Le Flyboard représente une avancée spectaculaire dans le domaine des sports aquatiques et des engins de sustentation personnelle. Cette activité estivale par excellence, à la fois rafraîchissante et sensationnelle, fait preuve d'un intérêt grandissant et s'impose comme un incontournable. Il s'agit d'un sport aquatique qui consiste à voler au-dessus de l’eau grâce à un appareil à sustentation et propulsion hydraulique, ou hydropropulsion. On peut apercevoir de drôles de personnes perchées sur une plateforme à quelques mètres de hauteur au-dessus d’un plan d’eau, le tout élevé par deux grands jets d’eau. Comme en lévitation, à mi-chemin entre l’hoverboard de Marty McFly et le costume d’Iron Man, on appelle ça le Flyboard. Bien que très impressionnant à regarder, le Flyboard est étonnamment intuitif et offre une sensation d'apesanteur et une dose d'adrénaline totalement inédites. Comprendre la mécanique fascinante du Flyboard n’est que la première étape ; la véritable magie opère lorsque vous chaussez la planche et sentez la puissance de l’eau gronder sous vos pieds.
Origines et Évolution du Flyboard
L'histoire du Flyboard est intimement liée à l'innovation française. Après quelques esquisses américaines à la fin des années 2010, c’est bien le français Franky Zapata qui est l’inventeur du Flyboard sous la forme dans laquelle nous le connaissons aujourd’hui et qui initie sa démocratisation. Ce pilote de jet ski du sud de la France est aussi un ingénieur autodidacte. C'est en 2012 que Frank Zapata, un ancien pilote professionnel de jet ski marin, invente le Flyboard et le fait produire par sa société spécialisée dans les engins à sustentation hydropropulsée, Zapata Holding. Après de nombreux tests et développements de prototypes, le premier Flyboard est prêt. Il sera pour la première fois présenté au public en 2012 aux Championnats du monde de Jet ski en Chine. Un an plus tard, l’inventeur du Flyboard se fait connaître du grand public en participant à l’émission « La France a un incroyable talent » dans laquelle il présente son invention. L’événement qui fera définitivement connaître de façon internationale le Flyboard sera l'arrivée en finale de Franky Zapata dans cette émission. Lors de la coupe du monde de Flyboard en 2012 à Doha, ce fut un français, Stéphane Prayas, qui remporta l'or, soulignant la prééminence française dans cette discipline naissante.
Le Flyboard Air : Une Révolution Autonome
L'innovation de Franky Zapata ne s'est pas arrêtée aux dispositifs hydropulsés. En 2016, Franky Zapata présente le Flyboard Air. Cette fois-ci, l’engin et son pilote sont propulsés par des réacteurs et n’ont plus besoin d’être raccrochés à une motomarine. En 2016, Franky Zapata reprend les essais sur un nouvel engin, le Flyboard Air, et crée une division, Zapata Racing, afin d'en gérer le développement. Il s'agit cette fois d'une plateforme autonome, baptisée Unité autonome de propulsion, qui dispose de quatre micros turbines à gaz. Ces turbines permettent au Flyboard de voler jusqu'à 3000 mètres d'altitude et ce pendant une dizaine de minutes, tout en atteignant des vitesses de pointe pouvant aller jusqu'à 150 km/h ! Cependant, les essais de Franky Zapata seront compromis par l'État français qui lui interdit d'utiliser le Flyboard Air sur le sol français. On lui reproche notamment de ne pas avoir déposé de demande d'autorisation de vol ainsi que de ne pas être titulaire d'une licence de vol. C'est au début de l'année 2017 que Franky Zapata obtient les autorisations nécessaires, alors qu'il était en train d'envisager de quitter le sol français pour poursuivre ses travaux sur le Flyboard Air. Il s'élancera avec son nouvel appareil de l'aéroport d'Avignon. L'ingénieur marseillais est convié à participer au défilé du 14 juillet en 2019 avec son engin, où il effectue un survol de la place de la Concorde devant la tribune officielle. Quelques jours plus tard, il tente la traversée de la Manche en Flyboard. Le Flyboard Air permet de se mouvoir librement dans l'espace. Avec son Flyboard Air, Franky Zapata fait voler les Hommes et ouvre un nouveau champ des possibles en termes de ride et de sensation, peut-être une nouvelle discipline en devenir. Le Flyboard Air sera peut-être l'un des premiers jetpacks accessible au grand public, se rapprochant de l'idée de deux fusées accrochées au pilote par des lanières comme un sac à dos, et qui par la force de la poussée lui permettent de s'élever dans les airs.
Le Flyboard Hydropulsé : Mécanismes et Technologie
Fonctionnement Général : Le Rôle du Jet-Ski et du Tuyau
Le Flyboard est une invention qu'on pourrait croire toute droite sortie d’un épisode de Star Wars ou semblable à un gadget à la James Bond, et pourtant son fonctionnement repose sur des principes physiques concrets. La planche est reliée à un jet-ski par un long tuyau. Le Flyboard est dit à sustentation hydropropulsé. Sa plateforme est reliée à un jet ski par un long tuyau souple sur laquelle les pieds du pilote sont fixés tel un snowboard. Le secret du Flyboard réside en fait dans les deux propulseurs fixés sous la plateforme, qui sont reliés à un jet-ski par un long tuyau. Quand le pilote du jet ski met les gaz, de l’eau à haute pression va traverser le tuyau et sortir sous les pieds de la personne positionnée sur la plateforme. C'est cette pression de l'eau qui va permettre à l'ensemble de s'élever. La personne qui pratique du Flyboard se tient debout, fixée dans des bottes, sur une planche en dessous de laquelle se trouvent deux propulseurs, qui projettent de l'eau. C'est l'eau pompée puis éjectée par l'hydrojet de la motomarine qui fournit les jets nécessaires, souvent deux, à la planche. Ces jets très puissants peuvent permettre de voler à plusieurs dizaines de mètres, mais aussi de plonger sous l'eau et de faire des figures. Le jet ski est contrôlé par un pilote ou directement par la personne sur la planche à l'aide d'une télécommande qui gère les gaz de la motomarine. Au début, la présence d'un pilote de motomarine était obligatoire mais depuis les dernières versions du Flyboard, la personne sur la planche peut diriger le jet ski directement depuis une télécommande. Les Flyboards fonctionnent habituellement dans l'eau de la mer qui permet une quantité suffisante d'eau disponible, mais on peut très bien imaginer utiliser un Flyboard sur un lac assez grand par exemple, comme à la base nautique d'Issoire, près de Clermont-Ferrand. C'est grâce à ce type de jet ski des mers que le Flyboard récupère l'énergie et le flux d'eau nécessaire à son fonctionnement.
L'Hydrojet : Une Technologie Clé
L'hydrojet est un propulseur maritime dont le principe est de propulser de l'eau à haute vitesse afin de déplacer un engin. On utilise habituellement l'hydrojet sur les bateaux hors-bord ou les motos des mers comme les motomarines. Il arrive aussi qu'on retrouve l'hydrojet sur les ferries à grande vitesse. On doit son invention à un ingénieur italien, Secondo Campini, qui en 1931 mit au point le premier moteur hydrojet à Venise. Cependant, le projet ne suscitera pas l'intérêt et sera oublié jusque dans les années 1954 où le Néo-Zélandais Bill Hamilton en construira une copie. L'hydrojet a l'avantage de ne nécessiter aucun objet extérieur. En effet, il n'y a pas d'hélice ou de gouvernail qui sont en proie à la détérioration. De plus, un renversement de l'hélice permet de faire marche arrière aussi vite que marche avant. Cependant, les hydrojets restent des moteurs chers et il faut en prendre soin car ils sont fragiles. Pour le Flyboard, l'hydrojet du jet-ski est le cœur du système de propulsion, car il est responsable de la création du débit massique d'eau essentiel à la sustentation. Une expression du type "mass flow rate" se comprend sans traducteur pour décrire ce concept fondamental.
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L'Expérience de Pilotage et la Sécurité
Le Flyboard est une expérience qui demande tout de même une petite prise en main. Le fait qu'il soit réputé assez intuitif par les amateurs de sensations fortes ayant déjà essayé, ne dispense pas d'un apprentissage rigoureux. L’équilibre s’acquiert généralement en 5 à 10 minutes lors d’une première session. Une position très particulière doit être adoptée pour tenir debout et droit sur la planche. Afin que votre phase d’élévation se passe du mieux possible, il est conseillé de garder vos jambes droites et de regarder au loin vers l’horizon plutôt que de regarder en bas. Il faut s'aider des bras pour se stabiliser et trouver le bon équilibre. Une bonne condition physique sera requise. Une fois à quelques mètres de hauteur, souvent autour des deux mètres pour commencer, et la stabilisation acquise, on pourra commencer à essayer de tourner. Il suffit de légèrement fléchir votre jambe afin d’initier une rotation. Pour se déplacer vers l'avant, on incline légèrement les pieds vers le bas et inversement pour se déplacer en arrière. Une fois ces mouvements de base acquis, on peut commencer à utiliser le Flyboard pour se déplacer et esquisser quelques figures telles que le 360. Les plus téméraires pourront même s’essayer à tenter des loopings avant ou arrière. Certains utilisent le Flyboard pour se plonger sous l’eau en alternant des phases dans les airs et des phases sous-marines. La pratique est ouverte à tous à partir de 16 ans. Un second prérequis pour s’y essayer est de savoir nager. Il est très important d’être accompagné par des professionnels pour faire du Flyboard. Il est conseillé de passer par une structure afin de profiter des conseils d’un moniteur diplômé. On en trouvera forcément une pas loin de chez soi ou de son lieu de vacances, surtout en station balnéaire. On commencera par un petit briefing autour du fonctionnement de l'engin et de la sécurité. Équipé d'un casque et d'un gilet de sauvetage, le moniteur emmènera par la suite le pratiquant sur le spot histoire de l'éloigner de la foule. Après s'être assurés d'une profondeur d'eau assez importante en cas de chute, c'est l'heure de pratiquer.
Les Principes Fondamentaux de la Physique Appliqués au Flyboard
Si vous avez oublié vos cours de physique au lycée, le principe du Flyboard repose sur la mécanique des forces. L'eau projetée à haut débit sous les pieds va engendrer une force contraire vers le haut qui fait s'envoler l'ensemble. C'est ici que les lois fondamentales de la physique prennent tout leur sens.
La Mécanique des Forces et les Lois de Newton
Ce chapitre constitue une introduction importante à la mécanique newtonienne ; il présente les notions d’action mécanique et de force s’exerçant sur un système mécanique. Dans un premier temps, nous définirons les différentes actions mécaniques et la notion de force. Puis nous énoncerons la troisième loi de Newton, l’une des trois lois à la base de la mécanique newtonienne que nous illustrerons avec un exemple concret.
Actions Mécaniques et Forces
Un système est l’objet ou l’ensemble des objets étudiés. Un système peut être une partie de l'univers, un atome, un être humain qui marche ou encore un parc. Une action est dite mécanique lorsqu’un objet agit sur un autre objet. Dans un système, nous étudions les objets et les interactions entre eux. L’action mécanique n’est pas directement saisissable et mesurable en tant que telle, mais ses effets peuvent être observés et quantifiés par des forces. Le physicien Isaac Newton énonce, dans son ouvrage Philosophiae naturalis principia mathematica en 1687, les lois du mouvement qui sont la pierre angulaire de la mécanique classique.
Le Principe des Actions Réciproques (Troisième Loi de Newton)
Le fonctionnement du Flyboard est une excellente illustration de la troisième loi de Newton, aussi appelée principe des actions réciproques. Cette loi stipule que toute action d’un objet A sur un objet B implique la réaction de l’objet B sur l’objet A. Autrement dit, les forces d’interaction entre deux corps sont toujours égales en intensité, de sens opposé, et agissent sur des corps différents. Le principe des actions réciproques est appliqué ici, par exemple, entre l’objet $A$ de masse $\text{m}A$, et l’objet $B$ de masse $\text{m}B$. Pour mieux comprendre, considérons une nageuse qui se propulse sous l’eau en prenant appui sur le bord d’une piscine. Arrivée au bord de la piscine, la nageuse s’appuie fortement, à l’aide de ses pieds, sur le mur de la piscine pour repartir plus rapidement dans le sens opposé. Quand la nageuse prend appui sur le mur de la piscine avec ses pieds, elle exerce sur le mur une force $\vec{F}_{\text{pieds/mur}}$, perpendiculaire à la paroi et de sens opposé au mouvement qu’elle va débuter. Le mur exerce alors une force égale et opposée sur la nageuse, la propulsant. De même, la pression de la turbine ne dépend pas du poids du nageur, puisqu'il s'agit d'un système à réaction. La turbine propulse de l'eau vers le bas, et en réaction, une force équivalente est exercée vers le haut sur l'appareil et le pilote.
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Gravitation et Poids
Outre la force de propulsion, d'autres forces fondamentales agissent sur le système Flyboard et son pilote. Nous savons que la Terre exerce une action mécanique sur tous les corps situés dans son environnement. La gravitation est une interaction qui s’exprime par l’attraction mutuelle de deux corps $A$ et $B$ l’un sur l’autre. Leurs masses sont respectivement $mA$ et $mB$ et ils sont distants de $d$. On considère deux corps ponctuels $A$ et $B$ de masses respectives $\text{m}A$ et $\text{m}B$ et distants de $d$. L’interaction entre ces deux corps est modélisée par des forces d’attraction gravitationnelle, $\vec F{A/B}$ et $\vec F{B/A}$. Le poids d’un objet se trouvant à la surface de la Terre (ou d’une autre planète) est ainsi égal à la force de gravitation exercée par la planète sur l’objet, soit $\vec P= \vec{\text{G}}_{\text{planète/objet}}$. $\vec P$ s’applique au centre de gravité de l’objet, et il est de même direction et de même sens que $\vec g$ : vertical et orienté vers le centre de la Terre. Nous savons que la force de gravitation dépend de la masse des objets étudiés et de la distance entre les centres de gravité de ces corps en interaction. Mais le poids d’un objet, quant à lui, dépend de sa masse mais également de l’astre sur lequel il se situe. Pour le Flyboard en vol stationnaire, la force de poussée générée par les jets d'eau doit précisément équilibrer ce poids. Un cascadeur utilise un Flyboard. La masse totale du système {cascadeur + Flyboard} est de 130 kg. On suppose que la force de poussée nécessaire pour maintenir ce système en équilibre a pour norme F = 1,84×10³ N. Ce système ne tombe pas parce que les forces qui s'exercent sur lui s'équilibrent, en l'occurrence la poussée du jet d'eau et le poids.
Débit, Pression, Vitesse : Le Cœur de la Propulsion
Le secret de la sustentation du Flyboard réside dans la manipulation des propriétés physiques de l'eau. Est-ce que c'est seulement le débit qui compte ? La réponse est plus nuancée et implique les relations entre le débit, la section de sortie et la vitesse du fluide, ainsi que la pression générée.
Relation entre Débit, Section, Vitesse et Pression
Admettons que l'appareil fait sortir un débit d'1 litre par seconde avec une section S. Si la section de sortie est divisée par 2 ou 3, la vitesse de l'eau sera multipliée par 2 ou 3 et la pression de l'eau sortant de l'appareil va être multipliée par 4 ou 9, selon que la section de sortie sera divisée par 2 ou 3. Et l'énergie dont disposera l'homme volant augmentera dans les mêmes proportions (4 ou 9). Cela illustre l'importance cruciale de la conception des buses de sortie pour maximiser l'efficacité de la propulsion. Plus la section de sortie est petite pour un débit donné, plus la vitesse d'éjection et la pression résultante sont élevées, fournissant ainsi une force de réaction plus importante pour la sustentation.
Évaluation de la Vitesse d'Éjection et de la Puissance
L'analyse de la mécanique du Flyboard inclut l'évaluation de la vitesse d'éjection de l'eau et de la puissance de la turbine. Ces calculs sont essentiels pour comprendre les performances de l'appareil. Le Flyboard est alimenté en eau par la turbine du jet-ski, et l'évaluation de la puissance de cette turbine, souvent exprimée en chevaux (1 cheval = 736 watts), est une étape clé pour les ingénieurs. On peut également comparer les vitesses d'éjection des Flyboards à air et à eau, en supposant que les jets ont la même section, pour comprendre les différences fondamentales entre ces deux systèmes de propulsion. La modélisation de ces phénomènes, comme le montrent certains exercices pédagogiques, est fondamentale pour appréhender le principe physique de fonctionnement du Flyboard.
Forces Exercées et Stabilité (Comparaison avec le Dorsal)
La façon dont les forces sont appliquées sur le Flyboard est déterminante pour la stabilité du pilote. Je veux dire qu'il y a une force verticale due au jet d'eau, mais cette dernière est répartie en deux, du fait qu'il y a deux buses de sortie d'eau, une à droite et l'autre à gauche. Sur le rapport - un lien ci-dessous - l'auteur du rapport indique les forces exercées sur la planche (figure n°7 d'un Flyboard), où il a dessiné deux forces (2F VECTEURS). Normalement des deux forces égales sont exercées une de chaque côté, ce qui pose la question de pourquoi 2F est utilisé dans la notation vectorielle pour représenter la somme de ces deux forces. Le moment en C de 2F est nul comme le moment en C des forces F en A et B si C est le point central de symétrie entre A et B, impliquant un équilibre des moments de rotation autour de cet axe.
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Application des Forces et Rotation
Les documents envoyés concernant d'autres matériels tel que le dorsal et de ce fait, les forces exercées ne sont pas identiques car la source des forces n'est pas au même endroit. On est d'accord que les documents peuvent concerner le dorsal, mais les forces exercées sont les mêmes en intensité si la propulsion est équivalente. Cependant, le fait qu’elles ne s’appliquent pas au même point engendre des conséquences sur la rotation. Pour le Flyboard, on a une propulsion arrière instable d’où la présence des deux "mini" jets aux bras, qui aident à la stabilisation et à l'orientation du pilote. Ces petits jets permettent des ajustements précis en générant de faibles couples. En revanche, d'après la pub de jetlev, le centre de gravité se situe en-dessous des "nozzles", ce qui en fait un pendule et rend le système stable. Donc dans une première étude, type mécanique du point, les deux systèmes sont identiques et il y a déjà du travail pour comprendre les forces de base. Quand dans une deuxième étude on étudiera la rotation, on pourra s'inspirer des pages 8 et 9 de la documentation, car un TIPE est quand même un Travail Personnel et nécessite une recherche approfondie sur les aspects dynamiques et de stabilité. Le système est repéré par la position y de son centre de masse G sur l'axe (Oy) vertical et orienté vers le haut, ce qui est le cadre initial pour l'analyse des forces de translation.
Stabilité et Centre de Gravité
La stabilité d'un système volant est cruciale. Comme mentionné, si le centre de gravité se situe en-dessous des "nozzles", cela crée un effet de pendule qui tend à ramener le système à une position d'équilibre stable. Le Flyboard, avec ses jets sous les pieds du pilote, requiert une maîtrise active de l'équilibre par le pilote, ce qui explique la nécessité de la position particulière et de l'utilisation des bras pour se stabiliser. Cette interaction constante entre les forces de poussée et le maintien de l'équilibre par le corps du pilote est ce qui rend le Flyboard à la fois exigeant et gratifiant à maîtriser.
La Poussée d'Archimède : Un Concept Connexe mais Distinct
Bien que le Flyboard fonctionne principalement grâce à la force de réaction générée par l'éjection d'eau, il est important de distinguer ce mécanisme d'autres principes physiques, comme la poussée d'Archimède, qui est souvent étudiée dans le contexte des corps immergés dans des fluides.
Définition et Principe
La poussée d'Archimède est un phénomène physique qui décrit le comportement de tout corps plongé dans un fluide, qu'il soit liquide ou gazeux, soumis à un champ de gravité. Elle est nommée ainsi en l'honneur d'Archimède de Syracuse, un très grand scientifique grec de 200 avant J.-C. Elle est causée par l'augmentation de la pression du fluide avec la profondeur. Comme la pression exercée sur la partie basse du corps est supérieure à celle exercée sur la partie haute, le corps est poussé verticalement vers le haut. Voici la formulation d'origine de cette loi physique : tout corps plongé dans un fluide au repos, entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre, subit une force verticale, dirigée de bas en haut et opposée au poids du volume de fluide déplacé ; cette force est appelée poussée d'Archimède.
Conditions d'Application et Formule
Pour que le théorème s'applique, il faut que le fluide immergeant et le corps immergé soient au repos. Il faut également qu'il soit possible de remplacer le corps immergé par du fluide immergeant sans rompre l'équilibre. Voici l'équation qui en résulte : $PA = Mf \times g$, avec $M_f$ la masse du fluide contenu dans un volume V et déplacé, et $g$ la valeur du champ de pesanteur, de 9,81 N/kg à la surface de la Terre. Dans le contexte du Flyboard, lorsque le système {cascadeur + Flyboard} est dans l'eau, la poussée d'Archimède agit effectivement. Cependant, pour le Flyboard Air ou même le Flyboard hydropulsé une fois qu'il est hors de l'eau, les frottements de l'air et la poussée d'Archimède sont généralement négligés dans les calculs de propulsion en vol, car leur magnitude est bien inférieure à celle des forces propulsives ou du poids. Un fil exerce une action de contact sur un pendule, tandis qu'un support exerce une action de contact sur un système qui ne tombe pas ; cela génère une force de réaction, distincte de la poussée d'Archimède qui est une force volumique.
Exemples dans la Vie Courante
La poussée d'Archimède intervient dans de nombreux cas de notre vie de tous les jours. Par exemple, c'est la poussée d'Archimède qui fait qu'on ne coule pas lorsque l'on fait la planche sur l'eau. C'est aussi grâce à elle qu'un glaçon flotte à la surface d'un verre même lorsqu'il fond. La poussée d'Archimède est aussi très utile à de nombreux appareils flottant ou volant. C'est grâce à elle que les bateaux ne coulent pas et que les sous-marins peuvent gérer leur profondeur. Les ballons dirigeables et les montgolfières peuvent aussi voler dans le ciel grâce à la poussée d'Archimède et au gaz moins dense que l'air qu'ils contiennent. Pour le Flyboard, cette force est présente lors de l'immersion, mais elle est la force de réaction des jets d'eau qui prédomine pour la sustentation et le déplacement une fois hors de l'eau.
Le Concept de Vitesse en Physique
La vitesse est une grandeur physique qui est définie par une évolution face au temps. La vitesse ne définit pas qu'uniquement la vitesse de déplacement mais peut aussi correspondre à la vitesse de réaction chimique ou encore une vitesse de séchage par exemple. En règle générale, une vitesse est égale à la division de la mesure d'une variation telle qu'une longueur, un volume ou encore un poids par la mesure du temps écoulé au cours de cette variation. L'exemple le plus simple est celui de la vitesse de déplacement. Il s'agit d'une distance divisée par un temps comme les mètres par seconde ou les kilomètres par heure. En règle générale, une vitesse se calcule avec la formule suivante : $v = \frac{\Delta d}{\Delta t}$ (où $\Delta d$ est la variation de distance et $\Delta t$ est la variation de temps). Dans le système international (SI), la vitesse cinématique est le mètre par seconde et se note m/s ou m.s⁻¹. Dans le système usuel, on préférera le kilomètre par heure qui se note km/h ou km.h⁻¹. Dans la marine, on préférera le nœud, qui représente 0,5144 m/s. On trouvera même dans certains cas, dans l'aviation par exemple, le nombre de Mach. Mach 1 est égale à la vitesse du son. Attention, cette vitesse dépend de la température. Pour le Flyboard, la vitesse d'éjection de l'eau est une variable critique pour la génération de la poussée, et la vitesse de déplacement du pilote est la mesure directe de sa performance.
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