Les Cerfs Volants

Projet MQ17 – A09 – Les Cerfs Volants
FRIEDRICH Pierre
MAATOUG Ahmed
MOTARD Alexandre
PEREZ Guillaume
A09-MQ17
Projet : Les Cerfs Volants
FRIEDRICH Pierre (GM01)
MAATOUG Ahmed (GM01)
MOTARD Alexandre (GM01)
PEREZ Guillaume (GM01)
Responsable :
Mr Nicolas BUIRON
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Projet MQ17 – A09 – Les Cerfs Volants
FRIEDRICH Pierre
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MOTARD Alexandre
PEREZ Guillaume
Sommaire :
I] Introduction
1.1 Etymologie et Historique: ......................................................................... 5
II] Aérodynamique
1.2 Aérodynamique du cerf volant: ................................................................. 8
1.2 Echelle de Beaufort ................................................................................. 11
III] Les cerfs volants de Traction
3.1Cahier des charges fonctionnelles de cerf volant de traction ................... 13
3.2 Solutions retenues : Cerf volant de traction ............................................ 20
3.2.1 Présentation de quelques fabricants de voiles de traction : ................................... 21
3.2.2 Les Fils ...................................................................................................................... 22
3.2.3 La voile : ................................................................................................................... 29
IV] Cerfs volants acrobatiques et de combats
4.1 Cahier Des Charges Fonctionnelles du cerf volant acrobatique ............... 36
4.2 Solutions retenues : Cerf volant Acrobatique et de combats ................... 42
4.2.1 Toiles ........................................................................................................................ 42
4.2.2 Les Coutures et fils ................................................................................................... 44
4.2.3 Les Armatures .......................................................................................................... 46
4.2.4 Les Lignes ................................................................................................................. 48
4.2.5 Structure et critères d’achats d’un cerf volant ........................................................ 49
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FRIEDRICH Pierre
MAATOUG Ahmed
MOTARD Alexandre
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Motivations
Dans le cadre de l’enseignement de l’UV MQ17, un projet bibliographique est prévu
et entre intégralement dans la notation. Nous avons choisis plusieurs sujets et c’est
donc celui des cerfs volants qui a été retenu. Ce sujet à fait partie de notre sélection
car il est d’une part pas anodin, et d’autre part il permet aussi de montrer les
différents aspects de ce qu’est un cerf volant, c'est-à-dire pas seulement un bout de
ficelle accroché à une toile au bord de la plage.
L’Histoire nous montre que les Hommes ont toujours été capables de comprendre un
minimum leur environnement pour tirer profit des ressources naturelles offertes. Les
cerfs-volants n’échappent pas à cette règle. En effet, ces derniers sont apparus très
tôt dans l’Histoire de l’humanité. Ils ont bien sur évolué au cours du temps. Ces
engins volants pilotables depuis la terre ferme ont profité du développement des
connaissances relatives aux propriétés des matériaux. Grace à cette connaissance
accrue, les cerfs-volants sont parfaitement adaptés au milieu dans lequel ils évoluent.
A travers ce rapport, nous avons voulu savoir quels étaient les matériaux utilisés dans
la fabrication de différents types de cerfs volants et pourquoi ils ont été préférés à
d’autres. Pour cela, nous commencerons par un bref historique qui laissera place à
quelques notions indispensables d’aérodynamique. Ensuite, nous attaquerons l’étude
(cahier des charges, plus choix des matériaux) de trois types de cerfs volants : Les
cerfs-volants de traction, les cerfs volants-acrobatiques ainsi que les cerfs-volants de
combat.
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Peinture chinoise illustrant l’apparition
des premiers cerfs volants
I] Introduction
Schéma d’un appareil Hargrave auquel a été ajouté deux
ailerons, commenté par Lucien Frantzen dans le n°7 du 1er
décembre 1913 du Bulletin mensuel intérieur de l’Union des
cerf-volistes de France.
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1.1 Etymologie et Historique:
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.
D'anciens textes chinois font remonter l'origine du cerf-volant au IVe siècle av. J.-C. Toutefois
ces textes étant très postérieurs à l'époque à laquelle ils font référence, il est impossible de
savoir précisément où et quand a été inventé le premier cerf-volant. Il est très probablement
l'invention d'un peuple de pêcheurs et navigateurs des îles d'Asie du Sud-est, des
populations expertes en l'art de fabriquer des fils, des voiles et d'utiliser le vent.
Les premières traces écrites sur les cerfs-volants datent d’environ 200 avant JC, quand le
général Chinois Han Hsin, de la dynastie Han, a fait voler un cerf-volant au-dessus des murs
d’une ville, pour mesurer à quelle distance son armée devrait percer un tunnel pour
traverser les défenses et atteindre la ville. La connaissance de cette distance permis à ses
troupes d’atteindre la ville victorieusement, tout en surprenant l’ennemi. La renommée du
cerf-volant a été propagée par les commerçants en provenance de Chine en Corée, en Asie
et en Inde. Chaque endroit a développé un style distinctif de cerf-volant et les a fait voler
selon sa culture.
Durant la dynastie Shilla de Corée vers l’an 600, le général Gim Yu-sin a reçu l’ordre de
combattre une révolte. Toutefois, ses troupes ont refusé de se battre. Selon la légende, ils
auraient vu un mauvais présage dans une grande étoile filante tombant du ciel. Pour
reprendre le contrôle, le général a utilisé un grand cerf-volant et l’a transformé en une boule
de feu dans le ciel. Les soldats, en voyant l’étoile de retour dans le ciel, se sont ralliés et
vaincu les rebelles. Au 7ème siècle, les moines bouddhistes ont amenés les cerfs-volants au
Japon. Très croyants, les japonais les ont utilisés pour éviter les mauvais esprits et assurer de
riches récoltes.
Le cerf-volant est devenu très populaire au Japon au cours de la période Edo (1600 à 1868).
Pour la première fois, le peuple japonais ne faisant pas partie de la classe des samouraïs est
autorisé à faire voler des cerfs-volants. Le gouvernement d’Edo (aujourd’hui Tokyo) Tente
alors en vain de dissuader sa population de pratiquer ce passe-temps, trouvant qu’un trop
grand nombre de personnes devient oublieux de son travail.
D’après une histoire, il y a environ 300 ans, un voleur aurait utilisé un grand cerf-volant pour
atteindre le toit du château de Nagoya dans le but de voler une statue en or, mais il n’a pu
en prendre que quelques petits morceaux.
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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 : c’est un cerf-volant
monofil équiper d’un fil tranchant et le but et de couper le fil de l’adversaire pour
gagner)

le cerf-volant acrobatique : exécution de figures, généralement avec des deltas ;

le cerf-volant de traction qui se distingue en deux catégories :
o terrestre : le char, le mountainboard tracté, le snowkite, le roller tracté, etc.
o marine : le kite surf, une planche (de surf à l’ origine) tractée par un cerfvolant.
Le cerf volant sert essentiellement a :
Météorologie
Loisire et
compétition
Phonographie
aérienne
Sauvetage en
mer
Cerf volant
Transmission
radio
Traction
d'embarcations
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II] Aérodynamique
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1.2 Aérodynamique du cerf volant:
La position du centre de poussée d'un cerf-volant est essentielle pour que la qualité de son
vol soit optimum (traction sur le fil de retenue et angle de vol stabilisé). On peut trouver
cette position en déplaçant le point de bridage (anneau sur lequel est fixé le fil de retenue)
vers l'arrière jusqu'à ce que le cerf-volant se mette à tanguer de gauche à droite. Certes, il
existe aucune équation pour définir ce centre de poussée car cela dépend des conditions de
vol (qualité du vent etc.).
Une fois encore, le vol d'un cerf-volant est régit par des forces impossibles à mettre en
équation (déformation de la structure et de la voilure en fonction de la force du vent, de
l'angle de vol, de la nature des matériaux utilisés, etc.). Alors, comment faire ? Observer
pour comprendre.
Observons et expérimentons quelques manipulations sur un cerf-volant de type Eddy
(losange), par exemple. Habituellement ce cerf-volant est bridé en deux points. Pour notre
expérience, nous allons successivement attacher une seule bride en plusieurs points situés
vers l'avant et vers l'arrière par rapport au croisement des baguettes de l'armature. Après
avoir attaché le fil de retenue au point le plus avant et une queue suffisamment longue pour
assurer un mouvement de balancier stabilisateur, nous allons tester en vol la recherche du
centre de poussée.
Le cerf-volant offre une surface qui résiste à l'écoulement de l'air. Une pression s'exerce sur
cette surface et l'air s'écoule tout autour. Il en résulte une poussée vers le haut. Si votre cerfvolant est parfaitement symétrique (cercle, carré...) le point d'équilibre des forces se trouve
théoriquement au centre de cette forme. Cela est très pratique quand vous réalisez des
trains de cerfs-volants. La corde de retenue passe alors par le centre de poussée de chaque
cerf-volant qui ainsi se règle automatiquement et indépendamment des autres situés audessus et au-dessous de lui.
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Si le point de bridage est décalé sur l'avant, l'air ne s'écoule plus vers l'arrière et la pression,
plus élevée au-dessus, fait basculer le cerf-volant vers l'avant. Celui-ci perd alors de son
assiette (position de vol stabilisée), l'écoulement de l'air agit sur l'avant de l'extrados et le
cerf-volant pique du nez, avant de s'écraser au sol.
Dans le cas contraire, si le point de bridage est décalé sur l'arrière, la pression s'exerce
principalement sur l'avant de l'intrados et cabre le cerf-volant qui refuse alors de monter. Le
centre de poussée est défini et réglé une fois pour toutes sur les cerfs-volants monofil, mais
un léger réglage permet de les rendre simplement plus ou moins tractant. Sur les appareils
acrobatiques à quatre fils, l'angle sera modifié au gré du pilote, non seulement vers le haut
et le bas, mais aussi latéralement. Quand les brides sont tirées asymétriquement de gauche
à droite, le cerf-volant se gauchit comme une hélice et peut prendre la direction souhaitée,
voire voler à l'envers.
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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 traînée et la
portance, lesquelles varient on fonction de l'incidence et de la pression du flux laminaire ou
relatif. Comme l'oiseau, le cerf-volant est plus lourd que l'air. Pour qu'il puisse voler, il faut
que l'air qui glisse sur lui développe une force supérieure à son propre poids.
Deux forces agissent sur votre cerf-volant:
• une force dirigée vers l'arrière, parallèle au vent, et qui s'oppose au mouvement : c'est la
traînée:
• une force perpendiculaire au vent, dirigée vers le haut : c'est la portance
• Les ailes d'un oiseau ou d'un avion sont, par leur profil, adaptées. Une traînée plus faible et
une portance plus grande, Une démarche similaire guidera la conception d'un cerf-volant,
sachant toutefois qu'aucune équation ne permet de vraiment prévoir le comportement
d'une construction de papier ou de tissu, aux surfaces changeantes.
- La trainée et la portance :
Ces notions sont des grandeurs très importantes. Elles modélisent sous forme de vecteur les
différentes forces exercées sur le profil.
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.
La trainée doit être toujours minimisée car elle est source de pertes. La trainée s’applique
aussi aux lignes du cerf volant. Plus les fils sont gros, plus leur trainée est importante, donc
plus ils ralentissent l’ensemble (ligne, cerf volant)
Schéma illustrant ce phénomène :
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1.2 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 la fameuse échelle de
Beaufort, qui nous permet ainsi d’avoir une idée plutôt réaliste de la force du vent
C’est en 1805 que fut créée la première règle précise et fiable pour mesurer la force du vent.
L’hydrographe irlandais, Francis Beaufort élabora une échelle d’après les effets des vents sur
les voiliers et les vagues. Avec le temps cette dernière intégra également des observations
effectuées sur la terre ferme. (Ses caractéristiques originales ont été modifiées en
1946)L’échelle de Beaufort, toujours utilisée de nos jours, comprend actuellement 12
graduations de force du vent, mais reste une échelle dite “ouverte”, comme l’échelle de
Richter, pour les séismes. Au-dessus de 10 les services météo lancent un avis de tempête.
ECHELLE DE BEAUFORT
Vitesse du vent
Etat de la mer
nœud
km/h
Force
Appellation
0
calme
1
1
1
très légère brise
1à3
1à5
2
légère brise
4à6
6 à 11
3
petite brise
7 à 10
12 à 19
4
jolie brise
11 à 16
20 à 28
5
bonne brise
17 à 21
29 à 38
6
vent frais
22 à 27
39 à 49
7
grand frais
28 à 33
50 à 61
8
coup de vent
fort coup de
vent
tempête
violente
tempête
34 à 40
62 à 74
41 à 47
75 à 88
48 à 55
89 à 102
9
10
11
12
ouragan
56 à 63 103 à 117
64 et
plus
118 et
plus
Effets à terre
La fumée monte
droit
La fumée indique la
Mer ridée
direction du vent
On sent le vent au
Vaguelettes
visage
Les drapeaux
Petits moutons
flottent
Nombreux moutons
Le sable s'envole
Les branches des
Vagues, embruns
pins s'agitent
Lames, crêtes d'écume Les fils électriques
étendues
sifflent
On peine à marcher
Lames déferlantes
contre le vent
Les crêtes des vagues
On ne marche plus
partent en tourbillon
contre le vent
d'écume
Mer d'huile, miroir
Les embruns
obscurcissent la vue, on
ne voit plus rien
Les enfants de
moins de 12 ans
volent
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III] Les cerfs volants de Traction
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3.1Cahier des charges fonctionnelles de cerf volant de traction
Intitulé de l’étude : Cerf volant de traction.
L’énoncé du besoin : le monde du cerf volant et le fait d’en faire un sport à part entière sont
de plus en plus considéré comme un moyen de s’évader et de se procurer un réel plaisir. Pour
cela il existe des possibilités classiques telles que le cerf volant à mono fil. Dans ce milieu on
recherche toujours à faire mieux, c’est pour cela que le cerf volant de traction a été développé
pour satisfaire des activités de sport « extrême » (kite surf, etc).
Le contexte : La présentation du cerf volant de traction rentre dans le cadre de notre projet
bibliographique de l’UV MQ17 intitulé les cerfs volants.
Le produit et son marché : Le cerf volant existe depuis des milliers d’années mais celui de
traction depuis une vingtaine d’années.
Objectif de l’étude : Faire le cahier des charges du cerf volant de traction et perspective des
choix des matériaux.
Expression fonctionnelle du besoin :
Bête à corne :
Sur quoi agit le système ?
A qui rend service le système ?
Dans quel but le système existe-t-il ?
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Contrôle de validité du besoin fondamental du système:
P- Pourquoi le système existe t-il ? (en termes de causes)
-satisfaire un besoin de sensation ; le cerf volant classique ne répondait plus aux
attentes ; la recherche d’innovations ; le cerf volant de traction a demandé de développer
une nouvelle conception de ce sport.
PQ –Pour Quoi le besoin existe t-il ? (en terme de but, de finalité)
- pour en faire un moyen de déplacement donnant lieu a plusieurs sports différents en
fonction des matériaux utilisés.
E –Le besoin du système est il amené à évoluer ?
- Oui si le sport est amené à évoluer en lui même dans sa façon de le pratiquer ou bien
si des matériaux innovants sont amenés à changer sa conception.
D- le besoin du système peut il disparaître ?
-disparition des fils et toile (improbable)
-disparition de ce sport (improbable)
Séquence de vie :
Repère
0
Séquence
Achat
1
Assemblage
2
Utilisation
3
Entretien / Maintenance
4
Recyclage / Destruction
Observation(s)
Pièces solides, légères, fonctionnelles,
flexibles, touche esthétique, sélection des
matériaux spécifiques à la future utilisation
du cerf volant
vérification que le cerf volant ne se
désassemble pas, vérification des pressions et
forces exercée dans le système pour qu’il n’y
ait pas des forces critiques, rupture ou fatigue
inutile.
Le pilote réussie à faire lever le cerf volant et
à se faire tracter, effort exercé sur le cerf
volant et sollicitation des matériaux.
Vérification de l’intégrité, Entretien fil-corps
du cerf volant et toile, remplacement
éventuel des pièces endommagées, possible
ajout de nouveaux matériaux.
Désassemblage du cerf volant, récupération
des matériaux susceptibles d’être recyclés.
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Recherche des fonctions de bases par séquence de vie :
Nous nous intéresserons uniquement aux séquences les plus importantes dans le
cadre de notre projet bibliographique de MQ17 sur les cers volants. Donc nous choisissions
les séquences suivantes : la séquence d’assemblage, la séquence d’utilisation et la séquence
d’entretien/maintenance.
Séquence installation :
Inventaire du milieu environnent : Assembleur(s), outil(s), toile, fils, air ambiant, lumière.
Fonctions principales :
FP11 - Permettre aux assembleurs de raccorder la toile du cerf volant aux fils avec les
outils.
Fonctions contraintes :
FC11 - respecter l’intégrité de l’assembleur.
FC12 - résister à l’air ambiant.
FC13 - résister a la lumière.
FP11
FC11
FC13
FC12
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Séquence utilisation :
Inventaire du milieu environnement : pilote, lumière, vent, pluie, surface d’appuie et ses
particules
Fonctions principales :
FP21 - permettre au pilote d’être tracter par le cerf volant.
Fonctions contrainte :
FC21 - respecter l’intégrité du pilote.
FC22 - résister au vent.
FC23 - résister à la pluie.
FC24 - résister à la lumière.
FC25 – Résister à la surface d’appuie et ses particules.
Séquence de maintenance :
Inventaire du milieu environnement : Réparateur, outil(s), lumière, air ambiant.
Fonctions principales :
FP31 - permettre au réparateur d’entretenir le cerf volant à l’aide d’outils.
Fonctions contrainte :
FC31 - respecter l’intégrité du réparateur.
FC32 - résister à l’air ambiant.
FC33 - résister à la lumière.
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Hiérarchisation des fonctions :
Nous avons hiérarchisé les fonctions selon la méthode du tri-croisé. Les indices vont
de 1 à 3 en ordre croissant d’importance. Par exemple si « permettre aux assembleurs de
raccorder le corps du cerf volant aux fils avec les outils » (FP12) est plus important que
« résister à la lumière » (FC13) alors on lui met un indice dans la partie supérieure du tableau
sinon on lui met l’indice dans la partie inférieure du tableau.
En conséquence, et après réflexion, nous avons choisi de traiter pour la partie
« caractérisation des fonctions », les fonctions « permettre au pilote d’être tracter par le
cerf volant » (FP21), « résister au vent » (FC22), « résister à la pluie » (FC23), « Résister à la
surface d’appuie et ses particules » (FC25) et « permettre au réparateur d’entretenir le cerf
volant à l’aide d’outils » (FP31) car elles nous ont paru les plus importantes et les plus
pertinentes quand à notre étude sur les matériaux.
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Caractérisation des fonctions :
Fonctions
FP21 - permettre au
pilote d’être tracter
par le cerf volant.
Critères
-Force à exercer par
l’utilisateur
Niveaux
Classe
- 10% de la force maxi du 60ème
%ile F
F1
F3
-Nombre de geste à
effectuer
-Amplitude du geste
- <5 gestes
- Adapté aux personnes allant du
5ème %ile F au 95ème %ile H
F1
F1
- <1kg
-Poids du cerf volant
FC22 - résister au vent - Résistance à la force du
vent
-Résistance de la toile
FC23 - résister à la
pluie.
-Résistance du fil
-Résistance au poids de
l’eau
- Résistance à la force de
la pluie
-Imperméabilité
-Résistance à la réaction
FC25 - Résister à la
surface d’appuie et ses de la surface d’appuie
particules.
-Etanchéité
FP31 - permettre au
réparateur d’entretenir
le cerf volant à l’aide
d’outils.
-Temps de travail
-Nombres d’outils à
utiliser
-50km/h
F2
-50 N
F1
-70 N
F1
- <1 N
F1
- 2 à 8 m/s.
F2
L’eau ne doit pas passer au
travers de la toile.
F1
-<1 kN
F1
-les particules ne doivent pas
traverser ou s’immiscer dans la
toile.
- <10 min
F1
-de 1 à 6
F2
F2
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Quelles perspectives pour le choix des matériaux ? :
Constitution du cerf volant de traction :
1. La voile :

Elément essentiel du cerf volant de traction, quel choix devons nous faire
pour satisfaire nos besoins ?

Quels choix semblent judicieux tant au niveau des matériaux utilisés que
pour le prix ?

Quelle est la composition des voiles, et pourquoi sont-elles ainsi ?

Les principaux constructeurs.
2. Les fils :

Elément décisif quant à la qualité du cerf volant, quels devront être les
matériaux susceptibles de supporter le souffle du vent ?

Quels matériaux peuvent apporter au cerf volant une grande durée de
vie ?
3. De lignes :

Elément essentiels pour sa survie en tant que sport ou plaisir, quelle
gamme de fils existe-t-il pour répondre aux attentes des cerf-volistes ?

Par des choix judicieux de matériaux, peut-on améliorer les propriétés
mécaniques tel que l’élasticité des fils ou autres ?

Quels traitements devront être faits pour garantir la qualité du cerf
volant ?
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3.2 Solutions retenues : Cerf volant de traction
Ces dernières années, nous avons assisté à un développement des activités de loisirs comme
le kite surf ou encore le kite buggy. Toutes ces activités sont basées sur l’utilisation de voiles
de traction. A travers ce rapport nous étudierons essentiellement les matériaux utilisés dans
la fabrication de ces voiles de tractions.
La grande famille des voiles de traction est constituée de trois types d’ailes différents :
 Les ailes à caissons. Ce premier type d’aile est dénué d’armatures rigides. La forme
est donnée par le bridage et dans une moindre mesure, par le tissu utilisé
 Les arches
 Les boudins. Ce type d’aile est particulièrement utilisé pour la traction marine
Ailes à caissons
Arches
Les boudins
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3.2.1 Présentation de quelques fabricants de voiles de traction :
a°) Ozone
Ozone est une entreprise anglaise œuvrant dans le parapente depuis 1990. Cette société est
réputée pour la qualité et la finition de ses produits. Ozone s’est considérablement
développé dans les années 2000 en surfant sur le développement d’activités de loisirs
comme le kit surf.
b°) GIN
A l’origine, la société Gin est spécialisée dans le développement de toiles de parapentes.
Depuis janvier 2007, l’activité « voiles de traction » est gérée par la société suisse, GIN
Kiteboarding.
c°) Peter Lynn
Peter Lynn est l’un des pionniers incontestables des voiles de traction à caissons depuis des
années. Cette société développe et commercialise des buggys, des voiles terrestres, des
planches…
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3.2.2 Les Fils
Inventaire des matériaux utilisés pour la réalisation de lignes de cerf -volant :
Aramides :




Polyéthylène HT :



Twaron
Technora
Super Aram
Kevlar
Spectra
Topline
Dyneema
Lignes de cerfs-volants
Polyester :
 Tergal
 Dacron
 Trevira
(C.V basiques car élasticité
moyenne)
Polyamide :

Nylon
(Trop élastique, réservé aux
C.V monofil)
Pour les cerfs-volants de traction, nous pouvons, pour réaliser les lignes, utiliser du
polypropylène, du polyester ou encore du nylon. Ici, nous avons fait le choix de nous
intéresser plus particulièrement à trois autres types de fibres considérées comme haut de
gamme : Les fibres polyamide (nylon), les fibres aramides (kevlar) et le polyéthylène HT
(Dynema).
Les fibres polyamides, les fibres aramides et le polyéthylène HT font partie de la grande
famille des polymères. Les polymères couvrent une vaste étendue de matériaux (matières
plastiques, caoutchoucs, colles, peintures, fibres textiles…). Dans les années 1920,
Staudinger (prix Nobel de chimie en 1953) introduit le concept de macromolécules. Ces
molécules géantes sont formées par la répétition du même motif : le monomère. Les
différents monomères d’une même macromolécule sont liés entre eux par des liaisons
covalentes ou de coordinence. Ensuite, Carothers développe la synthèse de macromolécules
linéaires pour la fabrication de fibres. Il fait réagir de petites molécules linéaires et forme
ainsi des enchainements linéaires réguliers d’éléments de structure identique. C’est ainsi
que naissent les fibres constituants les lignes de cerf-volant.
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3.2.2.1 Les fibres polyamides
Dès 1938 le polyamide 6-6 est commercialisé. Le polyamide 6-6 est plus connu sous le nom
de nylon. A la même époque, le polyamide 6 (perlonL) est développé en Allemagne. Les
polyamides présentent de très bonnes caractéristiques mécaniques : ils sont légers et
présentent une résistance à la traction très importante. En revanche, elles ont une élasticité
quasiment nulle. Les polyamides sont en réalité des polymères amorphes ou semi-cristallins.
La fonction amide est hydrophile. La reprise d’eau provoque une baisse de la température
de transition vitreuse, donc une diminution de la fragilité et du module. En plus de cela la
stabilité dimensionnelle est affectée. Les propriétés mécaniques explicitées dans la suite du
rapport sont supposées avoir été mesurée à sec et après 24 heures à 23°C dans une
atmosphère de 50% d’humidité relative.
Figure 1: représentation de la molécule à l'origine du nylon
3.2.2.2 Les fibres aramides
Aujourd’hui les lignes d’un cerf-volant de traction peuvent être constituées de fibres
aramides. Ces fibres ont une résistance comparable à celle d’un câble en acier. Sur un cerfvolant, les lignes sont donc gainées pour des raisons de sécurité. Dans la grande famille des
aramides utilisés pour les lignes de cerf-volant de traction, on retrouve, en outre :
 Kevlar 29 produit par Du Pont à Nemours
 Twaron 1000 de Akzo
 Superaram HM50 de Cousin SA
Kevlar 29
Résistance à
la rupture 270
en traction
σR,
en
Kg/mm²
Densité
1,44
Twaron 1000
Superaram
HM50
Acier
270
310
200
1,44
1,39
7,86
23
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Les fibres sont rarement utilisées seules. Elles sont souvent agrémentées d’un enrobage,
d’un gainage ou d’un tressage.
Parmi les polyamides présentés dans les généralités, nous intéressons à un type de fibres
particulières, très utilisées dans les lignes de cerf-volant de traction : le kevlar. Le kevlar a fait
son apparition en 1966.
Etymologie :
« Aramide » est en réalité une contraction entre ARomatique et polyAMIDE. Les fibres
aramides sont désignées en chimie par PPD-T et sont constituées de filaments jaunes
continus d’une dizaine de microns de diamètre assemblés en fils.
Production de fibres aramides dans le monde :
Désignation commerciale
Société
Méta-aramide
Akzo (Pays-Bas)
Para-aramide
Site de production
Twaron
Pays-Bas
Dupont (Etats-Unis)
Nomex
Kevlar
Etats-Unis, U-K, Japon
Teijin (Japon)
Conex
Technora
Japon
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Procédés de fabrication:
Le Kevlar résulte d’une réaction de polymérisation conduisant à deux types de polymères
aramides (para-aramides et poly-aramides) suivant les réactifs utilisés.
 La première possibilité est de faire régir le paraphénylénediamine avec le chlorure de
terephtalyle dans un solvant organique suivant la réaction présentée ci-dessous. On
obtient alors un para-aramide :
 La deuxième possibilité est faire réagir le métaphénylènediamine avec le dichlorure
d’acide isophtalique dans un solvant organique suivant la réaction présentée cidessous. On obtient alors un méta-aramide.
Après cette première étape, le procédé de fabrication est commun. Le polymère obtenu est
dissout dans de l’acide sulfurique. Le polymère est ensuite extrudé dans une filière et filé.
Les filaments sont refroidis pas jet d’air. Ensuite, les étapes de fabrication s’enchainent :
lavage, séchage et bobinage.
Figure 2: procédé de fabrication des fibres aramides
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Suivant les différences de procédés de fabrication, on distingue trois types de fibres
particuliers répertoriées dans le tableau ci-dessous :
Désignation
Kevlar 29
Kevlar 49
Kevlar 149
Masse
volumique
g/𝐜𝐦𝟑
1,44
1,44
1,47
Tensile
Modulus
(GPa)
83
131
186
Tensile strengh
(GPa)
Tensile
elongation (%)
3,6
3,6-4,1
3,4
4,0
2,8
2,0
Caractéristiques mécaniques:
 Excellente résistance spécifique 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.
Autres propriétés : reprise d’humidité plus importante que celle des fibres de carbone et de
verre.
Bilan : avantages et inconvénients ayant un impact sur les câbles de cerf-volant de
traction:
Avantages
Très bonne résistance à la traction
Inconvénients
Très faible résistance à la compression
Module d’élasticité élevé
Reprise d’humidité importante : 4% environ
Excellent facteur d’amortissements des Faible adhérence avec les résines
vibrations
d’imprégnation
Faible densité
Usinage délicat des matériaux ainsi
renforcés
Excellente stabilité thermique :-70°C à 180°C
Bonne résistance à la fatigue
Prix intermédiaire (2 à 3 fois moins que celui
des fibres de carbone)
26
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3.2.2.3 Le polyéthylène HT (appellation commercia le: spectra,
dyneema)
topline,
Les lignes conçues en polyéthylène haute ténacité, sont aussi résistantes que les lignes en
aramides. En revanche, ces lignes ont une température de fusion inférieure aux lignes
construites à l’aide de fibre aramides. Ceci peut avoir sont importance si les lignes en
polyéthylène entre en contact avec des fibres aramides. Les fibres en polyéthylène sont donc
les plus fragiles.
L’élasticité d’une ligne en polyéthylène haute ténacité est d’environ 2%, ce qui est infime par
rapport au polyamide (15%). En revanche, cette différence d’élasticité ne se ressent pas avec
l’aramide qui a une élasticité de 4%.
Le polyéthylène appartient à la famille des thermoplastiques semi-cristallins, au même titre
que le nylon. Ces deux matériaux sont constitués de macromolécules linéaires pouvant se
ramifier. Les liaisons sont de type Van der Walls.
Le Spectra est diffusé aux US et Canada, son frère jumeau, le Dyneema est diffusé en Europe,
les deux possèdent des caractéristiques similaires. Ce sont tous les deux des polyéthylènes
de haut module d'élasticité.
Le dyneema a un module d'élasticité très important (= il est très résistant à l'étirement) mais
présente un phénomène de fluage : sous tension forte et constante, il se déforme et
s'allonge. C'est pour cela qu'il est généralement conseillé de procéder à un pré-étirage des
lignes pour éviter d'avoir à remesurer les lignes après quelques temps d'utilisation.
Le dyneema présente une bonne durée de vie : il résiste bien à la flexion, aux UV, à
l'abrasion et aux agressions chimiques (la plupart des acides et bases, mais pas à l'eau de
Javel).
Le Dyneema (et le Spectra) est de très loin le plus utilisé pour le bridage des voiles de
traction, ainsi que les lignes de puissance ou freins. Résistant aux agressions, il n'est pas
impératif qu'il soit gainé.
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Bilan sur les fils :
La rupture kilométrique correspond à la distance à partir de laquelle, la fibre considérée
casserait sous son propre poids.
PHT
Polyester
Polyamide
Aramide
(tueur de
ligne)
Elasticité
2%
10%
15%
4%
Résistance UV
Très bonne
Bonne
Moins bonne
Moyenne
Température de 120°C
fusion
260°C
220°C
400°C
Intérêts
des Bonne
propriétés
mécaniques
pour un CV
Acceptable
Très moyenne
Excellente
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3.2.3 La voile :
3.2.3.1 Polyester ou Nylon ?
Nous avons choisi de concentrer notre étude sur une aile à caisson. Deux matériaux peuvent
être utilisés : le polyester et le nylon. On utilise plus couramment le nylon
(« Ripstop Nylon»). Le choix du nylon est primordial. En effet, certains nylons se révèlent
trop élastiques pour des voiles de traction. La masse du matériau est également un
paramètre à prendre en compte. Il existe en effet du spi plus ou moins lourd. Plusieurs
marques fabriquent ce produit. En voici une liste non exhaustive :





Chikara (fabriqué par Toray)
Kitex (NCV, branche de Porcher),
AIRX (Bainbridge),
Polyant (Dimension Polyant)
Shikarex
Le tissu polyester est plus rarement utilisé. Il est moins élastique que le nylon mais un peu
moins solide. Le principal polyester présent sur le marché est l’Icarex. Son principal défaut
est d’être relativement cher.
Figure 3: rouleaux de nylon
29
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Quelques remarques :


Le tissu qui sert de voile subit une finition afin d’améliorer les caractéristiques
mécaniques de la voile (résistance à l’étirement diagonal). Cette finition se fait
généralement par enduction : on plonge le tissu dans un bain de polymères
judicieusement choisi. Ces polymères sont semblables à ceux utilisés pour les vernis.
Comme le montre l’illustration ci dessous, le restop permet d’éviter la propagation
de déchirures en cas d’amorce de déchirures. On appelle restop les tissus dont les
fibres sont tissées entre elles avec un angle de 90°.
Figure 4: ripstop
3.2.3.2 Fabrication des tissus
Processus de fabrication:
1. On amène les fibres de nylon à leur température de fusion (Tf=260°C).
2. Les fibres sont extrudées à travers une filière comportant des orifices fins et
calibrés (le nombre d’orifice correspond au nombre de filaments qui
composent le fil).
3. Les filaments sortant sont étirés jusqu’à quatre ou cinq fois leur longueur
initiale. On optimise ainsi les propriétés mécaniques du matériau.
4. Les fils subissent ensuite une torsion afin d’améliorer leurs propriétés
mécaniques.
5. Les fils subissent un encollage et sont mis sur support (bobines).
6. On procède au tissage
7. Obtention de la toile brute.
8. La toile est ensuite lessivée pour la débarrasser des impuretés liées à la
fabrication.
9. Enduction par une résine polyuréthane ou mélanine (polymérisée par UV).
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Ces différentes étapes sont synthétisées sur le schéma suivant :
Ce processus est très important puisqu’il permet d’influencer les caractéristiques finales du
tissu à savoir :




le poids
l'élasticité
la résistance à la rupture, au déchirement après amorce de déchirure, à la flexion
mais également la porosité
la résistance au temps et aux conditions extérieures
Nous allons maintenant nous intéresser à chacune des caractéristiques énoncées mise à part
le poids. En effet, les seules informations trouvées concernant le poids sont relatives aux
différentes unités dans lesquelles on peut l’exprimer.
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3.2.3.3 Caractéristiques d’un tissu
L’élasticité :
On parle de résistance à l’étirement pour un tissu et de module d’élasticité pour la fibre. Le
tissu de la voile de traction doit être le moins déformable possible. En effet, plus la voile se
déforme en contrainte et plus son comportement sera aléatoire. Les matériaux trop
élastiques sont donc inutilisables.
L’étirement est mesuré dans trois directions différentes : dans le sens de la longueur
(chaine), de la largeur (trame), et en biais à 45°. On peut observer les résultats sous forme de
graphique. Voici d’ailleurs un exemple :
Etirement tissu
Force exercée sur les échantillons
Interprétation :
La première partie est généralement linéaire et correspond à au domaine élastique du tissu :
si l'on reste dans cette partie linéaire, le tissu reprend sa forme originelle lorsque la tension
s'arrête. La limite élastique se situe vers 1% d'étirement. Au delà de la limite élastique, c'est
l'étirement plastique : la structure du tissu se déforme, selon les lignes de tensions
appliquées, de manière irréversible.
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La résistance à l'étirement d'un tissu dépend de nombreux paramètres :


Module d'élasticité de la fibre utilisée pour le tissage
Embuvage : l’embuvage est la différence entre la longueur occupée dans le tissage
par un fil (de chaîne ou de trame) et la longueur de celui-ci lorsqu'il est extrait du
tissu et tendu. Il s'exprime en pourcentage de la longueur occupée par le fil dans le
tissu (il est donc toujours supérieur à 100%).
Figure 5: Illustration de l'embuvage
Plus l'embuvage est important, plus, lors de la mise en tension, les fibres en se
tendant s'allongent. Cet effet se rajoute à l'élasticité propre des fibres utilisées.

Degrés de couverture : Pour réduire l'étirement en biais, les fabricants cherchent à
obtenir un tissage le plus dense possible (augmenter le degré de couverture).
Figure 6: Vue au microscope électronique à balayage de la structure très
dense d'un tissu Bainbridge.
Plus le tissage sera dense, moins l'étirement sera important, mais plus le tissu sera
cher. Les tissus moins chers, avec une densité de tissage moindre et une enduction
pour limiter leur porosité ont le désavantage de présenter un plus grand étirement.

Finition : En jouant soit sur la nature du produit utilisé, soit sur sa quantité, il est
possible d'améliorer la résistance à l'étirement. Ceci se fait au détriment de la
résistance au déchirement en bloquant les fibres les unes aux autres.
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Résistance en traction
La résistance en traction correspond à la force de traction appliquée au point de rupture
d'un tissu. Pour une fibre, on parle de ténacité. La résistance en traction n’est pas la même
chose que la résistance à l’étirement. En effet, un tissu ou une fibre peut être élastique et
avoir dans le même temps une bonne résistance à la traction.
Résistance au déchirement
On parle de résistance au déchirement pour un tissu. Cette résistance correspond à la force
nécessaire pour déchirer le tissu après amorce. Ce phénomène est complexe, il dépend de
beaucoup de paramètres. Toutefois, deux de ces paramètres sont prépondérants :


La ténacité de la fibre. Plus la ténacité de la fibre est importante et plus la
résistance au déchirement sera améliorée.
La fermeté de la finition. En améliorant la résistance à l’étirement, on diminue
la résistance au déchirement. En effet, on limite le mouvement des fibres les
une par rapport aux autres.
Plusieurs test normalisés étudient cette résistance au déchirement : à tension constante
(dynamomètre), au mouton pendulaire et test à éprouvettes trapézoïdales (qui semble
refléter le mieux les conditions réelles de déchirure).
Résistance à la flexion
La résistance à la flexion correspond à la perte de ténacité après pliage et dépliage d’une
fibre. On l’exprime en pourcentage de perte de ténacité après 60 cycles de pliage/dépliage.
La flexion d’une fibre apparaît à chaque fois que l’on range ou que l’on sort la voile de son
sac. Les fibres ayant une très faible élasticité, comme le kevlar, ont une résistance à la flexion
très faible. Le nylon et le polyester, ont en revanche une meilleure résistance à la flexion.
Porosité
La porosité est une grandeur physique s’exprimant en m²/min. Elle correspond au débit d’air
passant à travers une surface donnée de tissu. L’interprétation de cette grandeur est rendue
délicate, car elle dépend de la différence de pression entre la surface intérieure et extérieure
de la voile. Si l’on choisit un matériau trop poreux, on ne pourra pas maintenir une
différence de pression entre l’intérieur et l’extérieur de la voile. Ainsi, la voile se dégonflera.
En revanche, dans le cas contraire, (le débit d’air n’est pas suffisamment important), des
micros turbulences seront crées ce qui affectera la stabilité de la voile.
Sensibilité de la voile aux agents physique et chimique :
Les voiles de traction doivent faire face à l’agressivité du milieu dans lequel elles évoluent
(ex : ultra-violet, eau de mer ou encore sable). La résistance du tissu à l’abrasion et aux
agressions chimiques est donc primordiale. On remarquera que la résistance aux UV d’une
fibre correspond au nombre de mois au bout desquels la fibre a perdu 50% de sa ténacité
initiale.
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IV] Cerfs volants acrobatiques et de combats
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4.1 Cahier Des Charges Fonctionnelles du cerf volant acrobatique
Présentation générale
Intitulé de l’étude : Cerf volant Acrobatique.
L’énoncé du besoin : le monde du cerf volant et le fait d’en faire un sport à part entière sont
de plus en plus considéré comme un moyen de s’évader et de se procurer un réel plaisir.
Pour cela il existe des possibilités classiques telles que le cerf volant à mono fil. Dans ce
milieu on recherche toujours à faire mieux, c’est pour cela que le cerf volant acrobatique a
été développé pour s’épanouir autant dans le sport que dans le plaisir.
Le contexte : La présentation du cerf volant acrobatique et son étude sur les matériaux
rentre dans le cadre de notre projet bibliographique de l’UV MQ17 intitulé les cerfs volants.
Le produit et son marché : Le cerf volant existe depuis très longtemps mais l’acrobatique
seulement récemment.
Objectif de l’étude : Faire le cahier des charges du cerf volant acrobatique et perspective des
choix des matériaux.
Expression fonctionnelle du besoin :
Bête à corne :
A qui rend service le système ?
Sur quoi agit le système ?
Le pilote du cerf
volant
L’air
Cerf volant
acrobatique
Sport / Plaisir
Dans quel but le système existe-t-il ?
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Contrôle de validité du besoin fondamental du système :
P- Pourquoi le système existe t-il ? (en termes de causes)
-parce qu’il est apparu à la suite du cerf volant classique comme une innovation dans
son utilisation.
PQ –Pour Quoi le besoin existe t-il ? (en terme de but, de finalité)
- pour en faire un sport à part entière avec des particularités bien précises selon les
matériaux utilisés.
E –Le besoin du système est il amené à évoluer ?
- Oui si le sport est amené à évoluer en lui même dans sa façon de le pratiquer ou bien
si des matériaux innovants sont amenés à changer sa conception.
D- le besoin du système peut il disparaître ?
-disparition des fils (improbable)
-disparition de ce sport (improbable)
Séquence de vie :
Repère
0
Séquence
Achat
1
Assemblage des différentes
pièces
2
Utilisation :
3
Entretien / Maintenance
4
Recyclage / Destruction
Observation(s)
Pièces solides, légères, fonctionnelles, flexibles,
Touche esthétique, sélection des matériaux
spécifiques à la future utilisation du cerf volant
vérification que le cerf volant ne se
désassemble pas, vérification des pressions et
forces exercée dans le système pour qu’il n’y
ait pas des forces critiques, rupture ou fatigue
inutile.
Le pilote réussi à lever le cerf volant et effectue
les acrobaties et figures souhaitées, effort
exercé sur le cerf volant et sollicitation des
matériaux.
Vérification de l’intégrité, Entretien fil-corps du
cerf volant, remplacement éventuel des pièces
endommagées, possible ajout de nouveaux
matériaux.
Désassemblage du cerf volant, récupération
des matériaux susceptibles d’être recyclés.
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Recherche des fonctions de bases par séquence de vie :
Nous nous intéresserons uniquement aux séquences les plus importantes dans le
cadre de notre projet bibliographique de MQ17 sur les cers volants. Donc nous choisissions
les séquences suivantes : la séquence d’assemblage, la séquence d’utilisation et la séquence
d’entretien/maintenance.
Séquence installation :
Inventaire du milieu environnent : Assembleur(s), outil(s), corps cerf volant, fils, air
ambiant,
lumière.
Fonctions principales :
FP11 - Permettre aux assembleurs d’assembler le corps du cerf volant avec les outils.
FP12 - Permettre aux assembleurs de raccorder le corps du cerf volant aux fils avec les outils.
Fonctions contraintes :
FC11 - respecter l’intégrité de l’assembleur.
FC12 - résister à l’air ambiant.
FC13 - résister a la lumière.
Séquence utilisation :
Inventaire du milieu environnement : pilote, lumière, vent, pluie.
Fonctions principales :
FP21 - permettre au pilote d’utiliser le cerf volant.
Fonctions contrainte :
FC21 - respecter l’intégrité du pilote.
FC22 - résister au vent.
FC23 - résister à la pluie.
FC24 - résister à la lumière.
38
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Séquence de maintenance :
Inventaire du milieu environnement : Réparateur, outil(s), lumière, air ambiant.
Fonctions principales :
FP31 - permettre au réparateur d’entretenir le cerf volant à l’aide d’outils.
Fonctions contrainte :
FC31 - respecter l’intégrité du réparateur.
FC32 - résister à l’air ambiant.
FC33 - résister à la lumière.
Hiérarchisation des fonctions :
Nous avons hiérarchisé les fonctions selon la méthode du tri-croisé. Les indices vont
de 1 à 3 en ordre croissant d’importance. Par exemple si « permettre aux assembleurs de
raccorder le corps du cerf volant aux fils avec les outils » (FP12) est plus important que
« résister à la lumière » (FC13) alors on lui met un indice dans la partie supérieure du tableau
sinon on lui met l’indice dans la partie inférieure du tableau
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En conséquence, et après réflexion, nous avons choisi de traiter pour la partie
« caractérisation des fonctions », les fonctions « permettre au pilote d’utiliser le cerf
volant » (FP21), « résister au vent » (FC22), « résister à la pluie » (FC23) et « permettre au
réparateur d’entretenir le cerf volant à l’aide d’outils » (FP31) car elles nous ont paru les plus
importantes et les plus pertinentes quand à notre étude sur les matériaux.
Caractérisation des fonctions :
Fonctions
FP21 - permettre au
pilote d’utiliser le cerf
volant
Critères
- Force à exercer par
l’utilisateur
-Nombre de geste à
effectuer
-Amplitude du geste
FC22 - résister au vent
-Poids du cerf volant
-Résistance à la force du
vent
-Résistance de la toile
Niveaux
Classe
- 10% de la force maxi du 60ème
%ile F
- <5 gestes
- Adapté aux personnes allant
du 5ème %ile F au 95ème %ile H
- <1kg
F1
-50km/h
-50 N
-70 N
F2
F3
F1
F1
F1
F1
FC23 - résister à la
pluie.
-Résistance du fil
-Résistance au poids de
l’eau
-Résistance à la force de la
pluie
FP31 - permettre au
réparateur d’entretenir
le cerf volant à l’aide
d’outils.
-Imperméabilité
-Temps de travail
-Nombres d’outils à
utiliser
- <1 N
F1
- 2 à 8 m/s.
F2
L’eau ne doit pas passer au
travers de la toile.
F1
- <10 min
F2
-de 1 à 6
F2
40
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Quelles perspectives pour le choix des matériaux ? :
Constitution du cerf volant acrobatique :
4. La toile :


Elément essentiel du cerf volant, quel choix devons nous faire pour
satisfaire nos besoins ?
Quel est le bon compromis prix/qualité ?
5. Les coutures et fils :

Elément décisif quant à la qualité du cerf volant, quels devront être les
matériaux susceptibles de supporter le souffle du vent ?
Quels matériaux peuvent apporter au cerf volant une grande durée de vie ?
Existe-t-il différentes coutures pour différents types de cerfs volants ? Y a-til une influence sur la qualité recherchée ?


6. Les armatures :


Etant responsable en grande partie du poids du cerf volant, quels
matériaux seraient convenable pour l’alléger ?
Existe-t-il des matériaux aussi performants en termes de propriétés
similaires mais moins coûteux ?
7. De lignes :



Elément essentiels pour sa survie en tant que sport ou plaisir, quelle
gamme de fils existe-t-il pour répondre aux attentes des cerf-volistes ?
Par des choix judicieux de matériaux, peut-on améliorer les propriétés
mécaniques tel que l’élasticité des fils ou autres ?
Quels traitements devront être faits pour garantir la qualité du cerf
volant ?
41
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4.2 Solutions retenues : Cerf volant Acrobatique et de combats
« Jive » - Toile : Spinnaker – Architecture : Carbone
5/6mm – Lignes : 2*30m Dyneema
Les caractéristiques de ces deux types de cerfs volants sont proches car c’est en faisant
diverses figures que le combat de cerf volant à lieu. Les seules différences notables sont que
les fils constituant le cerf volant de combat subissent un traitement particulier les rendant
tranchant, afin de pouvoir couper les fils du cerf volant de l’adversaire, et que le cerf volant
de combat est historiquement exclusivement monofil. Nous pourrons donc mener
l’explication de la même manière pour les deux types de cerf volant, et expliquer dans la
partie correspondante, le traitement particulier des fils de combat.
Nous verrons donc dans cette partie l’ensemble des solutions retenues par les utilisateurs de
ces types de cerf volant, c'est-à-dire concernant les toiles, coutures, armatures et lignes, tout
en évaluant leur pertinence que ce soit en termes de cout, de qualité, etc.
4.2.1. Toiles
Un des éléments essentiel d’un cerf volant est sa voile. C’est elle qui sera responsable
de l’ensemble des forces qui s’exercent sur lui. Il est impossible de mettre en équation,
d’une manière générale, les forces qui s’exercent sur la voile mais on peut tout de même
évaluer pour des conditions données un ordre de grandeur de ces forces maximales.
Cependant, le choix des matériaux n’a pas été fait suite à une évaluation des contraintes
subies mais plutôt par divers essais, l’histoire ou l’expérience. En effet, la construction d’un
cerf volant ne suscite pas forcément une caractérisation très poussée. Certains matériaux
sont alors plus utilisés que d’autres et cela pour des raisons plus expérimentales et
historiques.
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4.2.1.1 La toile de Spi (Spinnaker)
C’est le matériau le plus utilisé en ce qui concerne les cerfs volant de haute qualité, donc les
cerfs volant acrobatiques. La toile de Spinnaker est un polyamide qui a subit divers
traitements après tissage comme la coloration ou encore le calandrage (Laminage de
polymères). Le Polyamide est un polymère découvert en 19361 (polyamide 6-6).
Le Polyamide PA, plus connus sous le nom de Nylon, est rapidement introduit dans
l’industrie textile ainsi que dans la fabrication de toile de parachutes. On distingue les
propriétés mécaniques suivantes (voir procédé de fabrication dans la partie voile de
traction) :
 Propriétés mécaniques satisfaisant les sollicitations dans le contexte du cerf
volant. Resistance à la fatigue dynamique et à l’usure
 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*
La toile de spi répond réellement aux
contraintes imposées par l’utilisation des cerfs
volants. Le seul élément qui pourra nuire à
l’utilisation est sa sensibilité aux liquides
puisqu’on peut facilement
imaginer une
utilisation au soleil, au bord de la plage. Une
chute dans l’eau est alors probable et peut
causer des dommages. Si en plus cette eau est
salée, on constate une détérioration de la toile.
Toiles de Spi
Malgré cette sensibilité aux liquides, la toile de spi reste le matériau de prédilection des cerfs
volants principalement pour son prix assez faible, sa légèreté et sa résistance mécanique à la
fatigue. On distingue aussi l’utilisation de Mylar, un polyester souvent utilisé avec le
spinnaker et ayant des propriétés similaires. D’une manière générale, on retrouve plusieurs
spis qui se différencient par leur tramage et leur densité (Voir Annexe X). Les plus connus
sont le Toray, le Karrington, le Ventex et l’Icarex P31, réputé pour sa qualité.
1
Société américaine DuPont (1927) sous la direction de Wallace Hume Carothers.
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4.2.1.2 Le Tyvek®
Beaucoup moins utilisé, le Tyvek est un matériau souvent appelé papier indéchirable. Tyvek
est d’ailleurs une marque déposée par le groupe DuPont, déjà cité précédemment, car il a
été découvert par Jim White, chercheur de cette entreprise, en 1955.
Le Tyvek est un textile non tissé, constitué de fibres de polyéthylène haute densité, d’une
épaisseur variant de 0,5 à 10 µm et liés de manière aléatoire par procédé thermique ou sous
pression. Il est souvent utilisé comme isolant dans l’industrie du bâtiment, pour des
vêtements jetables ainsi que pour des enveloppes ou couvertures protectrices. Le Tyvek est
alors très intéressant concernant les problèmes de corrosion.
Ce matériau, contrairement au spi, est insensible à un milieu aqueux mais il reste rarement
utilisé dans le contexte de cerf volant acrobatique puisqu’il constitue une durée de vie
limitée du fait de sa faible résistance mécanique. Même si certains concepteurs fabriquent
quelques cerfs volant en Tyvek, ce matériau est surtout utilisé dans les écoles.
D’un point de vue des caractéristiques mécaniques, les toiles vont êtres sollicitées en
traction de manière indirecte : En effet la force du vent va induire un effort répartit sur
l’ensemble de la toile, orthogonalement, pour l’étirer et contraindre les armatures et les
coutures. La toile n’entrera en plasticité au niveau des coutures que si celles-ci sont mal
faites. Nous allons donc voir les choix et caractéristiques des différentes coutures dans la
partie suivante.
4.2.2 Les Coutures et fils
Tout comme la toile, la qualité des coutures est décisive pour un cerf volant de qualité. Des
coutures bien réalisées permettront à l’ensemble de pouvoir supporter un souffle important
ainsi qu’une durée de vie importante. On distingue deux type de coutures : à plat ou à
l’anglaise. Les cerfs volants industriels utilisent soit intégralement la couture à plat, soit le
mélange des deux. A remarquer que les cerfs volants réalisés intégralement en couture
anglaise sont plus des cerfs volants bas de gamme. Les fils utilisés pour coudre sont en
polyester ou en Nylon.
3.2.2.1 Couture à plat et à l’anglaise
La couture à plat est très performante et ne nécessite pas forcément de matériel industriel.
Dans ce même principe de couture, on distingue trois méthodes : couture droite, en zig-zag
puis en zig-zag trois point.
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La couture droite n’est pas la méthode la plus
optimisée : elle offre une résistance moyenne.
En effet, ce qui va définir la résistance de la
couture est d’une part, le module de
cisaillement du fil de couture (important
devant la toile), et d’autre part la résistance
au matage de la toile.
Lorsqu’une toile va être sollicitée, la force
exercée par l’air va se répercuter en
cisaillement sur les fils, et en matage sur la
toile. On déduit donc que pour une couture
en zig-zag ou zig-zag trois points, la force est
répartie sur beaucoup plus de points (au
moins deux fois plus), donc le fils est moins
sollicitée.
Il est important de remarquer que l’espacement des points de coutures contribue
grandement à la résistance de la couture. Il est typiquement déconseillé d’espacer les trous
de moins de 3-4 mm. Si cet espacement n’est pas respecté, on à des concentrations de
contraintes au niveau des trous et plus les trous seront proches, plus les profils de
contraintes aux abords des trous se chevaucheront pour mener à la rupture de la toile.
La couture à l’anglaise est très intéressante pour la
fabrication industrielle car elle est rapide à mettre en
œuvre. Elle n’est pas forcément la plus appréciée des
amateurs car elle laisse des défauts comme des
bourrelets ou des plis inopportuns. Comme on le voit sur
l’image ci-contre, cette couture n’est pas forcément la
plus appropriée pour avoir une surface totalement
lisse et plane, contrairement à la précédente citée. En
termes de résistance, les fils sont sollicités en
Schéma de la couture à l’anglaise
cisaillement et en traction, ce qui n’est pas très grave
puisque les fils de nylon ou polyester résistent bien à cette sollicitation. Cependant on
observe pour la toile une certaine ouverture des trous de couture au fur et a mesure de
l’utilisation. C’est pourquoi ce type de couture est utilisé principalement pour des cerfs
volants monofil, ne devant pas supporter de vent trop important (beaufort 1 à 4).
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4.2.3 Les Armatures
Jusqu’ici, les éléments considérés ont un poids tout à fait convenable et il serait difficile de
faire plus léger tout en gardant une certaine cohésion de l’ensemble. Pour les armatures,
c’est un autre problème puisque c’est elles qui vont être responsable de la grande partie du
poids du cerf volant. On distingue encore plusieurs matériaux utilisés correspondant à un
certain type d’usage. On peut trouver des matériaux comme le Bambou et le Ramin, deux
bois particulièrement souples et résistants, mais il est rare de les utiliser en tant
qu’armatures de cerfs volants acrobatiques car ils ont une section irrégulière (concentration
de contrainte), assez grosse de manière générale (donc plus lourde) et pas pratique à
raccorder si on recherche vraiment un cerf volant de qualité.
Jusque dans les années 70, le bois gardera le quasi monopole des armatures, malgré
l’apparition de l’aluminium (zicral). L’apparition de la fibre de verre à bouleversé les
utilisations du bois même si celle était lourde et pas assez souple.
Les deux éléments les plus utilisés concernant les armatures de cerfs volants acrobatiques
sont principalement les fibres de carbone, puis parfois les fibres de verre. Ces dernières
peuvent se présenter sous forme de tubes, de Joncs (diamètre < 4mm) ou de barres.
Certains tubes sont en formes coniques pour permettre par le biais de la variation de
section, une rigidité plus importante au centre du cerf volant, là où la pression est la plus
importante. Nous allons voir dans la suite l’utilisation des deux fibres dans la conception de
cerfs volants acrobatiques.
4.2.3.1 La fibre de Carbone
La fibre de carbone est extrêmement légère
et rigide mais elle est cassante. C’est
pourquoi on l’utilise dans des cerfs volants
destinés aux sportifs et acrobates nécessitant
une maitrise de l’objet afin d’éviter tout choc
violent aux sols. Il faut remarquer que la fibre
de carbone se trouve en magasin spécialisé
et n’est pas forcément bon marché.
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La méthode de fabrication de la fibre la plus utilisée est l’oxydation de la pyrolyse de
polyacrylonitrile (PAN), un polymère utilisé dans la fabrication de nombreux matériaux
synthétiques. Lorsqu’on chauffe les chaînes de ce polymère, elles fusionnent pour former
une fibre souple composée de 93% à 95% de carbone et de 5 à 15µm de diamètre. Ces fibres
sont ensuite tressées, ce qui contribue à des propriétés mécanique très intéressantes.
Si on considère un tube ou une barre, la direction et la continuité de la texture des fibres
limite la présence de défauts donc de propagation de ceux-ci. Ces fibres sont incorporées
dans un matériau (liant) ayant des contraintes mécanique plus faible : On forme alors un
composite. Deux couples sont les plus utilisés :
- le Carbone/Epoxy
- le Carbone/Vimylester
Sachant que le Carbone/Vimylester est moins résistant que le Carbone/Epoxy, voici un
tableau donnant les ordres de grandeurs des caractéristiques mécanique du
Carbone/Epoxy :
Densité
(g.cm-3)
Carbone/Epoxy 1,6
Module de
Young E
(GPa)
120 - 140
Resistance a la
Compression
(MPa)
800 - 1300
Module de
Flexion
(GPa)
125
Resistance à
la flexion
(MPa)
1200
D’après le tableau, ces caractéristiques sont très intéressantes : on a bien un matériau léger,
avec une résistance en compression et en flexion très importante. De plus, la dimension des
barres est en moyenne entre 5 et 10 mm de diamètre. Tous ces avantages induisent
forcément un cout en moyenne supérieur aux autres types de matériaux possibles.
4.2.3.2 La fibre de Verre
Elle est peu utilisée dans le cas de cerfs volant acrobatiques car elle est plus lourde que le
bois. Il est vrai qu’on la trouve beaucoup plus souvent dans le contexte du cerf volant
monofil. Elle est cependant très résistante aux chocs et isolante.
Densité
(g.cm-3)
Type E
2,54
Module
Young
(GPa)
73
Type R
2,48
86
de Resistance a la
E Compression
(MPa)
1200
1300
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La fibre de type E est une fibre de verre borosilicatée : c’est un traitement qui lui permet par
exemple de supporter de très hautes températures mais surtout d’être élastique et de bien
supporter les chocs thermiques. La fibre de type R à elle un gros avantage qui est de résister
à la corrosion.
On conclura sur les armatures de cerfs volants en faisant un bref rappel historique. Nous
avons cité ici la fibre de verre, élément qui n’a au fond plus beaucoup sa place dans les cerfs
volants acrobatiques, car son apparition dans les années 70 à véritablement bouleversé
l’utilisation des matériaux habituels. Il est vrai qu’elle a certain avantages comme sa grande
résistance mais son poids fait toute la différence avec la fibre de carbone. Celle-ci est
véritablement le matériau utilisé pour les armatures aujourd’hui. Il a cependant le gros
défaut d’être assez rigide, on constate en effet que son module de Young est plus important
que pour la fibre de verre.
4.2.4. Les Lignes
Dernier élément essentiel de notre cerf volant, les lignes doivent répondre à certaines
attentes des cerf-volistes. Pour un adepte confirmé
réalisant des figures, les lignes seront telles que leurs
élasticité est moindre. En effet, le pilotage sera alors
plus sensible si les lignes ne s’allongent pas lors de
l’effort imposé. La plupart des lignes sont en Polyester,
polyéthylène (Dyneema®2) ou Nylon. Ces matériaux ont
un module de Young respectable (2 à 5 GPa) mais ont
surtout une déformation à rupture de 2 à 3%, ce qui est
très faible et très intéressant pour l’utilisateur.
Lignes 4 x 25m x 70kg – Matériau :
Dyneema – Prix : 35€
Différents traitements peuvent être effectués sur ces
lignes :
- Traitement de surface, qui consiste à appliquer une résine afin de permettre un
glissement des lignes lorsqu’elles rentrent en contact (ce qui arrive souvent lors de figures).
Ce traitement est primordial pour garder le contrôle du cerf volant, seul ou à plusieurs.
- Pour les utilisateurs pointus, les lignes sont pré-étirées. Il s’agit enfaite d’un contrôle
qualité fait par le fabricant. Pour une longueur donnée, les lignes vont être sollicitées en
traction afin de vérifier si pour une même charge, les lignes s’allongent de la même manière.
Lors de l’utilisation du cerf volant, les lignes s’allongent sous l’effet du vent et un
allongement inhomogène des lignes affecte grandement la stabilité et le pilotage de l’objet.
2
Fibre Polyéthylène résistante utilisée pour les sangles, cordes pour spéléologie ou escalade. Très implantée
sur le marché des lignes de cerfs volants.
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Le cerf volant de combat à eu pour le moment des caractéristiques proches de son
homologue acrobate, a noté que le cerf volant de combat est monofil. C’est donc dans les
lignes qu’il diffère puisque différents traitement particulier peuvent leur être appliqués.
Selon les régions et d’une manière historique, on trouve différentes lignes. Le traitement le
plus connu nous vient de l’Inde et du Pakistan où les fibres sont enduites de poudre de
verre3, ce qui rend la ligne dangereuse pour celle de l’adversaire. On a aussi pu trouver en
Afghanistan des lignes en acier, pas très performantes et surtout interdite après quelques
accidents sur des lignes électrifiées.
4.2.5 Structure et critère d’achat d’un cerf volant
Nous concluront cette partie sur les structures des différents cerfs volants cités, puis sur les
caractéristiques qui définissent un cerf volant.
Pour les cerfs volants acrobatiques, la structures est sensiblement toujours la même. Il s’agit
d’une aile en forme de V, renforcée sur l’horizontal (Voir photo ci-dessous). Les baguettes
sont reliées entre elles par le biais de raccords entre barres et/ou avec des tendeurs
(sandows) : le choix du matériau concernant les raccords n’est absolument pas décisif car
c’est plus une question de structure ou d’esthétisme que de poids.
D’une manière générale, on trouvera des raccords en aluminium ou en plastique permettant
d’assurer la tension de la voile (association éventuelle d’un sandow) et de protéger
l’extrémité des baguettes. La structure ci-dessous est la plus adéquate pour réaliser les
figures car elle peut pivoter sur l’horizontal assez facilement tout comme elle peut voler à
grande vitesse.
3
Composée principalement de SiO2 (65%) – Utilisée pour le grenaillage, le nettoyage et le polissage de surfaces
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On trouve par contre pour les cerfs volants de combats toute sorte de formes extravagantes
laissant place à l’imagination des créateurs :
Les critères de sélections d’un cerf volant vont être essentiellement liés aux matériaux
employés. Les éléments récurrents sont :
 Toile (matériau + densité)
 Armatures (matériau + densité + diamètre)
 Raccords (type, rarement matériau)
 Lignes (matériau + longueur + charge optimale de fonctionnement4)
 Poids (300g en moyenne)
 Gamme de vol (échelle Beaufort)
 Prix (Cerf Volant acrobatique : 90 à 160€)
4
Correspond à la charge d’utilisation des lignes. Grand vent : 100 à 130kg. Brise - coup de vent : 60 à 90kg.
Critère proportionnel au prix de la ligne
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Conclusion
A travers la réalisation de ce rapport nous nous sommes rendu compte que souvent
les mêmes matériaux sont utilisés pour les trois types de cerfs-volants étudiés. En
effet, la voile est réalisée en polyamide dans chacun des cas. Le polyamide a été
retenu car c’est le matériau présentant le meilleur compromis solidité/élasticité
(même si le polyéthylène est parfois utilisé). Ceci étant, même si le matériau utilisé à
la base est sensiblement le même, il existe une multitude de procédés (enduction…)
permettant de modifier les caractéristiques mécaniques d’une voile. Les coutures
jouent elles aussi un rôle primordial dans la réalisation de tous types de cerfs-volants.
C’est véritablement une science à part entière. Ensuite, les armatures caractérisent
un cerf volant acrobatique. Ce sont les armatures qui le distinguent d’un cerf volant
de traction. Le matériau principalement utilisé pour les armatures est la fibre de
carbone, et dans certains cas isolés la fibre de verre (la fibre de verre étant plus
lourde que le bois!). Enfin, les lignes des cerfs-volants de traction et les lignes de
cerfs-volants acrobatiques n’utilisent pas les mêmes matériaux. Ceci se comprend
aisément : en effet, la surface d’une voile de traction est bien plus importante que la
surface d’une voile acrobatique. Les matériaux utilisés dans le cas de la voile
acrobatique sont donc moins résistants à la traction. Dans le cadre de l’acrobatie, on
utilise des lignes en nylon (fibres polyamides), dans le cadre de la traction des fibres
en kevlar (fibres aramides). En revanche, dans les deux cas, les deux matériaux
présentent une élasticité faible afin de garantir une précision de pilotage maximum.
Cette étude nous a été très bénéfique car nous a permis de comprendre
véritablement les contraintes imposée lors d’un choix de matériau. Il est aussi
important de souligner que l’histoire joue un rôle très important dans le cas des cerfs
volants puisqu’il est véritablement à l’origine de beaucoup des résultats actuels. En
effet, On n’est absolument pas dans le contexte d’une nouveauté technologique à
laquelle il faut répondre, mais dans celui d’une constante amélioration des matériaux
choisis de manière historique.
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Sources :
Historique :


http://www.vibvib.fr/historique.html Site dédié à Félix PEAUCOU (18901980), recordman de France de cerf volant monté.
http://www.cerf-volants.com/histoire-du-cerf-volant-partie-1-chine-japon/
traitant des cerfs volant en général.
site
Aérodynamique :
 http://miztral.free.fr/miznet/commentcavole.htm Excellent site, étant à
l’origine de nombreux de nos articles suivant. Miztral est un Club Affilié FFVL
et une Ecole fédérale du nord de la France.
 http://www.akite3d.com/beaufort.htm Général sur les cerfs volants.
Descriptions techniques des matériaux utilisés :
 http://miztral.free.fr/ Déjà présenté ci-dessus.
 http://home.nordnet.fr/~jmillecamps/miznet/cielterre3.htm Site lié a Miztral
 http://fr.wikipedia.org/wiki/Cerf-volant
 http://pagesperso-orange.fr/vansnickt/constrcv/
Données Matériaux :
 http://fr.wikipedia.org/wiki/Module_de_Young
 http://www.goodfellow.com/ Vendeur de matériaux
 http://miztral.free.fr/miznet/
 http://www.mineralex.fr/poudre-de-verre.html Site de vente de produits
pour les traitements de surfaces et filtrants.
 http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/chimie-2/d/polyamide_2887/
Excellent site d’actualité scientifique.
Vendeur :



http://www.cerf-volant-combat.fr/vente-acheter-cerf-volant.php
http://www.ouragan-cerfvolant.fr/
http://www.lamaisonducerfvolant.com/Cerf-volant.asp?theme=4
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