1 FRIEDRICH Pierre (GM01) MAATOUG Ahmed (GM01) MOTARD Alexandre (GM01) PEREZ Guillaume (GM01)
Projet : Les Cerfs Volants
A09-MQ17
Responsable :
Mr Nicolas BUIRON
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Sommaire :I. Introduction
• Etymologie et Histoire
II. Aérodynamique• Fonctionnement• Echelle de beaufort
III. Les Cerfs Volants de Traction• Cahier des charges• Solutions retenues (fils, voiles fabricants, etc.)
IV. Les Cerfs Volants Acrobatiques et de combat• Cahier des charges• Solutions Retenues (toiles, coutures, fils, armatures, etc.)
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I. Introduction
I. 1. Etymologie et Histoire
L'étymologie du mot n'est pas confirmée même si aujourd'hui, on pense que son origine vient sans doute d'une déformation de serp-volant, une serp désignant en ancien français un serpent.
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I. Introduction
I. 1. Etymologie et Histoire
D'anciens textes chinois font remonter l'origine du cerf-volant au IVe siècle av. J.-C.
Il est très probablement l'invention d'un peuple de pêcheurs et navigateurs des îles d'Asie du Sud-est
Les premières traces écrites sur les cerfs-volants datent d’environ 200 avant JC
La renommée du cerf-volant a été propagée par les commerçants en provenance de Chine en Corée
Le cerf-volant est devenu très populaire au Japon au cours de la période Edo (1600 à 1868).
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La première application scientifique du cerf volant sera enregistrée en 1749 quand Alexandre Wilson d’Ecosse utilisa un train cerf-volant comme un outil météorologique pour mesurer les variations de températures à différentes altitudes.
Actuellement, il s'est développé trois pratiques distinctes : le cerf-volant monofil : contemplatif, plat, à dièdre, cellulaire ou sans
armature, il est retenu par une seule ligne (aussi le cerf-volant de combat )
le cerf-volant acrobatique : exécution de figures, généralement avec des deltas ;
le cerf-volant de traction qui se distingue en deux catégories : terrestre : le char, le mountainboard tracté, le snowkite, le roller tracté,
etc. marine : le kite surf, une planche (de surf à l’ origine) tractée par un
cerf-volant.
I. Introduction
I. 1. Etymologie et Histoire
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Loisire et compétition
Traction d'embarcations
Transmission radio
Sauvetage en mer
Phonographie aérienne Cerf volant
Météorologie
I. Introduction
I. 1. Etymologie et Histoire
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II. Aérodynamique
II. 1. Fonctionnement Un cerf-volant, objet plus lourd que l'air, doit être opposé à une
force supérieure à son propre poids La résultante aérodynamique se décompose on deux forces: La portance est la force, due à la surpression-dépression, exercée
sur le profil lors de son vol, qui est orientée perpendiculairement à l’axe du vent relatif.
La trainée est la force exercée par le vent relatif sur le profil. Elle a le même axe que le vent relatif. La trainée est donc un obstacle à la vitesse de l’aile car elle le ralentit. La trainée est une source de pertes de performances aérodynamiques.
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II. Aérodynamique
II. 2. Echelle de beaufort
Pour utiliser un cerf-volant en toute sécurité, il faut estimer la force du vent. Pour cela, nous aller pouvoir nous servir du tableau ci-dessous, qui représente l’échelle de Beaufort, qui nous permet ainsi d’avoir une idée plutôt réaliste de la force du vent
Force AppellationVitesse du vent
Etat de la mer Effets à terrenœud km/h
0 calme 1 1 Mer d'huile, miroirLa fumée monte
droit
1 très légère brise
1 à 3 1 à 5 Mer ridée La fumée indique la direction du vent
2 légère brise 4 à 6 6 à 11 Vaguelettes
On sent le vent au visage
3 petite brise 7 à 10 12 à 19 Petits moutons Les drapeaux
flottent
4 jolie brise 11 à 16 20 à 28 Nombreux moutons Le sable s'envole
5 bonne brise
17 à 21 29 à 38 Vagues, embruns
Les branches des pins s'agitent
6 vent frais 22 à 27 39 à 49 Lames, crêtes d'écume
étenduesLes fils électriques
sifflent
7 grand frais 28 à 33 50 à 61 Lames déferlantes
On peine à marcher contre le
vent
8 coup de vent
34 à 40 62 à 74
Les crêtes des vagues partent en tourbillon d'écume
On ne marche plus contre le vent
9 fort coup de vent
41 à 47 75 à 88
10 tempête 48 à 55
89 à 102
Les embruns obscurcissent la vue, on ne voit plus rien
Les enfants de moins de 12 ans
volent11 violente
tempête56 à 63
103 à 117
12 ouragan 64 et plus
118 et plus
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Généralités :
Besoin : satisfaire un sport « extrême »
Contexte : projet bibliographique
Le produit et son marché : existence depuis une vingtaine d’année
Objectif de l’étude : CDCF et étude des matériaux
III. Les Cerfs Volants de traction
III. 1. Cahier des charges
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Expression du besoin :
Pourquoi ? (cause) Besoin de sensation, innovation.
Pour quoi ? (but) Moyen de déplacement, différents sports.
Evolution ? Apparition de nouveaux matériaux.
Disparition ? Fil, toile, activité sportive (improbable)
III. Les Cerfs Volants de traction
III. 1. Cahier des charges
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III. Les Cerfs Volants de traction
III. 1. Cahier des charges
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III. Les Cerfs Volants de traction
III. 1. Cahier des charges
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La voile : Rapport qualité prix, composition voile, principaux constructeurs.
Les fils : Matériaux résistants au souffle du vent et longue durée de vie.
Les lignes : Gamme de fils existant, amélioration des propriétés mécanique,
traitements particuliers des matériaux.
III. Les Cerfs Volants de traction
III. 1. Cahier des charges
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Différents types de voiles de traction
Ailes à caissons Arches Les boudins
III. Les Cerfs Volants de traction
III. 2. Solutions Retenues
Trois types d’ailes différentes:
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III. Les Cerfs Volants de traction
III. 2. Solutions RetenuesLignes de cerfs volants
Lignes de cerfs volants de cerfs-volants
Polyester :
Tergal
Dacron
Trevira
Polyamide :
Nylon
(Trop élastique, réservé aux C.V à un fil)
Aramides :
Twaron
Technora
Super Aram
Kevlar
Polyéthylène HT :
Spectra
Topline
Dyneema
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• 1938: commercialisation du polyamide 6-6 = Nylon• A la meme époque: développement du perlonL en Allemagne•Très bonnes caractéristiques mécaniques:
- Légers - Très bonne résistance à la traction- Elasticité quasi-nulle
• Polyamides= polymère amorphe ou semi-cristallins
III. Les Cerfs Volants de traction
III. 2. Solutions Retenuesa°) Les fibres polyamides
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III. Les Cerfs Volants de traction
III. 2. Solutions Retenuesb°) Les fibres aramidesDans la grande famille des fibres aramides:
- Kevlar 29 produit par Du Pont à Nemours-Twaron 1000 de Akzo-Superaram HM50 de Cousin SA
Caractéristiques mécaniques:-Excellente résistance à la rupture en traction.-Allongement à la rupture selon le type de fibres : 2,8% ou 4% (intermédiaire entre les fibres de verre et de carbone).-Mauvaise résistance à la compression.
Désignation Masse volumiqueg/
Tensile Modulus(GPa)
Tensile strengh(GPa)
Tensile elongation (%)
Kevlar 29 1,44 83 3,6 4,0
Kevlar 49 1,44 131 3,6-4,1 2,8
Kevlar 149 1,47 186 3,4 2,0
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Avantages InconvénientsTrès bonne résistance à la traction Très faible résistance à la compression
Module d’élasticité élevé Reprise d’humidité importante : 4% environ
Excellent facteur d’amortissements des vibrations
Faible adhérence avec les résines d’imprégnation
Faible densité Usinage délicat des matériaux ainsi renforcés
Excellente stabilité thermique :-70°C à 180°C
Bonne résistance à la fatiguePrix intermédiaire (2 à 3 fois moins que
celui des fibres de carbone)
III. Les Cerfs Volants de traction
III. 2. Solutions RetenuesAvantages et inconvénients ayant un impact sur les câbles de cerf-volant de traction :
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III. Les Cerfs Volants de traction
III. 2. Solutions Retenuesc°) Le Polyéthylène HT (appellation commerciale: spectra, topline, dyneema) :
• Lignes polyéthylène HT: aussi bonne résistance que les lignes en aramides
• Plus fragile que les fibres aramides (température de fusion inférieure)
• Elasticité d’une ligne en polyéthylène HT: 2% (infime par rapport au polyamide (15%)) mais comparable à l’aramide (4%).
•Appartient à la famille des thermoplastiques semi-cristallins (liaisons type Van der Walls)
• Spectra (E-U, Canada) = Dyneema (Europe)
•Dyneema: très résistant à l’étirement , MAIS: déformation et allongement sous tension forte et constante donc nécessité de procéder à un pré-étirage.
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PHT Polyester PolyamideAramide (tueur de
ligne)
Elasticité 2% 10% 15% 4%
Résistance UV Très bonne Bonne Moins bonne Moyenne
Température de fusion 120°C 260°C 220°C 400°C
Intérêts des propriétés mécaniques pour un
CV Bonne Acceptable Très moyenne Excellente
III. Les Cerfs Volants de traction
III. 2. Solutions RetenuesBilan sur les fils des voiles de traction
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• Deux matériaux utilisés: généralement nylon (Ripstop Nylon)
• Tissu polyester plus rarement utilisé ICAREX
III. Les Cerfs Volants de traction
III. 2. Solutions Retenuesa°) Les fibres polyamides
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III. Les Cerfs Volants de traction
III. 2. Solutions Retenuesb°) Fabrication des tissus
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• Résistance à l’étirement tissu
• Module d’élasticité fibre
• Tissu: le moins déformable possible
• Etirement mesuré dans trois directions différentes:- dans le sens de la longueur (chaine)- de la largeur (trame)- en biais à 45°
• Interprétation de l’allure du graphique:
• Première partie: généralement linéaire correspond au domaine élastique • Au delà de la limite élastique étirement plastique: Déformation de la structure du tissu selon les lignes de tensions appliquées, de manière irréversible.
III. Les Cerfs Volants de traction
III. 2. Solutions Retenuesc°) L’élasticité d’un tissus Etirement du
tissu
Force exercée sur les échantillons
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IV. Les Cerfs Volants Acrobatiques et de combat
IV. 1. Cahier des charges
Généralités :
Besoin : satisfaire le sport et plaisir
Contexte : projet bibliographique
Le produit et son marché : existence récente
Objectif de l’étude : CDCF et étude des matériaux
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IV. Les Cerfs Volants Acrobatiques et de combat
IV. 1. Cahier des charges Expression du besoin :
Pourquoi ? (cause) Innovation dans l’utilisation.
Pour quoi ? (but) Sport avec particularités selon les
matériaux. Evolution ?
Apparition de nouveaux matériaux. Disparition ?
Fil, activité sportive (improbable)
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IV. Les Cerfs Volants Acrobatiques et de combat
IV. 1. Cahier des charges
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IV. Les Cerfs Volants Acrobatiques et de combat
IV. 1. Cahier des charges
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IV. Les Cerfs Volants Acrobatiques et de combat
IV. 1. Cahier des charges
La toile : Rapport qualité prix, composition toile.
Les coutures et fils : Matériaux résistants au souffle du vent et longue durée de
vie, différentes coutures selon le type de cerf volant. Les armatures :
Matériaux moins chères avec les même propriétés et succeptible d’alléger le cerf volant.
Les lignes : Gamme de fils existant, amélioration des propriétés
mécanique, traitements particuliers des matériaux.
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IV. 2. Solutions Retenues IV. Les Cerfs Volants Acrobatiques et de combat
Composants du cerf volant de traction/ combat :
La toile
Les fils de couture
Les armatures
Les lignes
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IV. 2. Solutions Retenues IV. Les Cerfs Volants Acrobatiques et de combat
La Toile : Importance de l’histoire Les deux matériaux utilisés :
La toile de Spi (Polyamide)
- Résistant en fatigue- Leger : Entre 30 et 55 gr/m²- Faible coefficient de frottement- Prix moyen : 5 – 15 € le m²
- Sensibilité et gonflement à l’eau- Risque d’oxydation à haute température
Tyvek® (fibres de polyéthylène)
- Indéchirable- Leger : Entre 30 et 55 gr/m²- Résistant a la corrosion- Insensibilité a l’eau (≠ Spi)
- Propriété mécanique plus faible- Durée de vie faible
Toiles de Spi
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IV. 2. Solutions Retenues IV. Les Cerfs Volants Acrobatiques et de combat
Couture et fils : Fils utilisés : Nylon ou Polyester qui offrent une bonne résistance mécanique pour un diamètre faible. Deux types de couture :
Couture droite - zigzag
Couture à l’anglaise
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IV. 2. Solutions Retenues IV. Les Cerfs Volants Acrobatiques et de combat
Armatures : Principal responsable du poids du cerf volant. Année 70 : Omniprésence du Bambou ou du Ramin malgré l’apparition de l’aluminium (zicral) Bouleversement des usage : fibre de verre. Aujourd’hui : fibre de carbone et rarement fibre de verre.
Jonc et tubes en fibre de carbone
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IV. 2. Solutions Retenues IV. Les Cerfs Volants Acrobatiques et de combat
Armatures :
Densité (g.cm-3)
Module de Young E(GPa)
Resistance à la compression (MPa)
Module de Flexion (GPa)
Résistance à la Flexion (MPa)
Carbone/Epoxy 1,6 120 - 140 800 - 1300 125 1200
Fibre de Carbone :
Fibre de Verre :Densité (g.cm-
3)Module de Young E (GPa)
Resistance à la compression (MPa)
Type E 2,54 73 1200
Type R 2,48 86 1300
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Lignes : Exigences particulières des utilisateurs. Nécessité d’avoir de très faible déformations Utilisation du Dyneema® ou Nylon :
- Module de Young respectable (2 à 5 GPa)- Déformation à rupture de 2 à 3 %
Deux traitements :- De surface : application d’une résine favorisant les
frottements des lignes lors du vol.- Mécanique : Pré-étirage des lignes. Contrôle qualité
du fabricant. Lignes de combat : Enduites de poudre de verre.
IV. 2. Solutions Retenues IV. Les Cerfs Volants Acrobatiques et de combat
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Structures et critères d’achat :IV. 2. Solutions Retenues
IV. Les Cerfs Volants Acrobatiques et de combat