Approche théorique de l’aventure terrifiante et inimaginable du moulin à vent

Qui ne se souvient pas de cette vague description d’un lieu de La Manche et de cet homme à cheval qui se précipiterait plus tard dans un moulin à vent, le prenant pour un géant. Gustave Doré a contribué à perpétuer l’image du gentilhomme ingénieux transformé par un moulin grâce à sa gravure populaire, reproduit ad nauseam. Enfant, j’étais en proie à des doutes : la lame pouvait-elle frapper aussi fort lorsqu’elle fonctionnait ? Car en regardant l’illustration, l’impact a laissé Alonso Quijano et Rocinante en raccourci uniquement à la portée de Spider-Man. Todd McFarlane: Il lui suffisait de les habiller en torero. Si vous voyez de près un moulin à vent à pleine capacité, il semble que vous puissiez gagner un bon coup, mais à quel point ?

Le vent est de l’air en mouvement

Comme dirait le personnage Briser le mauvais Jesse Pinkman : “la science, salope !” Et cet air en mouvement peut être utilisé d’un point de vue mécanique. Si l’on considère un cylindre imaginaire de dix mètres de diamètre contenant de l’air se déplaçant à 25 km/h, la puissance éolienne dont il dispose est, en chiffres ronds, d’environ 20 chevaux (CV) ou 15 800 watts (W) ; C’est-à-dire similaire à celui d’une Seat 600 de la fin des années 50 ou une quarantaine d’ampoules de 40 W. Si le vent de ce même cylindre soufflait à 80 km/h, nous parlerions déjà d’environ 700 chevaux ou 520 000 watts, la puissance d’une supercar de type Lamborghini Murcielago ou d’environ treize mille ampoules de 40 watts. Cette différence importante est due au fait que l’énergie éolienne dépend de la vitesse du vent au cube, elle varie donc rapidement. Mais toute cette puissance n’est pas utilisable : pour que cela se produise, il faudrait que la vitesse de l’air après avoir traversé les pales de l’éolienne soit nulle ; Autrement dit, toute l’énergie cinétique du vent aurait été transformée en rotation des pales. Et vous savez ce qu’a dit Homer Simpson : « Dans cette maison, nous obéissons aux lois de la thermodynamique. » Comme l’a démontré le physicien Albert Betz, seulement un maximum d’environ 59 % de la puissance éolienne peut être utilisée (ce qu’on appelle la limite de Betz), ce qui se produit théoriquement lorsque les pales sont capables de réduire la vitesse du vent sous le vent à un tiers de la vitesse incidente. Maintenant que nous connaissons la puissance du vent, il ne reste plus qu’à en profiter.

Le moulin à vent de La Manche

Intuitivement, nous savons tous comment fonctionne un moulin à vent. En effet, les pales tournent par rapport à leur axe de rotation, un morceau de bois d’environ 60 ou 70 cm de diamètre appelé « axe du moulin », en raison des forces aérodynamiques qui se génèrent lorsqu’elles se trouvent dans un fluide en mouvement (l’air). . L’image emblématique des moulins à vent de La Mancha a quatre pales… et pourquoi quatre ? Les éoliennes les plus courantes ont été conçues avec trois pales, configuration considérée comme la plus efficace qui a été obtenue après une analyse technique mais aussi économique approfondie : à partir de certaines dimensions (certaines mesurent plus de 70 mètres de longueur), construire une blade extra est beaucoup plus cher tant sur le plan économique qu’en termes de mise en œuvre et de maintenance. La conception quadripale des moulins La Mancha répond à plusieurs questions pratiques issues de l’expérience (on parle d’il y a plus de quatre cents ans, oubliez les simulations informatiques). D’une part, les pales étaient réunies deux à deux avec une sorte d’anneau fixé à l’arbre. Assembler les quatre pales (ou même trois) en un seul anneau concentrait trop leur poids et mettait en danger la résistance de l’arbre et de l’anneau lui-même. Et d’autre part, placer un nombre impair de pales compliquait l’exécution et l’équilibre de l’ensemble, qui n’était pas fabriqué avec les contrôles exhaustifs actuels. De plus, si une autre paire de pales était prévue pour porter le nombre total à six, la section de l’arbre du broyeur en porte-à-faux serait plus longue (elle supporterait trois “anneaux” à deux pales), ce qui impliquerait plus de contraintes sur l’arbre qui rendraient le fonctionnement plus long. plus difficile (plus de diamètre du bois d’essieu, plus de friction, plus de poids).

L’axe de l’éolienne forme généralement un angle d’environ 15º avec l’horizontale, à la fois pour des raisons d’efficacité aérodynamique (le vent à basse altitude n’est pas complètement parallèle au sol en raison de sa rugosité) et de construction (de cette façon, le poids des pales peut être mieux équilibré). ). Propulsées par le vent, les pales constituées de bois et de lattes et recouvertes de toile se mettent à tourner, perdant une partie de l’énergie due au frottement de l’arbre avec la pierre de support, la “pierre bollega”, qui est graissée. Depuis le support sur la pierre, l’axe est déjà à l’intérieur du bâtiment. La roue catalina est encastrée dans l’axe du moulin, qui, comme son nom l’indique, agit de manière similaire au plateau d’un vélo, en engageant (sans chaîne, bien sûr) à la lanterne, une autre roue située sur une verticale. axe. La relation entre l’un et l’autre multiplie les tours par cinq. Autrement dit, pour chaque tour de lame, la lampe de poche en fait cinq : un développement difficile pour gravir le Tourmalet. Le fût de la lanterne est également fixé à l’une des proverbiales « roues du moulin », de gros disques de pierre mesurant six pieds de diamètre et pesant environ 1 200 kilos (comme pour la communion, allez), et c’est là qu’entre une roue mobile et un autre fixé, le miracle de la transformation du grain en farine s’opère.

L’image emblématique d’un moulin de La Mancha est constituée d’un grand cylindre de pierre blanchie à la chaux, couronné par un couvercle en bois d’où émergent les lames et un autre morceau de bois, appelé gouvernement, qui est ancré au sol et sert à orienter le moulin. moulin vers la mer. vent. Le couvercle conique, appelé capot, est conçu de manière à pouvoir tourner sur la structure en pierre. En tirant sur le volant, le capot, qui pèse plus de cinq tonnes (c’est pourquoi les parois du moulin ont environ un mètre et demi d’épaisseur), est déplacé lentement jusqu’à ce que les pales soient face au vent. Une fois mise en place, la direction est ancrée à quelques jalons fixes sur le terrain déjà préparé, puisque les vents dominants à l’emplacement de chaque moulin sont connus à l’avance. La forme cylindrique du corps principal du bâtiment a donc pour but de faciliter l’orientation du capuchon et de minimiser l’envol de l’axe du moulin. De plus, le pignon reste en prise avec la lampe de poche dans n’importe quelle position du capuchon. Tout est pensé.

Ces engrenages, points tournants et éléments en bois, pierre et toile exécutés de manière artisanale faisaient que, selon diverses études, sous un vent d’environ 25 km/h, les moulins à vent produisaient une puissance d’environ 20 CV (rappelez-vous, comme un 600 ), tandis que ses pales, longues de près de 8 mètres, effectueront environ douze tours par minute. Ces études concluent qu’environ 30 à 35 % de l’énergie éolienne est utilisée. A titre de comparaison, les éoliennes de dernière génération portent ce chiffre à 46%, à mi-chemin entre une éolienne de La Mancha et la limite de Betz.

Coup de lame de moulin à vent, danse de gentleman ingénieuse

Maintenant que nous connaissons approximativement la vitesse à laquelle tournent les pales (si elles tournent douze fois par minute et mesurent environ huit mètres, l’extrémité se déplace à environ 36 km/h), nous n’avons plus que le contexte. Si l’on continue dans la fiction, par exemple dans Les chevaliers du zodiaque, les chevaliers de bronze étaient capables de délivrer des frappes à la vitesse du son (environ 1 224 km/h), tandis que les chevaliers d’or vous faisaient regarder la constellation du Sagittaire délivrer des frappes à la vitesse de la lumière (environ 300 000 km/s). Pauvre Don Quichotte si le chevalier de Pégase tombe par hasard sur un météore. Ce sont des figures très éloignées des pales d’éoliennes. Passons à quelque chose de plus réel : les boxeurs. Si je vis du meilleur Mike Tyson S’il atteignait votre visage, il le ferait à environ 10 m/s ; Ce qui se passerait ensuite ne vous surprendra pas. Curieusement, 10 m/s équivaut à environ 36 km/h, la même chose que l’extrémité de notre pale, ce qui nous aide à bien nous situer. On estime que les coups de poing des boxeurs professionnels, entraînés pour transmettre une force maximale dans le coup de poing, équivalent à cinq fois leur propre poids. Si l’on prend en compte que le mâle de la lame pèse environ une tonne et demie, sans entrer dans une analyse physique approfondie, le coup pourrait être comparé à celui d’un Tyson qui pesait quinze fois plus que le mordeur d’oreille. Bref, on mangerait une hostie comme un château.

Dans Don Quichotte, on raconte que « portant une lance à la lame, le vent la tourna avec une telle fureur qu’il brisa la lance en morceaux, emportant avec lui le cheval et le chevalier, qui roulèrent très durement battus à travers le champ ». Allez, il n’y a pas eu d’impact direct en tant que tel. Si le bois le frappe, Cervantes aurait dû terminer l’histoire dans ledit chapitre VIII, soit parce qu’Alonso Quijano a plié la serviette, soit parce que le coup terrible lui a redonné la lucidité.