qu'on appelle le maître-couple.
3) Si cette démonstration est faite en bateau, la résistance de l'air sera davantage présente.
Ce phénomène explique donc la présence de la masse volumique du fluide dans l'équation.
Il existe donc une proportionnalité entre la traînée et la masse volumique du fluide traversé par Jeb Corliss.
4) Si le poing est fermé, la traînée est moins forte que main à l'horizontale.
La main a alors un profil plus approprié à la pénétration dans l'air.
Il existe donc une proportionnalité entre la traînée et le coefficient de profil de a wingsuit de Jeb Corliss (coefficient de traînée).
C'est à dire qu'afin que Jeb Corliss puisse entrer correctement dans le fluide de l'air, il faut que sa face avant soit assez travaillée. Mais il faut faire de même pour la face arrière, afin que les courants d'air se rejoignent correctement au bord de fuite.
Le coefficient de traînée varie donc à peu près de cette manière :
SOURCE : Les forces aérodynamiques : http://www.grandvol.com/FFP-manuel/mv_03.htm
D'où la présence de l'élément Cx (coefficient de traînée) dans l'équation.
Afin que la traînée fasse le moins d'effets possibles sur Jeb Corliss, il doit donc acquérir une vitesse pratiquement constante et une forme adaptée à une excellente pénétration dans l'air. De plus, son corps devra rester horizontal afin que la traînée agisse le moins possible.
2) Une meilleure portance pour un vol plus long.
Comme nous l'avons vu précédemment, la portance a une direction verticale, un sens vers le haut et un point d'application, qui est sur l'extrados de la wingsuit.
De plus, Jeb Corliss doit avoir la forme la plus courbe possible afin d'être porté par le fluide de l'air. Il doit donc savoir calculer la portance afin de bien maîtriser son vol.
Afin que la traînée fasse le moins d'effets possibles sur Jeb Corliss, il doit donc acquérir une vitesse pratiquement constante et une forme adaptée à une excellente pénétration dans l'air. De plus, son corps devra rester horizontal afin que la traînée agisse le moins possible.
2) Une meilleure portance pour un vol plus long.
Comme nous l'avons vu précédemment, la portance a une direction verticale, un sens vers le haut et un point d'application, qui est sur l'extrados de la wingsuit.
De plus, Jeb Corliss doit avoir la forme la plus courbe possible afin d'être porté par le fluide de l'air. Il doit donc savoir calculer la portance afin de bien maîtriser son vol.
Voici l'équation de la portance dont a besoin Jeb Corliss :
Gardons le même exemple qui été vu précédemment sauf que désormais, la main est penchée dans l'écoulement de l'air.
SOURCE : Les forces aérodynamiques : http://www.grandvol.com/FFP-manuel/mv_03.htm
La force de portance apparaît en plus de la traînée : elle est perpendiculaire à la direction du trajet et pousse la main vers le haut.
L'angle que fait la main avec l'écoulement de l'air est appelé angle d'incidence.
Si on recommence les expériences faites précédemment, on remarque qu'avec la portance les règles sont les mêmes.
L'angle que fait la main avec l'écoulement de l'air est appelé angle d'incidence.
Si on recommence les expériences faites précédemment, on remarque qu'avec la portance les règles sont les mêmes.
1) Une proportionnalité existe donc entre la portance et la vitesse au carré de Jeb Corliss.
2) Si l'on incline un peu plus la main à l'horizontale, la portance sera plus forte.
Une proportionnalité existe donc entre la portance et la surface de la wingsuit inclinée à l'horizontale.
3) Il existe donc une proportionnalité entre la portance et la masse volumique du fluide traversé par Jeb Corliss.
4) Il existe donc une proportionnalité entre la portance et le coefficient de profil de la wingsuit (coefficient de portance).
Il s'agit d'un coefficient différent à celui de la traînée qui est celui de la portance.
Ce coefficient, noté Cz, varie par rapport à l'angle d'incidence :
Ce coefficient, noté Cz, varie par rapport à l'angle d'incidence :
Jeb Corliss aura donc une meilleur portance quand son angle d'incidence sera maximum (numéro 2). Dans ce cas, son vol durera longtemps.
Cependant, il suffit que son angle d'incidence soit un peu plus élevé pour que la portance n'agisse plus sur lui (numéro 3). Dans ce cas précis, Jeb Corliss tombera et n'aura plus aucun contrôle sur son vol.
Il défie donc les lois de la physique en voulant réalisé le meilleur vol possible : le moins possible de traînée et une meilleur portance pour aller plus loin.
Il devra alors calculer le rapport Portance / Traînée afin de réaliser le meilleur vol possible. Ce rapport est appelé finesse et représente le nombre de mètres parcourus horizontalement pour le nombre de mètres perdus verticalement. Généralement, les wingsuits atteignent une finesse moyenne de 3.
Il devra alors calculer le rapport Portance / Traînée afin de réaliser le meilleur vol possible. Ce rapport est appelé finesse et représente le nombre de mètres parcourus horizontalement pour le nombre de mètres perdus verticalement. Généralement, les wingsuits atteignent une finesse moyenne de 3.