Principe de fonctionnement

Comme vous pouvez le voir sur les dessins ci-dessous, la palme est formée d'une succession de petites ailes. Ces ailes peuvent pivoter librement autour de leur axe, jusqu'à un certain angle, une butée les empêchant de se retourner complètement.

Comparaison avec une palme classique :

La représentation suivante permet de visualiser les forces exercées sur les voilures d'une palme classique, à gauche, et d'une palme à ailes, à droite :
- les flèches et zones rouges matérialisent les forces positives pour l'avancement du nageur ;
- les flèches et zones bleues, les forces négatives ;
- les cinq lignes bleu clair matérialisent la trajectoire instantanée du déplacement des palmes. Cette trajectoire est commune aux deux palmes pour faciliter la comparaison. On peut donc imaginer qu'il s'agit de deux nageurs avançant à la même vitesse et ayant le même rythme de palmage.



La palme classique est représentée dans sa phase de palmage la plus puissante. Cette phase ne représente généralement qu'environ 1/4 du cycle complet. Une autre phase de poussée existe, quand la jambe remonte, mais elle est moins efficace. C'est aussi pendant ce quart de cycle que la cheville subit le plus de contraintes car elle est en pleine extension.
La palme à ailes, en revanche, est dans une phase quelconque, comme elle se trouve pendant les 3/4 du cycle de palmage. (Les ailes étant, bien-sûr, inclinées "tête en haut" lorsque la jambe remonte)
Cette différence va permettre au nageur ayant une palme a ailes d'exercer sa traction plus régulièrement, et sur un temps nettement plus long. En plus du gain de performance qui en découle, le confort de la cheville s'en trouve grandement amélioré.

De plus, on voit nettement sur le dessin de la palme classique qu'une partie de la surface de sa voilure génère une force neutre ou inverse au sens d'avancement.
En revanche, pour la palme à ailes, la totalité des forces produites est dirigée vers l'avant.

Enfin, la répartition des forces sur une voilure de palme classique est directement liée à sa courbure. Si un nageur utilise une palme qui n'est pas assez dure par rapport à sa force physique, elle va se plier exagérément. Certes, les forces seront orientées plus favorablement (flèches rouges plus dirigées vers l'avant), mais elles seront surtout plus faibles. Le rendement sera alors amoindri. Inversement, une palme trop dure ne se pliera pas assez et les forces ne seront que très peu dirigées vers l'avant.
Pour la palme à ailes, que le nageur force peu ou beaucoup, les ailes seront toujours inclinées favorablement. Il n'y a pas de limite car le positionnement des ailes varie en fonction de la vitesse du nageur.

Le fonctionnement de l'aile de la palme étant basé sur le même principe qu'une aile d'avion, il est nécessaire, avant d'aller plus loin, d'avoir un minimum de connaissances en aérodynamique et aéronautique...

Petits rappels d'aérodynamique :

Lorsqu'une aile d'avion est inclinée, l'écoulement d'air autour de celle-ci se fait plus rapidement sur le dessus que sur le dessous. Les particules d'air se présentant en début d'aile ayant une distance plus grande à parcourir pour arriver à la fin. Cette différence de vitesse va engendrer une différence de pression d'une face à l'autre, créant ainsi une force ascendante.
Vous pouvez voir ce phénomène sur la figure ci-dessous. Il s'agit d'une vue en coupe d'une aile (son profil) en action. L'avion se déplaçant de droite à gauche :
- les courbes blanches matérialisent le flux des particules d'air arrivant sur l'aile ;
- la ligne bleu clair représente la trajectoire de l'aile ;
- les courbes de couleur, situées principalement sur l'avant, sont des isobares (lignes reliant tous les points de même pression, comme sur une carte IGN avec les hauteurs). Le rouge représentant des hautes pressions et les bleus des basses pressions, avec, comme intermédiaires, les couleurs présentées sur le petit graphique de droite ;
(Les zones, bleues sur le dessus et rouges sur le dessous, matérialisent l'écoulement contre l'aile.)



Grossièrement, les isobares du dessous sont rouges, indiquant des hautes pressions, et ceux du dessus sont principalement vert-jaune, indiquant des pressions plus faibles.

Les forces qui en résultent peuvent être matérialisées comme sur la figure suivante :
- les flèches rouges représentent les pressions, et les bleu foncé les dépressions ;
- la ligne bleue clair matérialise la trajectoire de l'aile ;
- la flèche jaune représente la force de poussée de l'avion (fournie par les réacteurs) ;



En additionnant toutes ces petites forces on obtient une force résultante, ici matérialisée par la flèche verte. Cette force s'exerce en un point appelé le centre de poussée, et est toujours perpendiculaire à la corde (ligne reliant l'avant à l'arrière de l'aile).
Ces forces sont directement liées au profil de l'aile, et ne sont pas fixes. Elles évoluent en fonction de l'inclinaison de l'aile. Pour voir ce qui se passe quand l'aile s'incline, retournez cliquer sur l'animation plus haut. Cela vous permettra de constater l'évolution des isobares. Si il y a modification des pressions, il y a modification des forces et donc le centre de poussée va également être modifié.
Plus l'aile est inclinée et plus le centre de poussée recule.

Tout ce qui a été décrit ci-dessus, dans l'air, est directement applicable dans l'eau. La seule différence majeure étant que l'eau est environ 830 fois plus dense que l'air. Les forces seront donc beaucoup plus importantes.

Comparaison avion / palme à ailes :

Au niveau des trajectoires :
Le schéma ci-dessous compare la trajectoire d'une aile d'avion et d'une aile de la palme d'un nageur lorsque tous deux (avion et nageur) avancent en ligne droite à vitesse constante :
- l'aile de la palme est en regard du repère (2), celle de l'avion du repère (1) ;
- le violet correspond à la trajectoire du nageur ou de l'avion ;
- le bleu clair représente les trajectoires respectives des ailes.



Les trajectoires de l'avion et de son aile sont confondues alors que la trajectoire de l'aile de la palme "zig-zag" de part et d'autre de celle du nageur.

Au niveau des forces :
Considérons une palme de test dont les ailes seraient fixées dans la position la plus favorable pour être utilisée uniquement sur la zone verte du schéma précédant. Les forces qui s'exerceraient, en comparaison avec celles d'une aile d'avion, sont représentées dans les figures suivantes :
- l'aile de la palme est représentée sur la droite ;
- les flèches rouges représentent la force de traction, les vertes celle de réaction (force résultante, appliquée au centre de poussée et décrite plus haut) ;
- les deux lignes bleu clair matérialisent les trajectoires respectives des ailes.



L'avion générant une force de traction sur l'aile dans le but de s'élever, la force de réaction doit donc être dirigée vers le haut. Ceci est vrai lorsque l'aile est plus inclinée que sa trajectoire (comme cela est représenté sur le dessin).
Pour la palme, on a besoin que la force de réaction soit dirigée vers l'avant (pour faire avancer le nageur). Pour ce faire, il est nécessaire que l'aile soit moins inclinée que sa trajectoire.

Afin que notre palme de test puisse être utilisée sur l'ensemble de la trajectoire représentée sur le schéma (et non plus, uniquement dans la zone verte), il faut la modifier. On peut, par exemple, fixer l'aile sur un axe de façon à ce qu'elle puisse tourner librement. Puis, on ajoute une butée permettant de stopper sa rotation dans la position exacte du schéma ci-dessus (pour la phase montante), et une autre pour la position inverse (pour la phase descendante). Cette palme aurait alors un rendement optimum pour l'ensemble de la trajectoire. Ce qui correspond à une vitesse de déplacement du nageur donnée.

Evolution :

La vitesse de déplacement d'un nageur n'étant pratiquement jamais constante, il est nécessaire d'aller encore plus loin.
Un nageur, partant arrêté et accélérant progressivement, induit la trajectoire suivante :
(Pour améliorer la visibilité, la trajectoire a été coupée et représentée sur deux lignes.)



Avec cette trajectoire, notre palme de test avec butées n'aurait qu'une seule zone de fonctionnement optimale, matérialisée de nouveau en vert. Pour qu'une aile ait un rendement optimum quelle que soit la vitesse du nageur, il est nécessaire qu'elle se positionne comme cela est matérialisé en gris sur le schéma ci-dessus. Il faut donc que son inclinaison soit constante par rapport à sa trajectoire. Ceci pour chaque demi-période du palmage.
Pour arriver à cela, l'aile sera fixée sur l'axe, légèrement en arrière du centre de poussée. Ce principe est représenté sur la figure ci-dessous :
- les points rouges représentent le centre de l'axe ;
- les flèches rouges, la force de traction exercée par le pied ;
- les points verts, le centre de poussée ;
- les flèches vertes, la force de réaction ;
- les lignes bleu clair, la trajectoire de l'aile ;
- les lignes grises, la corde le l'aile (prolongée à ses deux extrémités).



A gauche, l'aile est "au repos" aucune force n'est en action et on voit la matérialisation du point de traction (centre de l'axe) légèrement en arrière du centre de poussée.
Au milieu, il s'agit d'une aile au début de son déplacement, en phase montante du palmage. Elle est peu inclinée par rapport a sa trajectoire, le centre de poussée est donc encore en avant de l'axe. Les deux forces s'exerçant dans des directions opposées, cela va engendrer une rotation de l'aile, matérialisée par la flèche orange. L'angle d'inclinaison "α" va augmenter, induisant un recul du centre de poussée. Lorsque le centre de poussée est confondu avec le centre de l'axe (point de traction), la rotation s'arrête. Cette position d'équilibre est représentée sur le dessin de droite.

Lors de la phase descendante, le phénomène s'inverse. L'inclinaison de l'aile est donc constante par rapport à sa trajectoire dans chacune des deux phases du palmage.

L'angle "α" à l'équilibre dépend de la forme de l'aile (son profil) et du positionnement du centre de l'axe sur l'aile. Plus l'axe est en arrière, plus l'angle d'inclinaison sera élevé. Ceci est vrai jusqu'à la limite de décrochage de l'aile.

Un dernier élément à prendre en considération est que les ailes d'une même palme sont toutes indépendantes les unes des autres. Leur inclinaison "absolue"(inclinaison, non pas par rapport à leur trajectoire mais, par exemple, par rapport au fond de la piscine) est fonction de leur propre trajectoire. Les ailes proches du pied seront donc moins inclinées que celles du bout de la palme. En effet, pour une même vitesse d'avancement elles subissent une oscillation de plus faible amplitude.

Essai de représentation dynamique des forces :

La vidéo suivante représente dynamiquement l'évolution des forces lors d'un cycle de palmage (une phase montante et une descendante). Pour une meilleure compréhension :
- le mouvement de la palme n'est pas représenté (le corps reste fixe), seul le mouvement des ailes et du flux d'eau le sont ;
- la partie de l'aile située après le bout de l'axe est rendu transparente ;
- les deux flèches de force ont été déplacées en profondeur (uniquement) jusqu'au bout de l'axe. En réalité la bleue se trouverait au milieu de l'axe (donc cachée dans le corps) et la rouge approximativement au milieu de l'aile (donc un peu plus proche du corps).
Le nageur virtuel qui anime la palme se déplace de gauche à droite et sa fréquence de palmage est constante.



Pour mieux appréhender les différents mouvements, il est préférable de se focaliser sur une partie à la fois :
- Tout d'abord, la flèche bleu foncé, qui représente la force de réaction. Elle est à son maximum lorsque l'aile est en position d'équilibre, puis décroît au fur et à mesure que la force de traction diminue. Enfin, elle devient quasi nulle lors de l'inversion du mouvement de palmage, puis s'inverse pour la seconde phase. Elle est toujours perpendiculaire à la corde de l'aile.
On peut aussi remarquer la migration du centre de poussée (base de la flèche bleu foncé), qui est devant le centre de l'axe au repos, puis est confondu avec celui-ci en position d'équilibre.
- Ensuite, la flèche rouge, qui représente la force de traction dûe au mouvement du pied. Elle est indépendante des autres, et passe simplement d'un côté à l'autre.
- Enfin, la flèche verte, qui matérialise approximativement la vitesse de déplacement de l'aile, ainsi que sa trajectoire. On peut voir que la rotation engendrée par le déséquilibre des forces est stoppée lorsque l'aile arrive à une certaine inclinaison. L'aile ne peut pas dépasser cette position car si l'inclinaison augmente, le centre de poussée se retrouve en arrière de l'axe et le sens de rotation est alors inversé, ramenant l'aile dans sa position d'équilibre.