Calcul de la force générée par une voile sur un bateau

T. Kiley

Calcul de la force générée par une voile sur un bateau


Ceci est une question complémentaire à la question que j’ai posée hier: Problème de compréhension de la mécanique de base de la voile

Je me concentre uniquement sur l’aspect newtonien du mouvement et je le calcule comme suit:

Je calcule d’abord le vent relatif (

v r

) vitesse en soustrayant la vitesse des navires (

v s

) à partir de la vitesse réelle du vent (

v t

)

v r = v t v s

Ensuite je prends la normale de la voile (au vent),

n s

et « faire rebondir » le vent, calculant la vitesse de sortie du vent,

v o u t

v o u t = v r ( 2 v r n s ) n s

Ensuite, je calcule le changement de vitesse du vent,

Δ v

Δ v = v o u t v r

C’est linéairement proportionnel à la force que la voile exerce sur l’air, d’où

Δ v

est linéairement proportionnelle à la force exercée sur le bateau.

Ensuite, je calcule la force de quille qui compense la partie horizontale de la force de voile, permettant au bateau de se déplacer contre le vent.

Je prends

n k

être la normale de la quille allant dans la direction opposée à la force de voile et perpendiculaire au cap du bateau. Je calcule ensuite la force de quille,

F k

être

F k = n k | Δ v |

c’est-à-dire l’ampleur de la force de voile dans la direction de la quille (perp à la direction du bateau face).

Pour calculer la force résultante, je résume bien sûr ces deux forces.

Premièrement, tout cela est-il correct. De toute évidence, il n’y a pas de résistance à l’eau, mais à part cela, les calculs reflètent-ils correctement la réponse donnée dans ma question précédente .

Deuxièmement, ce qui paramètre ces forces et comment. Ce que je vois en ce moment, c’est qu’en naviguant avec le vent, le bateau accélère très vite (jusqu’à la vitesse du vent). Cependant, lorsque j’essaie de naviguer près du vent (est-ce la bonne expression? Pour quand mes bateaux en avant et la direction du vent sont proches et opposés) bien que je puisse voir la vitesse du vent apparent augmenter, la force appliquée est toujours très petit. Est-ce que c’est ce que vous attendez de voir?

Réponses


 Paul Townsend

Il me semble que vous essayez de calculer la portance sur un profil aérodynamique à partir des premiers principes en utilisant uniquement les lois du mouvement de Newton. C’est exactement ce que Chris Waltham a fait dans son article « Vol sans Bernoulli ». Vous voudrez peut-être le vérifier.

http://users.df.uba.ar/sgil/physics_paper_doc/papers_phys/fluids/fly_no_bernoulli.pdf

Notez qu’il s’agit d’une façon non standard de faire l’analyse aérodynamique. Sa conclusion:

Nous avons utilisé un modèle physique très simple ne s’appuyant que sur la deuxième loi de Newton pour reproduire toutes les caractéristiques saillantes d’un traitement dynamique des fluides rigoureux en vol … Le modèle a ses limites; nous ne pouvons pas calculer les performances réelles avec elle.

Ainsi, bien que votre approche soit raisonnable, il y a une raison pour laquelle les ingénieurs aérodynamiques adoptent une approche différente.

Vous pouvez également consulter l’article de Charles Eastlake « Vue d’un aérodynamicien sur l’ascenseur, Bernoulli et Newton » http://users.df.uba.ar/sgil/physics_paper_doc/papers_phys/fluids/Bernoulli_Newton_lift.pdf

Son point de vue est:

Mesurer la portance en mesurant l’augmentation de la vitesse verticale descendante dans le flux sortant du bord de fuite du profil aérodynamique est conceptuellement possible. Cette vitesse vers le bas est certainement là et est connue sous le nom de lavage à contre- courant . Je n’ai jamais entendu parler de quelqu’un qui le mesure réellement avec une précision suffisante pour calculer la portance, non pas parce qu’il est physiquement insalubre mais parce que ce n’est pas une expérience pratique. Ce n’est pas pratique car le lavage à contre-courant est réparti sur tout le champ d’écoulement en aval du bord de fuite, et il serait donc très difficile de mesurer suffisamment de points de données pour intégrer la distribution avec précision.

Pas pour vous décourager, mais je pense que vous vous dirigez peut-être vers une impasse. Quoi qu’il en soit, consultez les articles ci-dessus – je pense que vous les trouverez intéressants.


 John Forkosh

C’est vraiment un « commentaire » pour Ernie, mais quand j’ai essayé de le poster de cette façon, j’ai été informé « Vous devez avoir 50 points de réputation pour commenter ».

On dirait que vous êtes aussi un marin, tout comme l’op T.Kiley. Si vous cherchez vraiment des traitements analytiques, essayez de googler les termes, naviguez sur navier-stokes. Je vois beaucoup de choses publiées.

Mais à des fins pratiques de navigation (comme les courses de phrf), mon traitement semi-physique préféré est « The Art and Science of Sails » de Tom Whidden et Michael Levitt

http://www.amazon.com/The-Art-Science-Sails-Construction/dp/0312044178

Ne mentionne pas Navier-Stokes, mais c’est le traitement le plus technique / physique de la théorie de la voile que j’ai rencontré. Essayer de développer ce type de théorie, ab initio, dans ce genre de forum, est forcément un traitement trop naïf (jetez un œil à certains de ces résultats Google pour avoir une idée de ce qui est vraiment nécessaire).

TanMath

Donc, si vous n’avez pas 50 représentants pour commenter, alors pourquoi ne pas obtenir 50 représentants? ce n’est pas une réponse et devrait être supprimé.


 WhatRoughBeast

Ensuite, je prends la normale de la voile (vers le vent), ns, et je « fais rebondir » le vent, calculant la vitesse de sortie du vent, v out

Nan. Vous devez d’abord calculer l’angle du vent par rapport à la zone de voile. Cela dépend à la fois des vecteurs de vitesse de la trajectoire du bateau et de l’angle de la voile par rapport au bateau. Ensuite, vous calculez la surface effective de la voile au vent, proportionnelle au cosinus de l’angle. La composante du flux de vent vers la voile est le cosinus de l’angle multiplié par la surface effective.

Tout cela ne suppose aucun comportement aérodynamique de la voile, ce qui n’est pas vrai. Voir https://www.youtube.com/watch?v=gNaEX6EGg7I pour commencer.

T. Kiley

Je dois donc calculer l’angle entre le vent apparent et la normale de la voile et l’échelle par le cosinus de cela (car c’est la zone de la voile face au vent)? Ignorer les éléments aérodynamiques (j’espère que l’impact sera négligeable …) le reste est-il correct?

Mike Dunlavey

@ T.Kiley: Je crains que vous ayez besoin de savoir comment la voile fonctionne comme un profil aérodynamique – à savoir quel est son accord, son angle d’attaque et ses coefficients de portance et de traînée en fonction de ceux-ci.

WhatRoughBeast

Vous avez également échoué à calculer exactement la force produite par un changement de vitesse du vent. C’est assez facile, et il y a probablement une calculatrice en ligne, mais cela dépendra à la fois de la vitesse du vent et des dimensions de la voile.


 Ernie

Un sloop a deux voiles, le foc et le principal. Il y a une fente entre le bord de fuite de la flèche et le bord d’attaque de la principale. Lorsque vous naviguez au près dans le vent, vous essayez de faire en sorte que l’air s’écoule du côté sous le vent du foc (côté opposé au vent) pour passer par la fente et vers le côté au vent (côté vers le vent) de la principale , car l’air accélère hors de la fente. Cela crée un effet Bernoulli sur le devant du principal, et la portance causée par la pression plus faible du côté au vent du principal tire le bateau contre le vent.

Je pense que vous devez ajouter une force du facteur Bernoulli dans votre modèle newtonien. Le modèle newtonien fonctionnera pour un bateau naviguant au vent, mais il y a plus de forces que vous n’en avez prises en considération, impliquées lorsque vous naviguez au vent.

 

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