31/01/10 Frédéric Bérard, Edouard Findling

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Expérience 1

Propriétés physiques de l’aile

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Objectifs de l’expérience :Hypothèse : les ailes permettent la sustentation dans l’air

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Mettre en évidence à l’aide d’un dispositif simple les propriétés physiques fondamentales des ailes, et montrer ainsi qu’elles ont en commun une fonction de sustentation dans l’air.

L’expérience se déroule en deux temps :

• il s’agit tout d’abord d’une étude aérodynamique effectuée sur une maquette d'aile d’avion en soufflerie. L’objectif est de montrer par les mesures des forces s’exerçant sur l’aile que celle-ci permet la sustentation dans l’air.

• il faut ensuite étendre les constatations faites pour les ailes d’avion aux ailes d’oiseau.

Cela se fera par le calcul (JavaFoil), des mesures étant malaisées.

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• Description du dispositif expérimental :

Nous disposons d’une aile, de forme simplifiée (en demi-goutte d’eau) que nous assimilerons à une aile d’avion.

Une balance permettra la mesure de la masse de l’aile, puis le calcul de son poids.

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Un manomètre, pour les mesures de la vitesse de l’air dans la veine.

Des dynamomètres, pour les mesures des forces

s’exerçant sur l’aile.

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Elément principal de notre dispositif, une soufflerie basse vitesse

Un diffuseur divergent permet un ralentissement progressif de l’air avant sa sortie de la soufflerie

Une maquette d’aile, placée dans la veine d’essai

Une veine d’essai (milieu hermétique, pression et température constante)

Un dynamomètre mesurant la résultante de la portance et du poids

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(dite subsonique) permet de recréer les conditions du vol.

Un dynamomètre permet de mesurer la traînée

Un ventilateur accélère l’écoulement de l’air à l’entrée de la soufflerie

Une série de filtres anti-turbulents (nids d’abeilles, grillages) assure un écoulement laminaire de l’air dans la veine d’essai

Un collecteur, partie convergente de la soufflerie, accélère progressivement l’écoulement de l’air jusqu'à obtenir la valeur recherchée dans la veine d’essai

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1) MESURES / DEFINITIONS

• Observations :

Dans le référentiel terrestre (assimilé à un référentiel galiléen dans le cadre de notre expérience), le centre de poussée de l’aile (centre d’inertie) est au repos. D’après la première loi de Newton, l’aile est donc un système pseudo-isolé.

D’après la définition d’un système pseudo-isolé, on peut affirmer que les actions de l’extérieur s’exerçant sur l’aile se compensent.

Nous avons répertorié 4 actions différentes de l’extérieur et effectué leurs mesures sur notre maquette, selon le protocole exposé précédemment.

L’expérience se déroule dans les C.N.T.P. (conditions normales de température et de pression). La veine d’essai est un milieu hermétique. L’écoulement de l’air y est laminaire (les particules d’air suivent des trajectoires rectilignes et parallèles).

Nous avons mesuré la vitesse de l’air dans la veine, d’une valeur de 8m.sˉ¹.

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Nous avons ensuite mesuré la masse m de l’aile, qui est de 252 g.

Pour le calcul du poids P, nous appliquons la formule P=m.g où l’intensité de la pesanteur g est égale à 9,8 N.kgˉ¹.

Nous trouvons P=2,5 N

Nous mesurons l’intensité de la traînée Fx à l’aide d’un dynamomètre.

Nous trouvons Fx=0,8 N

Nous mesurons l’intensité de la portance Fz à l’aide d’un second dynamomètre.

Nous trouvons Fz=2,5 N

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1) BILAN DES FORCES

Le poids : c’est l’action exercée par la Terre sur l’aile. .- Son point d’application est le centre de poussée de l’aile- Sa direction est verticale- Son sens est de l’aile vers le sol- Son intensité P a pour valeur 2,5 N.

La poussée : c’est l’action exercée par la propulsion (réacteur, hélice…) sur l’aile. Dans le cadre de l’expérience, la poussée est exercée par le ressort du dynamomètre mesurant la traînée. On la note Fp.- Son point d’application est le centre de poussée de l’aile- Sa direction est horizontale- Son sens va de la droite vers la gauche- Sa valeur est la même que celle de la traînée (condition pour que le milieu soit pseudo-isolé) on a donc Fp=Fx=0,8 N.

La traînée : elle peut avoir de multiples origines. Sans sortir du cadre de notre TPE, nous pouvons citer la traînée induite, qui résulte de l’écoulement inégal de l’air sur l’intrados et l’extrados, provoquant des tourbillon sur le bord de fuite de l’aile. Pour plus d’information sur les différents types de traînée, nous vous conseillons de consulter le site http://www.minix.fr/trainees.php#01. - Son point d’application est le centre de poussée de l’aile- Sa direction est parallèle à la direction de l’écoulement de l’air.- Son sens est le même que celui de l’écoulement de l’air- On a (d’après mesure) Fx=0,8 N.

La portance : c’est la composante aérodynamique qui permet le vol. Elle peut être expliquée de 2 manières : par le principe de Bernouilli, qui établit un lien entre vitesse et pression (vitesse élevée=pression faible) et qui montre que la pression de l’air à l’extrados de l’aile est inférieure de celle à l’intrados; ainsi que par la troisième loi de Newton (principe d’action/réaction), puisque l’avion propulse son propre poids vers le bas en permanence par l’intermédiaire des ailes (une vitesse verticale descendante est imprimée par celles-ci au débit d’air qu’elles captent).

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1 N

Portance (Fz)

Traînée (Fx)

Poids (P)

Poussée (Fp)Résultante aérodynamique (F)

Représentation schématique des forces s’exerçant sur l’aile d’avion étudiée :

- Son point d’application est le centre de poussée de l’aile- Sa direction est verticale- Son sens va du bas vers le haut- On a (d’après mesure) Fz=2,5 N.

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Cette double page est destinée à étendre à l’oiseau les observations faites précédemment pour l’avion.

N’ayant pas la possibilité de réaliser des mesures sur une aile d’oiseau en vol, nous avons dû calculer l’intensité des forces s’exerçant sur l’aile à partir de mesures effectuées sur l’aile inerte (envergure, épaisseur, surface, cambrure…).

Ces mesures ont ensuite été interprétées par une application internet d'aéromodélisme gratuite, JavaFoil, disponible à l'adresse http://mh-aerotools.de (voir aussi le lien dans le menu, rubrique « Annexe »), dans le but de calculer la résultante des forces s'exerçant sur l'aile.

Nous avons utilisé les oiseaux empaillés du laboratoire de SVT. Ceux-ci suffisent amplement pour mesurer les proportions des ailes, mais il nous a fallu nous référer à d'autres documents pour évaluer le poids des animaux vivants. Nous avons donc fait appel à l'Encyclopédie des oiseaux ( http://www.oiseaux.net/ )

Vos trouverez ci-après des copies d’écrans détaillant cette partie de l'expérience.

Attention ! Ces mesures dont indicatives : les oiseaux modifient constamment la forme de leurs ailes pour s'adapter aux conditions de vol. Nous avons dû nous contenter d'une aile inerte. Nos mesures ne sont donc vraies que dans le cas étudié (cela ne pose pas de problème dans le cadre de notre expérience : il s'agit de mettre en évidence la fonction de sustentation des ailes d'oiseau).

• Chez l’oiseau :

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1. Nous avons réalisé la mesure des proportions d'une aile de chouette

2. Nous nous sommes ensuite rendus sur l'encyclopédie des oiseaux, afin d'évaluer le poids d'une chouette.Les plus lourdes ont un poids de 590g.

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3. Nous avons ensuite créé notre propre profil d'aile, le plus proche possible de l'aile d'oiseau étudiée, en y intégrant tous les paramètres mesurés précédemment.

Le logiciel nous donne une courbe représentant les différentes valeurs prises par le coefficient de portance (Cz) en fonction de l'angle d'attaque (α).

On considère cette formule, quiexprime la portance (Fz) :

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Sur cette courbe, la masse volumique de l’air est constante (elle pourrait varier avec l’altitude), de même que la surface de l’aile ainsi que la vitesse du mouvement. Ce sont de plus des grandeurs positives.

La portance (Fz) est donc proportionnelle au coefficient de portance (Cz) dans le cas étudié.

On constate sur la courbe un coefficient de portance maximal de 1,3 (point de décrochage), et un coefficient de portance minimal de 0,5. Seul l’angle d’attaque varie.

Le coefficient de portance est donc positif pour un angle d’attaque compris entre 0 et 10 degrés.

Or un coefficient de portance positif implique une portance (si négatif, déportance). L’aile est donc à l’origine d’une force verticale ascendante : elle permet donc bien la sustentation dans l’air de l’oiseau.

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• Conclusion

Nous avons mis en évidence dans cette expérience le rôle fondamental que jouent les ailes dans le vol.

Celles-ci assurent en effet une fonction de sustentation dans l’air que l’on retrouve à la fois pour l’oiseau et l’avion :

•l’étude aérodynamique d’une maquette d’aile d’avion en soufflerie a permis d’établir le bilan des forces s’exerçant sur celle-ci en vol. Nous avons ainsi pu mesurer une valeur de la portance, inverse du poids de la maquette, donc correspondant au cas d’un avion planant à altitude et à vitesse constantes.

•l’étude d’une aile d’oiseau modélisée grâce au logiciel JavaFoil a permis l’expression du coefficient de portance, à l’aide duquel nous avons mis en évidence la présence d’une force verticale ascendante : la portance.

Le vol animal et le vol mécanique s’appuient donc tout deux sur des propriétés physiques similaires. Toutefois l’aile d’oiseau cumule aussi une fonction motrice : la poussée n’est pas le fait des ailes d’avions, qui n’intègrent par conséquent qu’une partie des propriétés physiques de l’aile d’oiseau.

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L’homme a donc dû adapter la mécanique du vol à ses connaissances techniques, reprenant malgré tout la majeure partie des caractéristiques physiques des ailes d’oiseau.

La prochaine rubrique répondra à la question « Comment l’homme a-t-il conçu la structure de l’aile d’avion pour satisfaire aux contraintes imposées par le vol ? » Nous verrons alors plus en détail quelles particularités de l’aile d’oiseau ont été reproduites par l’homme dans le but de voler.

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