DDWFTTW : Dans le sens du vent plus vite que le vent !

[thewild]

Cette affaire me torture les méninges depuis hier soir, je n'en ai presque pas dormi de la nuit.
Au départ, c'est une simple vidéo de la chaine Veritasium. Pour ceux qui ne connaissent pas, c'est de la vulgarisation scientifique d'assez haut niveau. La chaine est très réputée.
Voilà l'histoire : il s'agit d'un véhicule terrestre propulsé par le vent, et capable de descendre le vent... plus vite que le vent !
Ceux qui connaissent un minimum la navigation à voile savent qu'aller plus vite que le vent ne pose a priori aucun problème, mais à certaines allures uniquement. Seulement voilà, ce véhicule est capable d'aller plus vite que le vent en vent arrière, ce qui est absolument impossible pour un navire ou char à voile traditionnel pour des raisons assez triviales.
Cette question génère de nombreux débats, et le nombre de commentaires sous la vidéo de Veritasium en atteste : 20.000 commentaires en deux jours. Beaucoup crient au scandale car cela s'apparente à du mouvement perpétuel par exemple.

Je me garderai bien d'être aussi formel, mais pourtant le principe ne cesse de m'échapper. A chaque fois que je pense avoir compris, il y a une notion qui me "bloque".
Pour vous faire une meilleure idée du phénomène, cette vidéo est vraiment excellente car elle présente le fonctionnement du Blackbird (le nom du char à éolienne dans la vidéo de Veritasium), mais sur un tapis roulant en intérieur. J'ai mis le timecode pour que la vidéo commence au bon endroit, car au début c'est un prototype qui ne fonctionne pas bien. Vous ne manquerez pas de constater que la vidéo est d'une qualité exécrable et ressemble à s'y méprendre à une énième vidéo de mouvement zozoperpétuel.... et pourtant !

Je résumé rapidement le principe : le véhicule est un char à voile avec une hélice montée à la verticale et dont l'axe est parallèle à l'axe de déplacement du véhicule. Cette hélice est couplée aux roues du véhicule, de telle sorte que lorsque le véhicule avance l'hélice tourne dans le sens permettant à l'air d'être propulsé vers l'arrière.
Lorsqu'on dépose le véhicule sur un tapis roulant et qu'on le maintient en place quelques secondes, les roues entrainées par le tapis font tourner le rotor. Si on lâche le véhicule, celui-ci se met à remonter le tapis, propulsé par son moteur !

J'ai bien lu les quelques explications physiques de la page Wikipédia anglaise du Blackbird, j'ai aussi lu le papier cité dans l'article Wikipédia, avec de la belle physique dedans... mais rien n'y fait, je n'arrive pas à comprendre comment ça marche.
De mon point de vue, l'énergie transmise par la turbine à l'air devrait être puisée dans l'énergie cinétique du véhicule via le lien turbine-roues. Il me semble comprendre que plutôt que de ralentir le véhicule c'est la rotation de la Terre qui est ralentie, mais c'est une compréhension purement théorique, je ne parviens pas à saisir intuitivement le phénomène.

Quelqu'un aurait une façon simple d'expliquer la chose ?

NB : Il faut noter que ces véhicules sont aussi capables de remonter le vent sans problème, à plusieurs fois la vitesse du vent (4.5x dans le cas du Blackbird il me semble). Mais ça n'a par contre rien d'étonnant pour moi.

[DictionnairErroné]

Le tapis roule dans le sens antihoraire, donc les roues tournent dans le sens horaire. Théoriquement, le tapis fait descendre le bidule tandis que les roues le font monter. Toujours théoriquement, le bidule devrait être stationnaire sur le tapis ou proche puisque les deux tournent à la même vitesse.

Il y a transfert d'énergie entre le tapis et le bidule qui lui fait tourner une hélice. Si l'hélice et la rotation de l'hélice font en sorte qu'elle pousse le bidule. Il ne faut pas grand-chose pour qu'il monte puisque le bidule par lui-même est déjà immobile sur le tapis.

Est-ce que ça fait du sens, j'ai calé mes cours de physique au secondaire!

[spin-up]

Quelqu'un aurait une façon simple d'expliquer la chose ?

De facon simple et incomplète:

Leur machine réussit a convertir l'énergie cinétique du systeme sol/air, grace a leur differentiel de vitesse (le vent, ou le mouvement du tapis roulant).
Tant qu'il y a du vent, quel que soit la vitesse relative du véhicule, il recoit de l'énergie cinétique, soit venant du sol, soit venant de l'air selon le référentiel dans lequel on se place.

Ca ressemble a une machine à mouvement perpétuel, mais ca n'en est pas une. S'il n'y a pas de vent, le sol et l'air sont immobiles l'un par rapport a l'autre, il ne se passe rien.

[thewild]

OK ça c'est la partie que j'avais comprise, j'ai quand même de beaux restes en physique. En fait je comprends bien d'où vient l'énergie extraite : on réduit la vitesse relative des deux système entre eux et on récupère la différence d'énergie.
Ce que je saisis moins bien, c'est pourquoi l'énergie dissipée par le rotor pour accélérer l'air (en réalité le ralentir dans le référentiel terrestre mais peu importe) ne freine pas les roues ...?

[spin-up]

Ce que je saisis moins bien, c'est pourquoi l'énergie dissipée par le rotor pour accélérer l'air (en réalité le ralentir dans le référentiel terrestre mais peu importe) ne freine pas les roues ...?

Je dirais que ca les freine, et qu'en absence de vent, si par exemple on lance le véhicule a une certaine vitesse, ca freine les roues exactement autant que le rotor pousse.
Mais la présence de vent, ou d'un tapis roulant, crée un déséquilibre qui provoque une poussée.

[DictionnairErroné]

Je crois plutôt que la tige qui supporte l'hélice est connectée à un engrenage au niveau de l'essuie des roues.

[thewild]

Je crois plutôt que la tige qui supporte l'hélice est connectée à un engrenage au niveau de l'essuie des roues.

Oui évidemment, c'est le principe de base du véhicule. "Plutôt" que quoi ?




J'ai trouvé une analogie bien faite sur ce site :



Ici, avec la crémaillère, on comprend très bien ce qu'il se passe. J'avais d'ailleurs eu un exercice similaire en mécanique pendant mes études mais avec une bobine de fil qui remonte une pente... bref. L'analogie avec l'hélice est que celle ci peut être assimilée à une vis qui remonte le vent. Étant couplée aux roues, si l'angle d'incidence des pâles est réglé de telle sorte que l'avancée sur son pas de vis lors d'un tour de roue est supérieure au périmètre de la roue, il y a un gain mécanique.
Comme on l'avait compris dès le début, l'énergie est puisée dans le différentiel de vitesse entre les deux masses (ici l'air et la terre, mais ça pourrait être d'autres masses cf. le papier que j'ai posté au début), en diminuant leurs vitesses relatives. D'où la nécessité qu'il y ait du vent, ou un tapis roulant.
Mais l'effet surprenant et contre-intuitif vient du fait que le couplage est asymétrique : si un tour de roue équivaut à un tour d'hélice, un tour d'hélice fera avancer le véhicule de plus qu'un tour de roue, d'où l'accélération résultante.
En réalité dans le cas d'une hélice c'est moins flagrant car elle pousse dans un milieu non solide, mais on se le représente bien mieux avec la crémaillère.

Mais la présence de vent, ou d'un tapis roulant, crée un déséquilibre qui provoque une poussée.

Il me semble donc que ce qui importe c'est la dissymétrie dans le couplage entre les roues et le rotor. La présence de vent est indispensable pour que cette dissymétrie permette de récolter de l'énergie dans le différentiel de vitesse entre la terre et l'air.


PS : Est-ce que quelqu'un porrait corriger le titre du sujet svp ? Merci!
PPS: DDWFTTW = Dead Downwind Faster Than the Wind = Dans le sens du vent plus vite que le vent

[DictionnairErroné]

J'ai trouvé une analogie bien faite sur ce site :

Ici, avec la crémaillère, on comprend très bien ce qu'il se passe. J'avais d'ailleurs eu un exercice similaire en mécanique pendant mes études mais avec une bobine de fil qui remonte une pente... bref. L'analogie avec l'hélice est que celle ci peut être assimilée à une vis qui remonte le vent. Étant couplée aux roues, si l'angle d'incidence des pâles est réglé de telle sorte que l'avancée sur son pas de vis lors d'un tour de roue est supérieure au périmètre de la roue, il y a un gain mécanique.
Comme on l'avait compris dès le début, l'énergie est puisée dans le différentiel de vitesse entre les deux masses (ici l'air et la terre, mais ça pourrait être d'autres masses cf. le papier que j'ai posté au début), en diminuant leurs vitesses relatives. D'où la nécessité qu'il y ait du vent, ou un tapis roulant.
Mais l'effet surprenant et contre-intuitif vient du fait que le couplage est asymétrique : si un tour de roue équivaut à un tour d'hélice, un tour d'hélice fera avancer le véhicule de plus qu'un tour de roue, d'où l'accélération résultante.
En réalité dans le cas d'une hélice c'est moins flagrant car elle pousse dans un milieu non solide, mais on se le représente bien mieux avec la crémaillère.

Mais la présence de vent, ou d'un tapis roulant, crée un déséquilibre qui provoque une poussée.

Il me semble donc que ce qui importe c'est la dissymétrie dans le couplage entre les roues et le rotor. La présence de vent est indispensable pour que cette dissymétrie permette de récolter de l'énergie dans le différentiel de vitesse entre la terre et l'air.

L'équivalent serait une voile sur le bidule au lieu d'une hélice et un ventilateur qui pousse l'air vers la voile. C'est ainsi que je le perçois.

L'énergie nécessaire pour faire tourner l'hélice, qui elle ajoute une énergie de poussée au bidule, provient du tapis roulant par l'entremise de roues. Ce transfert d'énergie vers l'hélice peut être aussi élevé (en tenant compte des pertes) que la capacité du moteur qui fait tourner le tapis roulant. Les roues ne tourneraient plus ou glisseraient, si l'énergie nécessaire pour faire tourner l'hélice dépasse la capacité de l'énergie disponible du tapis roulant.

[Arensor]

Hello,

Dans ce char sans voile (« Blackbird »), le déplacement du mobile par la force due au vent va ensuite mettre en rotation une hélice qui à son tour va créer une force de traction dans la même direction que la force initiale, conduisant le système à une accélération lui permettant d’acquérir une vitesse supérieure à celle du vent initial.

On peut rapprocher ce phénomène, même si cela n’est pas évident, au mode de sustentation d’un autogyre. Lorsque l’appareil est mis en mouvement, non pas par la poussée du vent, mais par un moteur, le déplacement induit, c’est - à - dire le vent relatif, met en rotation l’hélice principale qui, puisque son plan est horizontal, crée une force, non pas dans la direction du déplacement (à l’inverse du Blackbird) mais perpendiculaire à celui-ci, et qui permet alors d’assurer la sustentation (= portance).

Dans le cas du Blackbird, la force additionnelle créée servira à l’accélérer, dans le cas de l’autogyre, elle servira à le sustenter.

On a dans les deux cas une « autorotation » due au déplacement, à la différence que, dans le cas du Blackbird, c’est le déplacement / sol, alors que dans l’autogyre, c’est le déplacement / air.

L'équivalent serait une voile sur le bidule au lieu d'une hélice et un ventilateur qui pousse l'air vers la voile. C'est ainsi que je le perçois.

Hum... si l'on fait ce montage, rien ne va se passer.

[Christian]

L'équivalent serait une voile sur le bidule au lieu d'une hélice et un ventilateur qui pousse l'air vers la voile. C'est ainsi que je le perçois.

Non, ça, ça marche seulement dans Road Runner avec Wile E. Coyote.
https://www.youtube.com/watch?v=B85hZcQF6TU

[thewild]

On a dans les deux cas une « autorotation » due au déplacement, à la différence que, dans le cas du Blackbird, c’est le déplacement / sol, alors que dans l’autogyre, c’est le déplacement / air.

La différence majeure entre les deux est que l'autogire est motorisé et crée donc lui même le différentiel de vitesse, alors que les véhicules de type Blackbird utilisent le vent comme différentiel de vitesse sol/air.
Le principe est effectivement un peu le même, mais là ce qui est fascinant c'est qu'il n'y a que de l'énergie externe. On arrive à aller plus vite que la différence de vitesse de masses en mouvement.

[DictionnairErroné]

L'équivalent serait une voile sur le bidule au lieu d'une hélice et un ventilateur qui pousse l'air vers la voile. C'est ainsi que je le perçois.

Non, ça, ça marche seulement dans Road Runner avec Wile E. Coyote.
https://www.youtube.com/watch?v=B85hZcQF6TU

Le bidule sur le tapis roulant est l'équivalent de ça.



Au lieu d'un moteur à essence pour faire tourner l'hélice, c'est le transfert d'énergie du tapis roulant, aux roues, à l'engrenage et finalement à l'hélice. Ils peuvent même remonter des contre-courants!

[Jean-Francois]

L'équivalent serait une voile sur le bidule au lieu d'une hélice et un ventilateur qui pousse l'air vers la voile. C'est ainsi que je le perçois.

Non, ça, ça marche seulement dans Road Runner avec Wile E. Coyote.

Le bidule sur le tapis roulant est l'équivalent de ça.

Faudrait vous décider puisque vous dites une chose et son contraire: l'hélice de l'aéroglisseur pousse l'air vers l'arrière alors que la voile demanderait que l'air soit poussé vers l'avant.

Jean-François

[Arensor]

Le bidule sur le tapis roulant est l'équivalent de ça.

Beuh...non.
Cette photo, c'est tout simplement un avion sans aile ou un bateau avec l'hélice sur le pont et non dans l'eau, pour éviter de couper en deux les crocodiles...

[DictionnairErroné]

Faudrait vous décider puisque vous dites une chose et son contraire: l'hélice de l'aéroglisseur pousse l'air vers l'arrière alors que la voile demanderait que l'air soit poussé vers l'avant.

Jean-François

Mon objectif est de démontrer une poussée vers l'avant. Sur l'aéroglisseur, le vent de hélice vers l'arrière provoque une poussée avant sur le bateau.

Avec une voile c'est l'opposé. Le vent vers l'avant provoque une poussée avec les voiles. Alors si nous remplaçons la poussée de vent par un ventilateur nous devrions obtenir le même résultat. Cad, si nous inversion l'hélice et sa rotation sur l'aéroglisseur et installation une voile, le bateau avancera. Non?

Même chose pour le bidule, c'est un aéroglisseur dont l'hélice puise son énergie du moteur électrique du tapis roulant.

[DictionnairErroné]

Cette photo, c'est tout simplement un avion sans aile ou un bateau avec l'hélice sur le pont et non dans l'eau, pour éviter de couper en deux les crocodiles...

À voir la photo, on dirait qu'il n'y a pas de moteur sur ce bateau. Plutôt des pédales à bicycle pour chaque personne qui fait tourner l'hélice, très écolo en tout cas, en plus de ne pas faire des sacoches en peau de croco comme vous dites!

[Arensor]

À voir la photo, on dirait qu'il n'y a pas de moteur sur ce bateau. Plutôt des pédales à bicycle pour chaque personne qui fait tourner l'hélice, très écolo en tout cas, en plus de ne pas faire des sacoches en peau de croco comme vous dites!

300 ou 400 cv, 2000 t/mn à coups de pédales, faut des gros mollets...

[Jean-Francois]

Avec une voile c'est l'opposé. Le vent vers l'avant provoque une poussée avec les voiles. Alors si nous remplaçons la poussée de vent par un ventilateur nous devrions obtenir le même résultat

Quand le ventilateur est fixé au bateau et tourné vers l'arrière (aéroglisseur), cela entraine le bateau vers l'avant. Que pensez-vous qui se passe lorsque le ventilateur est fixé sur la bateau et tourné vers l'avant? Ça fait reculer le bateau, non?

Cad, si nous inversion l'hélice et sa rotation sur l'aéroglisseur et installation une voile, le bateau avancera. Non?

À mon avis, non. Cela parce que la poussée du "vent" sera contrecarrée par une poussée inverse sur le ventilateur.

Jean-François

[Arensor]

La 3ème loi de Newton est impitoyable..

[DictionnairErroné]

Avec une voile c'est l'opposé. Le vent vers l'avant provoque une poussée avec les voiles. Alors si nous remplaçons la poussée de vent par un ventilateur nous devrions obtenir le même résultat

Quand le ventilateur est fixé au bateau et tourné vers l'arrière (aéroglisseur), cela entraine le bateau vers l'avant. Que pensez-vous qui se passe lorsque le ventilateur est fixé sur la bateau et tourné vers l'avant? Ça fait reculer le bateau, non?

Cad, si nous inversion l'hélice et sa rotation sur l'aéroglisseur et installation une voile, le bateau avancera. Non?

À mon avis, non. Cela parce que la poussée du "vent" sera contrecarrée par une poussée inverse sur le ventilateur.

Jean-François

J'ai honte!

Au mieux, si les deux systèmes de poussées (hélice et voile) sont équilibrés le bateau ne bougerait pas. Mais je n'ose pas affirmer.

[DictionnairErroné]

300 ou 400 cv, 2000 t/mn à coups de pédales, faut des gros mollets...

Je parierais qu'une douzaine de belles-mères dans l'aéroglisseur à pédale pourraient rejoindre leurs gendres qui nageraient devant elles et passer par-dessus.