"Tartaglia, Zigzag & Flips": dense particles at large Reynolds number
"Tartaglia, Zigzag & Flips" : les particules denses à haut Reynolds
Résumé
This experimental work deals with sports balls trajectories. Those dense projectiles are laun- ched in air at several hundred kilometers per hour. In this situation, ball trajectories depend on the fluid flow around them which occurs at high Reynolds number (Re > 1000). The first effect we consider is the fluid drag. This friction reduces the range and gives rise to trajectories very different from parabola which are non symmetric toward the top. This kind of trajectories occurs in badminton for high clears. Nicollo Tartaglia was the first to draw those curves observing the trajectories of cannon balls. However, the air doesn’t only limit the forward motion. When balls spin, the Robin-Magnus effect produces a lateral force and curves the trajectory. This is studied in the case of clearances in soccer. Lateral aerodynamic forces also exist when the ball has no spin. The turbulent behavior of the flow around a spherical particle provides lateral forces with complex temporal dependency. This induces zigzag trajectories which are occasionally observed in volley, soccer and baseball. We inspect the condition of occurrence of this phenomenon. Then, the case of non spherical balls are considered. Such balls are used in rugby, football and badminton. Shuttlecocks have the propriety to fly the nose ahead which oblige them to flip after each racket impact. Finally, we study the motion of a fluid particle with the particular case of a Leidenfrost liquid ring. A such object is created by approaching an annular magnet from a paramagnetic liquid oxygen drop. The closing dynamics of this non wetting ring is described with by the way of a potential flow approach.
Ce travail expérimental concerne les trajectoires des balles de sport. Ces projectiles denses sont lancés dans l’air à plusieurs centaines de kilomètres par heure et produisent autour d’eux un écoulement de fluide à haut nombre de Reynolds (Re > 1000). Cet écoulement induit une résistance à l’avancement qui limite la portée des balles et donne lieu à des trajectoires dissymétriques vis-à-vis du sommet. Elles sont observées au badminton lors des dégagés et ont été dessinées pour la première fois par Niccolo Tartaglia en 1537 pour des boulets de canon. Mais l’air n’est pas uniquement un frein au mouvement des balles. Leur rotation propre engendre, par l’intermédiaire de l’effet Magnus, une force transverse qui courbe la trajectoire. Nous avons étudié l’emploi de cet effet pour prolonger les dégagements au football. Des forces aérodynamiques transverses existent également lorsque la balle ne tourne pas sur elle-même. Elles sont alors causées par la nature turbulente de l’écoulement du fluide et induisent des trajectoires en zigzag que l’on observe exceptionnellement au volleyball, football et baseball. Les conditions d’obtention de ces trajectoires non rectilignes ont fait l’objet de ce travail. Le cas des balles non sphériques est envisagé au travers de l’exemple du badminton. Le volant "flip" sur lui-même après l’impact avec la raquette et vole le bouchon en avant ce qui permet à chaque joueur de frapper le bouchon. Enfin, l’étude d’une particule fluide a été envisagée avec le cas particulier d’un anneau liquide en caléfaction. Un tel objet est crée en approchant un aimant annulaire d’une goutte d’oxygène liquide paramagnétique. La dynamique de fermeture de cet anneau non mouillant est décrite à l’aide d’une approche en écoulement potentiel.
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