Golfeur - Principes d'aérodynamisme de la balle de golf

Les performances d'une balle de golf surpassent celles des balles de tous les autres sports. Mais qu'est-ce qui permet à la balle de golf de voler de cette façon ? En un mot, l'aérodynamisme. Les projectiles des autres sports poussent l'air, la balle de golf plane.

Il ne faut tout de même pas croire que toutes les grandes découvertes technologiques sont survenues après la découverte de la transformation du sable en microprocesseurs. Une des étapes importantes de l'évolution du golf est l'apparition de la balle «plumeuse», perfectionnée par les Hollandais, il y a cinq ou six cents ans suivant une technique consistant à bourrer l'équivalent d'un chapeau de plumes mouillées dans une petite pochette de cuir détrempée d'un pouce et demi. En séchant, les plumes se dilataient et le cuir rétrécissait pour donner une balle aussi dure que... disons, une balle de golf. Que de la peau et des plumes de volatile, mais tout de même un saut quantique, genre transistor de la balle de golf !

Puis, les «plumeuses» aux prix extravagants scellent leur destin avec l'apparition de la «gutta-percha» vers 1850. La nouvelle venue, créée à partir du latex d'un arbre de Malaisie, est non seulement durable et de prix abordable, mais également plus attrayante avec ses courbes lisses. Il demeure toutefois malheureux et inexplicable que ses performances ne rivalisent avec celles de la plumeuse. La balle plonge et vire de façon imprévisible, tombe considérablement plus vite que les vieux sacs de plumes.

On découvre finalement que plus une balle a de cicatrices, plus elle vole loin et droit. Les balles neuves sont martelées impitoyablement dès qu'elles sortent de leur boîte. Il aura fallu 400 ans pour comprendre que la plumeuse devait ses gracieuses envolées à ses hideuses sutures. L'aérodynamisme des balles de golf est découvert, quoique non compris.

Marteler chaque nouvelle balle s'avère inopportun, pour ne pas dire inconsistant. Ça ne prend pas un scientifique en aéronautique spatiale (chance considérant l'époque) pour figurer qu'il y a un avantage mercantile pour des balles prémartelées. Au tournant du siècle, la gutta est vendue sous toutes formes de rainures, sillons, ciselures ou bosselures sur la face externe. Ces concepts sont plus artistiques que scientifiques. La favorite, appelée ronce (bramble), comporte plusieurs bosses serrées.

En 1908, l'ingénieur anglais William Taylor fait breveter un concept avec des dépressions distribuées de façon régulière et circulaire sur la surface de la balle. Le brevet des alvéoles actuelles ! Contrairement aux autres configurations, elles se révèlent aussi aérodynamiques que cosmétiques, et monopoliseront le marché vers 1930.

Depuis, les alvéoles n'ont subi, tout compte fait, que de légères modifications et demeurent, sous une forme ou une autre, la norme.

Mais quel est le rôle de l'air?

Les forces aérodynamiques agissant sur une balle

Le golf étant un sport hautement technique et les scientifiques étant les explorateurs de la technologie, ce ne fut qu'une question de temps pour que les deux se rencontrent. D'un point de vue d'aérodynamisme, cela s'est passé au tournant du siècle, alors que le golf avait déjà quelques centaines d'années. La science de l'aérodynamisme, pour sa part, était toute récente. Tout prit forme en Écosse, lorsque le physicien Peter Guthrie Tait publia, en 1890, une série de feuillets scientifiques démontrant l'effet de l'air sur les distances exceptionnelles des balles de golf.

Intuitivement, on pourrait facilement croire le contraire. Après tout, est-ce que la résistance du vent ne ralentit pas la balle et la fait tomber, comme une roche, sur le plancher des vaches ?

Croyez-le ou pas, mais un coup de 230 verges dans l'atmosphère ne survolera que 160 verges sous vide. Comment cela se peut-il ? Étrangement, une balle de golf est semblable à une aile, et une aile ne peut voler sans air.

Avec la magie de l'aérodynamisme, une balle en virevoltant produit de la portance, permettant une suspension antigravitationnelle, de sorte qu'elle volera plus loin malgré la résistance du vent. Si l'air disparaît, la résistance disparaît, mais aussi la portance. Résultat ? Vous devriez sortir les gros outils pour une normale 3 moyenne (supposant que vous seriez capable de vous élancer avec votre combinaison spatiale).

Lorsque nous sortons la main par la fenêtre à 100 km/h (vitesse maximale permise au Québec), on constate aisément la force de l'air sur les objets. Les scientifiques divisent celle-ci en deux forces: la résistance, cherchant à ralentir l'objet et agissant dans le sens contraire du mouvement; et la portance, qui agit normalement vers le haut et à angle droit de la résistance.

Regarder une balle voler est, pour un profane, une expérience étonnante (on parle d'une balle de pro et non de la mienne, soit dit en passant). Elle reste suspendue dans les airs pour une incroyable période de temps, comme si elle était retenue par un champ de force. Elle vole deux fois plus loin que le meilleur coup de circuit. Tout cela, grâce à l'effet de portance de l'aérodynamisme ! Mais, d'où provient-elle ?

Personne ne confondrait une balle de golf et une aile de 747, mais c'est possible pour un tunnel de ventilation. En regard de l'air, ce sont deux éléments semblables. Lorsqu'une aile simple est dans un courant d'air et alignée dans le flot d'air, elle coupe l'air sans trop de bruit, et génère peu de portance. Toutefois, si elle est inclinée pour créer un angle d'attaque, alors des choses intéressantes commencent à se produire. Elle dévie le courant d'air vers le bas, générant une force verticale (selon le principe « Égalité de l'action et de la réaction » de Newton).

Une balle de golf peut sembler corpulente comparativement à une aile profilée, mais elle se comporte de la même façon dans un courant d'air. Elle pousse l'air en créant beaucoup de perturbation, sans générer de portance. Mais voici le coté merveilleux, ajouter un peu de rotation arrière (backspin) et la balle fera dévier l'air vers le bas en générant de la portance telle une aile à angle d'attaque.

Déplacez n'importe quel objet dans l'air et vous aurez une résistance. La majorité des objets volants (excluant les bâtons qui s'envolent à l'occasion) ont un profil aérodynamique naturel ou de conception, lui permettant de couper l'air avec un minimum de résistance. Une balle de golf doit être (devinez quoi...) une balle. Elle est destinée à être un frein à air plutôt qu'un couteau à air, c'est-à-dire générer beaucoup de résistance.

L'air frappe la face de la balle, créant une aire de haute pression, et se divise sur les cotés. Comme un adolescent dans une Camaro, elle va trop vite pour réussir à prendre le virage derrière la balle. Elle s'éloigne de la surface, laissant un creux de basse pression comme un bateau le fait avec l'eau. Cette combinaison de haute pression à l'avant et basse pression à l'arrière est la principale cause de résistance de la balle.

Cela semble désespéré, mais ce ne l'est pas. Il est difficile de contrôler un ado, mais on peut mettre de meilleurs pneus sur la voiture. La solution ? Des alvéoles. Lorsque la surface de la balle est couverte d'alvéoles, une fine couche d'air à proximité de la balle devient turbulente. Plutôt que de s'écouler de façon homogène et continue, l'air crée une zone microscopique de turbulence inconstante et aléatoire. Le côté positif: une zone de turbulence a de meilleurs pneus. Elle peut mieux suivre la courbure de la balle. Elle peut suivre le contour plus longtemps avant de se séparer, créant un plus petit sillon, et moins de résistance. En fait, une balle munie d'alvéoles génère la moitié moins de résistance qu'une balle lisse.

En combinant le mouvement de rotation, lequel fait dévier l'air et génère la portance, avec les alvéoles, qui amenuisent le sillon et abaissent la résistance, nous obtenons un flux d'air autour de la balle.

Des preuves, vous dites? Le professeur F. N. M. Brown, de l'Université Notre-Dame, était renommé pour ses travaux sur la visualisation des comportements de l'air par l'injection de filets de fumée dans un tunnel de ventilation.

Vous trouverez ci-contre une de ses photos illustrant une balle munie d'alvéoles et en rotation. Quoique la vitesse de rotation qu'il a utilisée est très faible comparativement à la norme du golf, on remarque la turbulence dans le courant d'air, et en particulier lorsque le sillon s'éloigne à l'arrière de la balle.

Mythes populaires

L'aérodynamisme au golf est un sujet technique aux croyances erronées (ou non-connaissance), non pas en raison d'un manque d'«experts», mais à cause d'un manque de réelle connaissance. La désinformation domine les écrits et les médias de communication, la publicité, et quelques fois les documents techniques tels que les brevets. Voici quelques-uns des mythes populaires et leurs réalités.

Mythe: Les alvéoles donnent de la "traction" à la balle dans l'air

Une sorte de pneu à neige ? Un mythe faisant appel au gros bon sens. Malheureusement, dans les faits lorsqu'une balle de golf se déplace dans l'atmosphère , une mince couche d'air colle à la paroi et est entraînée avec elle. Il n'y a pas de glissement entre l'objet et l'air. Donc, cette croyance relative à la traction est non fondée. Aucun glissement ne se produit, peu importe que la balle soit lisse ou non.

Mythe: Les alvéoles génèrent de la portance

Incroyable, mais vrai ! Une balle lisse ne fera qu'environ la moitié de la distance d'une balle avec des alvéoles. Comment cela se fait-il ? Plusieurs gourous des balles de golf vous expliqueront que c'est parce qu'une balle lisse ne génère pas de portance, mais B. Robins a démontré, il y a plus de 250 ans, la présence de force ascendante sur une balle de mousquet en rotation. Le facteur commun est la rotation et non pas les alvéoles. Les alvéoles auront, par contre, un impact sur la quantité et le sens des forces ascendantes, particulièrement à basse vitesse.

Force d'ascension sur balle lisse et munie d'alvéoles

Le schéma ci-dessus illustre les résultats pour des balles lisses et des balles munies d'alvéoles ayant une vitesse de rotation de 3000 rotations par minute. Les alvéoles améliorent la portance de la balle de golf, mais comme nous le verrons plus loin, c'est l'abaissement de la résistance qui donne le bon rendement.

Mythe: Les alvéoles augmentent la résistance

Résistance sur balle lisse et munie d'alvéoles

Faux. Tel que démontré précédemment, les alvéoles ne génèrent pas la portance, elles l'améliorent. Comme on l'a également vu, les alvéoles réduisent la résistance en créant une zone de turbulence et en réduisant le sillon à l'arrière de la balle. Le schéma ci-dessus illustre la résistance telle que mesurée, lors d'essais en tunnel de ventilation, pour chaque type de balle à différentes vitesses. En bref, la balle munie de alvéoles génère environ la moitié moins de résistance qu'une balle lisse.

Mythe: Les alvéoles larges et peu profondes font voler la balle plus haut

Cette notion est seulement à moitié fausse. L'important est la profondeur des alvéoles pour une balle à haute trajectoire. Des alvéoles peu profondes produiront normalement une balle volant plus haut, alors que de grandes alvéoles la feront voler plus bas.

Mythe: Plus d'alvéoles donnent plus de distance

Si cela était vrai, plusieurs milliers de petites alvéoles permettraient à chacun d'atteindre une normale 5 en un seul coup. Mais, nous avons appris précédemment qu'une balle lisse voyage moins loin qu'une balle avec des alvéoles. La vérité est que le nombre d'alvéoles n'est pas vraiment significatif. N'importe quel nombre entre 300 et 500 fera l'affaire ! C'est beaucoup plus important d'optimiser avec soin la dimension et la forme des alvéoles afin d'obtenir la portance et les facteurs de résistance souhaités.

Mythe: Les balles de golf perdent de la distance dans l'air humide

Une autre erreur de notre gros bon sens ! De fait, l'air humide est plus léger que l'air sec. La balle volera plus loin par temps humide, mais n'espérez pas surpasser John Daly pour autant, car l'avantage est minime. Dans le meilleur des cas, vous obtiendrez un gain de quelque 18 pouces.

Mythe: Mettre plus d'effet avant pour plus de distance

C'est totalement absurde pour deux raisons : D'abord, il est impossible de mettre plus d'effet avant autrement qu'en calottant la balle, et deuxièmement, même si c'était possible, le coup serait plus court avec un effet avant qu'avec un effet arrière. Avec l'effet avant, le mouvement de l'air est inversé et favorise la gravité qui s'efforce de faire tomber la balle. Elle volerait tout au plus le quart de la distance et atteindrait possiblement, même en roulant longtemps, pas plus de la moitié de la distance.

Mythe: Une balle de golf doit générer un maximum de portance et un minimum de résistance

Deviner quoi ? C'est une autre belle notion, mais encore fausse. Une balle bien conçue génère la meilleure proportion de portance et résistance pour avoir une belle trajectoire et le maximum de distance. La recherche aveugle d'un maximum de portance et d'un minimum de résistance se traduira par une balle ayant une propension à la hauteur. La perte de roulement découlant d'une trajectoire trop haute résulterait possiblement par une distance globale plus courte.

Pour les débutants tout comme pour les pros, l'envolée d'une balle bien frappée est de toute beauté, une merveille stimulant notre ego. Peu importe que nous ayons mal joué, peu importe le nombre de verts que nous avons quitté après trois coups roulés, ce sera toujours l'extraordinaire coup de départ qui nous incitera à revenir à nouveau. Si nous avons développé une dépendance au golf, les alvéoles en sont responsables. Sans elles, on se préoccuperait peu du golf.