FORMULES de PHYSIQUE
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VENTS TERRESTRES
-vent terrestre
Les vents terrestres résultent du rayonnement solaire qui chauffe inégalement les masses d'air en divers lieux
Leur énergie globale annuelle consomme # 2.1021 Joules, soit # 0,2% de l'énergie solaire reçue
NOTIONS ANGULAIRES
-l'aire de vents est le schéma des distributions directionnelles des vents en un lieu
-la rose des vents détermine une zone de présence (ou provenance) d’un vent.
On découpe un cercle en 32 portions égales dont chacune est appelée "aire de vent" ou "quart" ou "rhumb" -ce mot s’écrivant parfois chez les marins "rumb", ou "rume" ou "rumbe"ou "rumo" en portuguais ou "rombo" en italien ou "rumbo" en espagnol-
Le rhumb vaut 0,196 radian ou 11°15 minutes ou 11°,25 c’est à dire 360°/ 32)
Chaque rayon délimitant ces zones sert à définir une orientation de vent et le total de ces rayons directionnels forme la Rose des vents (ou Aire des vents)
-angle de vol (en navigation aérienne)
C'est l'angle entre la direction du vol et celle du vent
NOTIONS ENERGETIQUES
-la pression du vent : la pression produite par un vent de vitesse v vaut
p = K.v².ρ'
où ρ' = masse volumique de l’air (soit 1,293. kg/m3)
K =coefficient atténuateur de discontinuité des filets d’air
Exemple pour un vent de 100 km/h (soit 28 m/s) la surpression est # 500 N/m² et pour 20 km/h (soit 5,6 m/s) la surpression est # 20 N/m²
-la dépression derrière un obstacle venté
Si un obstacle de forme régulière est inséré sur le trajet d’un vent, la pression diminue derrière
ps = pa - K.v²
avec ps(Pa)= pression derrière le sillage de l’obstacle
pa(Pa)= pression ambiante, à quelque distance de là
K(kg-m-3)= coefficient dimensionnel, dépendant de la forme de l’obstacle
-la force du vent
Cette notion de langage courant n'est cependant ni une force, ni même une vitesse
Elle est mesurée par une "échelle", purement numérique, correspondant à une mesure de plages de vitesses (relevées à 10 mètres au-dessus du sol )
Il existe 2 Echelles :
-Echelle de Beaufort (vieux repère anglais, encore en usage en Europe), allant de 1 à 12, avec correspondances approximatives ci-après :
-coefficient 3 (petite brise) = 3,4 à 5,3 m/s (soit 12 à 19 km/h) créant une pression de 20 N/m² (ou 2.10-2 kgf/cm²)
-coefficient 6 (vent frais) = 10 à 13,5 m/s (soit 38 à 48 km/h ) créant une pression de 80 N/m² (soit # 10-3 bar)
-coefficient 9 (fort coup de vent) = 20 à 24 m/s (soit 74 à 87 km/h avec pression de 250 N/m² (soit # 3.10-3 bar) Marche impossible contre le vent
-coefficient 12 (ouragan) = + de 33 m/s (soit + de 118 km/h) créant une pression d'au moins 500 N/m² (ou 5.10-3 kgf/cm² ou 0,005 bar) Objets de 20 kg emportés
-Echelle de Fujita, aux Etats Unis, allant de 0 (calme) à 5 (ouragan)
-le coefficient 0 (le mini) = 20 à 32 m/s (soit 70 à 116 km/h)
-le coefficient 5 (le maxi) = plus de de 200 km/h
-l'effet Magnus concerne la force du vent heurtant un obstacle
Exemple pour un cylindre régulier situé perpendiculairement à un vent de vitesse uniforme
F = ρ’.v.lh.lr².f
où F(N)= force normale au cylindre
ρ’(kg/m3)= masse volumique de l’air
v(m/s)= vitesse constante du vent
f(s-1)= fréquence de balayage du cylindre
lh(m)= hauteur du cylindre
lr(m)= rayon du cylindre
-éoliennes voir chapitre spécial
VENTS SPECIAUX
-vents thermiques
Il s'agit d'échanges atmosphériques de chaleur répondant à la formule :
p = (R* / S.F'C) ∫p1p2(K.♦T)(ν.dp)
où p(N/m²)= pression
R*(J/K)=constante des gaz parfaits
S(m²)= section du relevé
F'C(m/s)= facteur de Coriolis [qui est 2v.sinθ avec θ(rad) = latitude]
K(nombre)= coefficient atténuateur de discontinuité des filets d'air
♦(m-1)= opérateur nabla
ν(m²/s)= viscosité cinématique de l'air
p indicées(Pa)= pressions entre les 2 points de mesure
T(K)= température absolue
-cyclone (ou typhon)
Cas particulier de vent terrestre dont la forte puissance est déterminée par la formule classique
P = m.v² / 2t (énergie cinétique en une seconde, où m est la masse d'air et v la vitesse) Comme il n'est pas facile de déterminer m, on utilise une formule pragmatique donnant la puissance >>> P = K.v².n
avec K(nombre)= indice de force du cyclone , valant de 1011 à 1013 (selon que sa vitesse (v) va de 30 à 100 nœuds)
n est le nombre de périodes de 6 heures pendant lesquelles le typhon perdure.
On trouve ainsi des puissances variant de 1012 à 18 Watts