Moment de Munk

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Dans le domaine de l'hydrodynamique et de la mécanique des fluides, l’effet « moment de Munk » explique le phénomène par lequel un objet allongé (par rapport à une forme sphérique) tend à être déstabilisé dans un flux dans lequel il se propulse.
Comme le paradoxe de D'Alembert, il n'apparait sous sa forme complète que théoriquement et dans un « fluide parfait » (parfaitement non-visqueux). Dès qu'une coque ou fuselage dérive par rapport au flux (ou à son axe) si le flux est régulier, même avec un angle léger, l'engin tend à être dévié, et plus la déviation se poursuit plus il est difficile de revenir à l'axe parfait. De plus le mouvement correctif tend à réorienter l'engin de l'autre côté de l'axe, favorisant un mouvement sinusoïdal (lacet) et d'éventuelles vibrations délétères dans la structure de l'engin. Dans notre environnement réel la viscosité du milieu et les microturbulences interfèrent de manière complexe avec les objets en modifiant cette force.

Les oiseaux et les poissons sont exposés au forces exercées par le Moment de Munk ; ils ont développé divers moyens de le contrôler ou d'en modérer les effets, notamment chez les oiseaux par le contrôle réflexe des ailes et du plumage impliqué dans la gouverne, et chez les poissons par le contrôle des nageoires qui permettent des micro-ajustements dès que la dérive se produit, en consommant dont aussi peu d'énergie que possible. Certains poissons anguilliformes utilisent en outre un mouvement natatoire sinusoïdal.

Enjeux[modifier | modifier le code]

Cet effet est une contrainte pour la manœuvrabilité de nombreux engins mobiles.

Il est particulièrement important dans le cas d’engins allongés devant se déplacer dans un flux important (ex : dirigeable dans le vent, canoë dans un courant turbulent[1] ou cargo ou tanker exposé au vent et aux courants en mer ou lors de manœuvres dans un port ou chenal[2].

Histoire[modifier | modifier le code]

Ce phénomène a pour la première fois été formalisé et plus ou moins bien mis en équation par Max Michael Munk dans les années 1920-25 lorsqu'il étudiait l'aérodynamique des Zeppelins[3],[4].

On cherche depuis à le mieux prendre en compte pour les calculs et l’amélioration des moyens de manœuvrabilité de tous les véhicules volants et plus encore de navires, sous-marins, torpille, gliders et ROV, etc. en raison du fait que l’eau est un fluide à plus grande viscosité que l’air)[5].

Sur les sous-marins, des ailerons et un gouvernail situés à l'arrière visent à compenser cet effet en décalant le centre aérodynamique vers l’arrière pour rendre l’objet passivement stable (dynamiquement si les ailerons sont mobiles).
Ces ailerons sont cependant susceptibles de s’accrocher et rendent l’objet moins compact et s’ils stabilisent l’engin dans le sens de la marche, ils peuvent le déstabiliser quand ce dernier entame une marche arrière, ce pourquoi certains ingénieurs disposent aussi des ailerons à l’avant ou cherchent à compenser ce moment de Munk par d’autres moyens (robotique molle, forme plus compact de l’objet, etc.)

Principes[modifier | modifier le code]

Le moment de Munk fait partie des Moments aérodynamiques ; il est lié à la distribution des pressions et aux effets de viscosité à l’œuvre autour de l’objet en mouvement dans le flux.

Plus l’objet est allongé plus la formation de tourbillon derrière sa poupe influencera sa manœuvrabilité, en tendant à le stabiliser dans certaines conditions (marche avant assez rapide par exemple) et inversement en tendant à le déstabiliser dans d’autres conditions (par exemple en marche arrière ou marche lente avec courant de côté ou dans les turbulences)[6]. De même plus le centre de masse de l'objet est proche de son centre de la flottabilité, plus son instabilité augmente.

Cet effet est notamment en cause dans les mouvements de « pitch » et de « lacet » subis par d'un engin mobile évoluant dans un flux[6].

Moyens d'évitement[modifier | modifier le code]

Un centre de gravité placé nettement sous le centre de flottabilité va stabiliser passivement l’objet contre le tangage et le roulis mais est sans effet sur les mouvements de « lacet »[6].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Grelaud, T. (2006). Étude de la manœuvrabilité des navires Application aux canoës et kayaks de slalom
  2. Leite, A. J. P., Aranha, J. A. P., Umeda, C., & De Conti, M. B. (1998). Current forces in tankers and bifurcation of equilibrium of turret systems: hydrodynamic model and experiments. Applied Ocean Research, 20(3), 145-156 (résumé).
  3. Munk M.M (1923) The drag of zeppelin airships ; National Advisory Commitee for Aeronotics ; Rapport no 117 pour la NASA (PDF, 11p)
  4. Munk, M. M. (1924). The aerodynamic forces on airship hulls ; National Advisory Commitee for Aeronotics ; Rapport no 184 pour la NASA (PDF, 22p)
  5. Anderson, J. M., & Chhabra, N. K. (2002). Maneuvering and stability performance of a robotic tuna. Integrative and comparative biology, 42(1), 118-126
  6. a b et c Smooth, spheroidal, appendage free underwater robot capable of 5 dof motion US 20130291782 A1, déposé 3 mai 2013 par Haruhiko Harry Asada, Anirban Mazumdar, Martin Lozano & Aaron Michael Fittery ; Electric Power Research Institute

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Bibliographie[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]