Effet Magnus
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L’effet Magnus, découvert par Heinrich Gustav Magnus (1802-1870), physicien allemand, permet notamment d’expliquer les effets de balle dans le sport et le fonctionnement de certains modes de propulsion. En 1761, Benjamin Robins, jeune ingénieur britannique, est le premier à mentionner une force de portance autour d'un corps en rotation. Les Anglo-Saxons parlent donc de force de Magnus-Robins.
Quand la vitesse d'un fluide (comme l'air) augmente, sa pression diminue, et réciproquement, comme l'indique l’équation de Bernoulli[1]. La rotation d'un objet placé dans un vent relatif (l'objet se déplace par rapport à l'air ou l'air se déplace par rapport à l'objet) modifie asymétriquement le champ des vitesses autour de l'objet.
Balistique
Lorsqu'une balle en rotation se déplace dans l'air, elle va par frottement modifier la vitesse du courant d'air autour d'elle. L'effet sera dissymétrique : d'un côté la balle entraîne l'air qui accélère. De ce côté la pression diminue. De l'autre côté la balle freine l'écoulement d'air et la pression augmente. On aura donc une différence de pression et la balle va se déplacer du côté où la pression est plus faible. Selon la vitesse de rotation de la balle, la position des points où la vitesse est respectivement minimale et maximale (et donc le sens de la force appliquée) varie.
Par exemple, si la balle roule au sol, la vitesse relative de l'air par rapport à sa surface supérieure augmentera. Si elle tourne de la même façon en l'air, la vitesse de l'air par rapport à sa surface inférieure diminuera. On aura une légère surpression en haut et une légère dépression en bas de la balle, ce qui la plongera plus vite vers le sol. Dans le sens contraire, elle sera soulevée et aura une trajectoire plus rectiligne pendant sa montée, avant de reprendre la trajectoire en cloche, elle volera plus loin avant de toucher le sol.
C'est cet effet qui explique par exemple la trajectoire travaillée des tirs de coups-francs au football, l'effet lifté au tennis, l'allongement de la portée des répliques d'airsoft (système Hop-Up) ou l'effet de rotation d'une balle de tennis de table.
Inversement, l'effet Magnus participe à l'imprécision des armes à feu à canon non rayé et utilisant une balle (ou un boulet) sphérique : avec ces armes, au sortir du canon la munition a une rotation très variable, et elle se comporte de façon non moins variable.
Le hop up en Airsoft
Inventé en 1992 par la Firme Tokyo Marui (fabriquant japonais de répliques d'airsoft), le système hop-up permet d'augmenter la portée des billes sans augmenter (et même en diminuant légèrement) la vitesse de sortie à la bouche des répliques, via l'effet Magnus. Il se base sur un joint de caoutchouc qui exerce une friction sur la bille au moment de sa propulsion, la faisant tourner sur elle-même et (tel un lift au tennis) permettant ainsi de la faire « voler ».
Un bon hop-up augmente aussi la constance des tirs et donc la précision du lanceur.
Propulsion (par rotors Flettner)
L'utilisation de l'effet Magnus a été proposé pour mettre au point des systèmes de propulsion composés de gros cylindres verticaux en rotation capables de produire une poussée longitudinale lorsque le vent est sur le côté.
- Buckau (rebaptisé plus tard Baden-Baden)
- L'Allemand Anton Flettner fit transformer le schooner trois mâts Buckau dans les chantiers Germania de Kiel (Allemagne) et acquit avec lui une première expérience avec ce principe de propulsion. Le Buckau, qui fit son premier voyage d'essai en 1924 équipé de deux rotors, était mû par un moteur auxiliaire à hélice par calme plat (absence de vent) et lorsque l'espace nécessaire pour louvoyer était limité. Après plusieurs essais par différentes conditions de vent, le Buckau rebaptisé Baden-Baden traversa l'Atlantique et rallia New York le 9 mai 1926.
- Les chantiers navals A.G. Weser de Brême construisirent pour l'armateur hambourgeois Rob. M. Sloman jr. le Barbara jaugeant 2077 tonneaux et le mirent en service le 28 juillet 1926. La marine commerciale du Reich équipa ce cargo de trois rotors Flettner pour assister le système de propulsion. Avec un vent de force 4 Beaufort, il atteignait 4 nœuds vent debout, et même 9 vent en poupe. Malgré cela, le principe de la propulsion par rotors Flettner perdit vers 1930 la course à la rentabilité face à des navires à hélice ou à voiles classiques.
- Alcyone (navire expérimental de Jacques-Yves Cousteau)
- L'océanographe Jacques-Yves Cousteau fit construire l'Alcyone au début des années 1980. Son principe est sensiblement différent (voir turbovoile). Ses deux cylindres fournissaient environ 25 à 30 % de l'énergie propulsive qui venait assister la propulsion par hélice. Le navire fit son premier voyage en 1985.
- La Calypso II devait être équipée selon Cousteau d'un véritable système de propulsion par rotors Flettner mais elle ne fut plus construite après sa mort.
- L’Uni-Kat* Flensburg fut développé à l'Institut de Physique et Chimie de l'université de Flensbourg (Allemagne) sous la houlette du professor Lutz Fiesser dans le cadre du projet PROA [Quoi ?]. Le navire fut baptisé lors de la réunion Flensburg Nautics 2006.
- (* Jeu de mot : Unikat signifie « pièce unique » mais le trait d'union permet de reconnaître la vraie signification : katamaran de l'université)
- En 2006, la société de construction d'éoliennes Enercon commanda aux chantiers navals Lindenau-Werft de Kiel un cargo de 130 m de long équipé, en plus de deux moteurs Diesel, de quatre rotors Flettner. Il a été mis à l'eau en août 2008 et sa mise en service est intervenue en août 2010[2].
Rôle dans la portance
Le projet d'aéromobile (voiture-avion) « iCar 101 » utilise des ailes à effet Magnus pour assurer sa portance[3].
Voir aussi
- Théorème de Kutta-Jukowski
- Effet Magnus et turbulence dans le football
- L'effet Yarkovsky, bien que concerné par des forces de nature très différentes, concerne aussi un changement de trajectoire lié à une rotation de l'objet en déplacement, et en particulier dans le cas de l'effet YORP
Notes et références
- Le théorème de Bernoulli ne s'applique que dans le cas d'un fluide incompressible, ce qui n'est pas le cas de l'air ; toutefois, il permet de comprendre simplement le phénomène.
- (de) Video E-ship-1
- Projet iCar 101, aéromobile utilisant l'effet Magnus
