Et pourquoi ? Est-ce que ? ... Le coin de la physique

jmf11 · **Posté:** 08 Nov 2019, 08:35

Et en latéral ?

J'avais posé la question à Kevin Ellway (designer de la AFS R1000). Je poste ici sa réponse:

Citation:

I assume by 'lateral' you are referring to roll? Technically, windfoils are not dynamically stable in roll. But the span of the wing and the sail itself do act to resist roll, so all movement in roll is very damped.
...
span increases roll damping. Winglets are mostly for directional stability. Anhedral decreases roll stability, but is mostly used to reduce the likelihood of wing tip breach of water surface

Traduction:
Je suppose que par "latéral" vous parlez de roulis? Techniquement, les windfoils ne sont pas dynamiquement stables en roulis. Mais l'envergure de l'aile et la voile elle-même agissent pour résister au roulis, de sorte que tout mouvement en roulis est très amorti.
...
L'envergure augmente l'amortissement en Roulis.

Les Winglets sont principalement destinés à la stabilité directionnelle.

Le dièdre négatif diminue la stabilité au roulis, mais est principalement utilisé pour réduire le risque que l'extrémité de l'aile perce la surface de l'eau.

Source: https://www.facebook.com/permalink.php?story_fbid=1355582547932081&id=671685749655101&comment_id=1398606043629731

FiFi · **Posté:** 08 Nov 2019, 11:20

Ça me rassure, on m'avait affirmé ici même qu'un simple croquis de 2 minutes montrait que le diedre négatif était gage de stabilité latérale...
Depuis je vivais dans l'angoisse d'avoir loupé un truc vu que ça venait d'un concepteur

6u1d0 · **Posté:** 08 Nov 2019, 12:02

Ouaif... Autant sur le longitudinal je ne vois pas de grâve biais aix analogies avec la écanique du vol des avions, autant sur le roulis je serai circonspect... il y a plein de facteurs qui ne collent pas :
un foil de windfoil est quasiment tout le temps en attaque oblique (aile sous le vent avancée ) au moins en vol stabilisé.
l'axe d'application des forces exercées par le rider coupent le plan de l'aile plutôt sous le vent et celle de la voile plutôt au vent...
Ce sont les essais qui peuvent valider...

jmf11 · **Posté:** 08 Nov 2019, 12:37

Une autre analyse qui va dans le même sens: peu d'effet de la stabilité sur le dièdre inverse, mais plus sur le contrôle du Lacet:
http://kitehydrofoil.com/design.html

Citation:

ANHEDRAL

Anhedral is the curve of the wing downwards. Dihedral is a curve in the opposite direction (upwards) and is normally found on aircraft such as gliders to give them roll stability. With dihedral, if the wing rolls left, there will be more wing area on the left, causing more lift on the left and causing the wing to want to roll back upright. One would think that this is what a hydrofoil should have- roll stability to help keep it upright. Yet, if you look at hydrofoils, almost all of them have anhedral making them even more unstable!

This seemingly contradiction have made me think quite a bit as to why? The amount of roll stability that dihedral would give is quite small compared to the length of the keel with most of the mass so far above. Dihedral would probably not add any noticeable roll stability, and neither would anhedral take away any noticeable roll stability. I used to think that is was mainly for the handling dynamics of roll/yaw interaction, but after making a couple of different wings I think the main reasons for anhedral are:

To allow more room before the wingtips break the water surface when riding upwind (with the board riding at an angle)
and to add vertical wing area to stabilize the yaw axis

I had a foilboard which had a keel of 800mm and a flat wing of close to 600mm. It was very irritating when the wing tip exited the water. It was not much fun to ride in chop conditions. If the wing could have had a bit of anhedral so that the wing tip is 100mm lower, it would have given the same controlling range as having a 100mm longer keel. The shorter a keel can be, the less stiffness it needs so using anhedral as a way of increasing one's control range is a smart idea. This does not mean that flat wings are much inferior, since a shorter flat wing with a longer keel can also give a very nice control range to the rider.

When the foil becomes more streamlined, some vertical wing components are required to give the foil yaw stability and help it stay gliding in a straight line. Using anhedral, especially a sharp curve near the tip of the main wing effectively adds a vertical component of the wing near the front of the foil. But more importantly I think low drag foils also need a vertical wing component near the rear, which can either be incorporated onto the rear wing or consist of a vertical fin in the rear.

jmf11 · **Posté:** 08 Nov 2019, 12:40

La question initiale que je m'étais posée était: qu'est-ce qui sur un foil empêche d'aller à la contre-gîte ? Pourquoi certains foils sont vus comme meilleurs que d'autres dans ce domaine (AFS vu comme plus bloqué par exemple)?

Et bien, je ne sais toujours pas. Il semble il n'y avoir que des mécanismes d'amortissement: on devrait pouvoir arriver au même résultat, mais plus ou moins vite.

La souplesse du mât en latéral semble avoir une influence, mais on devrait être au deuxième ordre...

JMF

FiFi · **Posté:** 08 Nov 2019, 13:49

Curieux aussi de la réponse.
Un twist du mat pourrait tendre à redresser l'ensemble foil-flotteur sous certaines contraintes ?
Mais je n'y crois pas pour nos systèmes en général.

aeromod · **Inscription:** 23 Jan 2007, 09:00 **Messages:** 720

jmf11 a écrit:

Et en latéral ?

J'avais posé la question à Kevin Ellway (designer de la AFS R1000). Je poste ici sa réponse:

Citation:

I assume by 'lateral' you are referring to roll? Technically, windfoils are not dynamically stable in roll. But the span of the wing and the sail itself do act to resist roll, so all movement in roll is very damped.
...
span increases roll damping. Winglets are mostly for directional stability. Anhedral decreases roll stability, but is mostly used to reduce the likelihood of wing tip breach of water surface

Traduction:
Je suppose que par "latéral" vous parlez de roulis? Techniquement, les windfoils ne sont pas dynamiquement stables en roulis. Mais l'envergure de l'aile et la voile elle-même agissent pour résister au roulis, de sorte que tout mouvement en roulis est très amorti.
...
L'envergure augmente l'amortissement en Roulis.

Les Winglets sont principalement destinés à la stabilité directionnelle.

Le dièdre négatif diminue la stabilité au roulis, mais est principalement utilisé pour réduire le risque que l'extrémité de l'aile perce la surface de l'eau.

Source: https://www.facebook.com/permalink.php?story_fbid=1355582547932081&id=671685749655101&comment_id=1398606043629731

Mouai, j'ai bien l'impression que certains concepteurs préfèrent entretenir le flou plutôt que de donner les vrais raisons des choix géométriques… Pas glop...

jmf11 · **Posté:** 08 Nov 2019, 16:46

aeromod a écrit:

Mouai, j'ai bien l'impression que certains concepteurs préfèrent entretenir le flou plutôt que de donner les vrais raisons des choix géométriques… Pas glop...

On est preneurs pour apprendre ;-)

JMF

glissattitude · **Posté:** 09 Nov 2019, 00:06

aeromod a écrit:

Mouai, j'ai bien l'impression que certains concepteurs préfèrent entretenir le flou plutôt que de donner les vrais raisons des choix géométriques… Pas glop...

peut être tout simplement car ils n'ont pas de vrais raisons :lol:

pour avoir échangé avec beaucoup, on sait bien que les développements relèvent beaucoup de l'empirisme et de pensées qui n'ont rien de vérifié.
Je n'en connaît par exemple aucun qui s'est permis de faire 6 modèles d'ailes avec exactement les mêmes caractéristiques, en ne modifiant qu'un paramètre (par exemple dièdre, allongement, winglets etc.) pour quantifier l'influence de chaque paramètre. Au tarif des moules, et vu les budgets de R&D, on en est loin :wink:

Pourtant, on ne peut pas nier que les perf progressent en continu, au fur et à mesure que les compréhensions s'affinent, par déduction de tests plus ou moins parlants ... Eh oui, on n'a pas les budgets de l'AC ou de la F1, mais on fait avec, et finalement on s'en sort pas mal quand même car on prend beaucoup de plaisir

jmf11 a écrit:

qu'est-ce qui sur un foil empêche d'aller à la contre-gîte ? Pourquoi certains foils sont vus comme meilleurs que d'autres dans ce domaine (AFS vu comme plus bloqué par exemple)?

C'est bien plus qu'une "Vue" assurément. Il y a des vraies différences sensibles, même si on ne les explique pas complètement
Pour moi, c'est une combinaison d'éléments structurels et d'éléments hydrodynamiques.

Quand on s'intéresse à ce type de comportement, il faut bien décomposer les choses. La contre gîte, c'est la capacité
- à pouvoir incliner la planche en roulis > il ne faut pas avoir un couple de redressement trop important (je pencherai pour une raison hydro)
- à pouvoir rester dans une position donnée > il faut avoir une certaine stabilité latérale (pas d'oscillations) > je pencherai pour une raison structurelle
- à ce que la mise en contre gîte n'introduise pas d'instabilité sur les autres axes > je pencherai pour une raison structurelle
... au final pas si simple ... car pas évident de décomposer tous ces effets

jmf11 · **Posté:** 09 Nov 2019, 07:39

Merci de vos réponses.

Ce qui m'intéresserai, dans un premier temps, c'est de considérer un foil "infiniment rigide" pour dégrossir le problème. Ce foil n'existe pas, mais l'imaginer devrait permettre de comprendre les mécanismes de base, au moins au premier ordre.

La physique est la même que pour les avions, et est étudiée depuis plus d'un siècle. Les Moths courent avec des foils depuis les années 2000. Une tonne de R&D a été faîte pour la course de l'America et des trucs que je n'auraient pas imaginés (ils réussissent à avoir une régulation de la hauteur sur l'eau par un couplage hydrodynamique entre portée et dérive)...

Oui, il y a des spécificités du windfoil du fait de la géométrie, du centre de poussée de la voile très au-dessus de l'aile, du pilotage par déplacement du centre de gravité (par opposition aux gouvernes, mais comme en deltaplane (R&D depuis les années 60)). Mais rien je pense insurmontable ni retors à la simulation (pour les pricipes de base et de premier, voire deuxième ordre).

Ca c'est pour les principes de base. Après il y a les choix de conception et l'optimisation: ce qui est parfait pour des up and down, ne l'est peut-être pas pour le travers, ce qui me permet de décoller tôt m'handicape peut-être avec plus de vent, ce qui est parfait avec une planche de 1m de large ne fait peut-être pas le job avec une planche de 0.7m, ce qu'il faut pour un coureur olympique n'est certainement pas adapté pour moi...

Et là c'est des choix de marque (ex penchant "plus de polyvalence" ou perf absolue ; il n'y a pas de solution meilleure que l'autre), soit essais comparatifs, soit faire tourner des simulations de scénarios variés. Le passage par la compétition est un des modes de sélection dans les différentes disciplines.

Ensuite, le foil n'est pas infiniment rigide et donc il y a plein d'écarts avec la théorie et des couplages complexes, à traiter avec soin pour que le produit fonctionne et soit cohérent avec le cahier des charges et avec l'objectif initial.

Et c'est pas fini: reste des sensations. Je lisais hier que le chien était encore le meilleur ami pour détecter des traces d'explosif, malgré les millions/milliards de R&D. En Hifi (reproduction de la musique), on sait depuis longtemps que ce n'est pas forcément les systèmes qui mesurent le mieux qui sont les préférés des auditeurs, et on n'a toujours pas trouvé de mesure qui permette de mettre le doigts dessus. Du coups, il ne reste que l'écoute.

Et là, c'est l'art du concepteur d'avoir une "patte", une identité de marque.

Tiens c'est un peu comme nos voiles alors :-)

JMF

aeromod · **Inscription:** 23 Jan 2007, 09:00 **Messages:** 720

glissattitude a écrit:

aeromod a écrit:

Mouai, j'ai bien l'impression que certains concepteurs préfèrent entretenir le flou plutôt que de donner les vrais raisons des choix géométriques… Pas glop...

peut être tout simplement car ils n'ont pas de vrais raisons :lol:

pour avoir échangé avec beaucoup, on sait bien que les développements relèvent beaucoup de l'empirisme et de pensées qui n'ont rien de vérifié.
Je n'en connaît par exemple aucun qui s'est permis de faire 6 modèles d'ailes avec exactement les mêmes caractéristiques, en ne modifiant qu'un paramètre (par exemple dièdre, allongement, winglets etc.) pour quantifier l'influence de chaque paramètre. Au tarif des moules, et vu les budgets de R&D, on en est loin :wink:

Etonnant, moi avec mes petit moyens d'artisan tout seul avec Franck qui m'aide pratiquement bénévolement la première chose qu'on a fait quand on a voulu savoir l'influence du dièdre sur les ailes on a pris plusieurs ailes identiques (la Easy L a l'époque), et on les a sciées pour les recoller avec plus ou moins de dièdre plus ou moins loin du saumon… Et quand on a conçu le nouveau stab on a fait tout pareil; on a du faire 4 protos avec des anciens stabs pour faire un choix sur la valeur du dièdre qui était la plus adaptée au foil Aéromod (compte tenu de sa géométrie globale et de la souplesse des différents éléments).
A+Alex

jmf11 · **Posté:** 09 Nov 2019, 08:43

Le message précédent est (trop) long, mais en synthèse ?

Il serait utile d'avoir une "grille" de comparaison qui nous permette différencier les modèles en capturant les caractéristiques mesurables qui comptent "au premier ordre".

Si je fais une analogie avec les voiles : surface, cambers, largeur fourreau, nombre de lattes, creux, twist, Rapport mât/wish. Je pense que l'on a tous une compréhension des effets de ces paramètres et des +/- de chacun. On ne confondra pas une voile de Slalom avec une vague 4 lattes. Pour les mâts, on a normalisé les IMS et on sait "partager" les infos de courbure. Et ainsi de suite.

Qu'est-ce que ça serait sur les foils ?

Géométrie:
- aile(s) : envergure, corde, surface, aspect ratio (certains fabricants commencent à donner ces 4 informations), épaisseur profil, dièdre. 800 cm ou 800 cm2 c'est pas pareil :-)

. C'est je pense le paramètre principal du "programme" du foil,
- stab(s) : envergure, corde, surface, Aspect ratio
- distance aile-stab : pour pouvoir calculer le volume de stab : influence sur la stabilité longitudinale
- position du foyer du foil par rapport à la vis avant du talon du foil <=> centre de poussée en un peu plus précis, pour évaluer où il faudra se positionner sur la planche,
- longueur du mât : à essayer de standardiser, ce qui compte étant la distance entre l'aile et la planche,
- A confirmer : V longitudinal ? Je ne sais pas si on peut retirer une info directe de cette valeur, mais elle a vraisemblablement une importance.

Rigidité:
- Flexion / torsion du mât (mesures type Eric Glissattitude),

Mais en fait, ce dont on aurait besoin, c'est les rigitées entre l'aile et le talon et entre le stab et le talon (ensemble mât+jonction mât-fuselage+fuselage+jonction aile-fuselage).

Autres ?

Exemple de spec de planeur radio-commandé: http://f3j.in.ua/plus-pro-f5j.html?#tab6

Ah, et au passage, quand on discute "vitesses", il faudrait que l'on précise bien à chaque fois si on parle de vitesse vent ou de vitesse planche. Exemple: "je vole à 12 noeuds... de vitesse de planche" ou "je vole à 12 noeuds... de vitesse de vent". Comme on est dans les mêmes ordres de grandeur, il est parfois difficile de savoir sans cette précision que qu'entend dire l'auteur.

JMF

aeromod · **Inscription:** 23 Jan 2007, 09:00 **Messages:** 720

jmf11 a écrit:

Merci de vos réponses.

Ce qui m'intéresserai, dans un premier temps, c'est de considérer un foil "infiniment rigide" pour dégrossir le problème. Ce foil n'existe pas, mais l'imaginer devrait permettre de comprendre les mécanismes de base, au moins au premier ordre.

C'est justement l'erreur à ne pas faire, car c'est bien la déformation du foil qui cause des problèmes de contrôle et de stabilité. Si tu considère un foil infiniment rigide tu passe a coté de 95% des problématiques. Sinon l'AFS1 de base aurait parfaitement marché…
Ce a quoi il est primordial de s'intéresser c'est justement la variation des forces dues aux variations d'incidence (turbulences dans l'eau + variation de l'intensité des appuis) qui entrainent une déformation du foil et donc une modification de l'axe des forces.

Je vais donc tenter ici d'expliquer l'incidence du dièdre inverse des ailes sur la stabilité dynamique en roulis (l'influence du dièdre sur le couple de rappel a la gite en configuration "contre-gite" est bien plus facile a appréhender car il peut s'étudier en statique).

Considérons une mise en virage pour un jibe en l'air trop rapide (en général ça fini par éjecter le rider), que ce passe t'il sous l'eau :
La mise en roulis brutale (action des pieds du rider) a pour conséquence une augmentation tout aussi brutale de la portance de l'aile sous le vent (car l'aile pousse l'eau vers le bas) et une diminution tout aussi brutale de l'aile au vent qui monte. Le centre de poussée de l'aile qui était symétrique (dans l'axe du mat) se trouve brutalement déplacé vers l'aile sous le vent; il s'ensuit une modification de la contrainte de torsion dans le fuselage et de flexion dans le mat (pour faire simple). Comme le foil n'est pas infiniment rigide le mat fléchit légèrement, le fuselage se tord un peu et donc l'aile prend du dièdre (le saumon sous le vent "résiste" a l'enfoncement et le saumon au vent est moins tiré vers le haut). A cet instant précis (pendant l'action de rotation en roulis) l'aile ne se trouve plus parallèle a la carène du flotteur, or comme la portance aéro reste perpendiculaire a l'aile le point d'application de cette force au niveau du pont du flotteur varie autant que la déformation est grande. Et devinez quoi, dans ce cas précis le centre de poussée de l'aile passe du coté au vent du flotteur, c'est là que ça se complique. Lorsque le rider augmente son appui sous le vent pour déclencher la mise en roulis, le foil se déforme et la force résultante s'applique sous le pied "au vent". Mais comme le rider appuie justement sur son pied sous le vent le phénomène s'amplifie, le flotteur par a la gite et le rider est éjecté. Alors bien sur plus le foil est rigide moins ce phénomène est perfectible.
Maintenant prenons pour simplifier une aile qui aurai un simple dièdre négatif (l'angle est au centre de l'aile). l'axe de portance de chaque demi aile est perpendiculaire à la demi aile respective (donc la portance de l'aile sous le vent est inclinée dans la direction "sous le vent" et la portance de l'autre demi aile au vent). En statique les 2 forces s'ajoutent et l'axe de la résultante est parfaitement verticale. Dans la mise en roulis pour le jibe la portance de l'aile sous le vent étant plus grande l'axe de la résultante des 2 forces reste inclinée sous le vent. Si le foil est infiniment rigide la résultante sous les pieds s'écarte de l'axe du flotteur vers l'intérieur du virage (sous le vent donc), c'est a dire que le foil s'oppose a ce que lui demande le rider, on est dans un cas d'hyperstabilité. Mais comme le foil a forcément un peu de souplesse l'axe de la résultante varie moins et le foil "obéit" sagement aux sollicitations du rider.

Si vous avez suivi mon raisonnement vous avez saisi la relation directe entre la valeur du dièdre négatif et le degré de stabilité en roulis du foil a la modification de l'intensité des appuis. Plus le dièdre négatif est important et plus le foil est rigide plus la stabilité sera importante. La difficulté pour le concepteur est de déterminer la bonne valeur du dièdre global en fonction de la souplesse de son foil et le degré de stabilité qu'il veut offrir a son rider (en fonction de la largeur de son flotteur). Les paramètres principaux pour le foil sont la rigidité en flexion du mat, la rigidité en torsion du fuselage, et l'envergure, la surface et l'effilement de l'aile.

Les foils très rigides n'ont pas besoin de beaucoup de dièdre négatif sur leurs ailes, ou alors ils sont hyper stables, voire bloqués, et les foils moins rigides en ont besoin d'un peu plus sinon ils deviennent sensibles, joueurs.

Le phénomène que j'ai décris ci-dessus pour le cas de la modification de l'intensité des appuis du rider fonctionne exactement de la même manière pour les variations d'incidences des filets d'eau le long de l'aile (turbulences). En gros lorsqu'on va vite avec du clapot le foil se déforme en permanence et la valeur du dièdre permet directement de modifier la variation du point d'application du centre de poussée sur le pont du flotteur.

A+Alex

jmf11 · **Posté:** 09 Nov 2019, 14:01

Merci Alex de cette explication détaillée,

Je viens d'arriver au bout, en gribouillant des croquis sur ma feuille pour bien comprendre. Et je crois que j'ai compris.J'ai parfois déjà du mal avec l'analyse des forces en statique, du coups appréhender les phénomènes dynamiques est plus difficile :oops:

.

J'imagine bien la complexité de concevoir une foil qui fonctionne bien avec toutes les déformations réelles du foil.

Je me permet une question: de ton point de vue, un foil "infiniment" rigide aurait-il des inconvénients (en dehors du fait qui'il n'existe pas et du coût potentiel) ?

JMF

aeromod · **Inscription:** 23 Jan 2007, 09:00 **Messages:** 720

En cas de foil infiniment rigide les contraintes deviendraient énormes en dynamique (a haute vitesse); il faudrait revoir les formes pour limiter l'impact de ces efforts sur le flotteur; les ailes auraient alors un dièdre très légèrement positif pour recentrer au maximum les variations de forces pour qu'elles passent au plus près de l'axe du box (avec des contraintes énormes sur les vis car les variations de portance de l'aile passent 30 a 35 cm devant le box) L'absence de dièdre négatif rendrait l'impossibilité de naviguer avec les pieds très excentrés de l'axe longitudinal du flotteur. Même en recentrant les efforts il n'y aurait plus d'amortissement entre les turbulences générées par le clapot et le flotteur, le rider aurait l'impression de rouler sur une route défoncée sans amortisseurs (a haute vitesse bien sur; a basse vitesse des zones de l'aile se retrouveraient en décrochage ce qui amortirait les choses).
Le contrôle a basse vitesse ne serai pas franchement meilleur qu'aujourd'hui car l'absence de souplesse entrainerait des décrochages violents en bouts d'aile et de stab (on appelle ça un déclenché dynamique, ou tip stall en anglais), ce qui fait qu'il faudrait être très doux sur les appuis.

Voilà, dans l'absolu pas sur que ce soit une bonne idée, cela dit cette réflexion faite a la hâte est à prendre avec des pincettes...

A+Alex

Et pourquoi ? Est-ce que ? ... Le coin de la physique

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