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TPE 1ère S 1 Physique-SVT 2006/2007 RIVES Bastien, BOUSSIOUX Adrian, DEPOUES Vivian.

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L'HOMME ET LA NATURE

L'Homme à toujours rêvé de voler. Il levait les yeux vers le ciel et jaloux observait les oiseaux, maîtres des nuages. Du mythe d'Icare au essais des « hommes volants » beaucoup ont essayé en se collant des ailes dans le dos et en agitant les bras de copier littéralement les volatiles, sans beaucoup de sucé d'abord. Puis, un jour certains ont vraiment réfléchi pour trouver comment rejoindre aigles, palombes et colibris, chez eux, dans les airs. Pour trouver la réponse l'élève à observé le maître :

Alors comment les oiseaux ont-ils inspiré les avions ?

● La première personne à qui l'on pense lorsque la question de l'envie de décoller se pose est bien entendu Léonardo Da Vinci

Nb : Le plus célèbre des dessins de machine volante de De Vinci est même celui de l'hélicoptère mais étant plus inspirés des insectes que des oiseaux nous n'aborderons pas cette partie car hors sujet.

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Dessins de machine volante, vers 1485

Rien n'a autant préoccupé Léonard de Vinci que le rêve de voler. Le désir de s'élever dans les airs comme un oiseau est l'un des plus vieux rêves de l'humanité. Le très ancien mythe d'Icare raconte déjà la tentative de vol du jeune homme avec des ailes composées de plumes fixées avec de la cire. Léonard a consacré beaucoup de temps à ses projets aéronautiques. Plus ses connaissances en matière de lois physiques des poids, des forces et du mouvement s'accroîtront, plus il estimera la solution du problème à sa portée. A partir de la nature, il imagina ses machines : "L'oiseau est un instrument qui fonctionne selon les lois mathématiques et l'homme n'a qu'à mettre au point une machine susceptible de reproduire chacun de ses mouvements".

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● Les pages des encyclopédies nous ramènent ensuite fin de XIXème et début du XXème siècle, époque des premières machines volantes qui volèrent, début de la course au ciel, des exploits individuels de pionniers de l'aéronautique.

Voler n'étant pas du tout dans la nature de l'Homme ces précurseurs ont bien comme nous le pensions observé les oiseaux pour mettre au point leurs engins :

Ainsi différents oiseaux ont été observé en fonction de leurs caractéristiques de vol. Au début la simplicité du plané était préférait aux systèmes de propulsion complexes.

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Le planeur de Massia-Biot , d'une envergure de 7,5 mètres, copie intuitivement les formes et les dispositifs de vols des grands oiseaux comme les cigognes ou les rapaces. Les "rémiges" des ailes peuvent être déplacées sur un plan horizontal , ce qui a pour effet de modifier le centrage. Elles peuvent ainsi se recouvrir comme un éventail que l'on ferme. Pour effectuer des virages, le pilote descendait les deux moitiés indépendantes de "plumes" de la queue grâce à des étriers. Deux volets placés au dessus des ailes , actionnés par les mains, assuraient la portance au moment de l'atterrissage quand l'appareil était fortement cabré pour freiner. Le dispositif copie le principe de l'alula des oiseaux. Cette petite "aile bâtarde" correspond à un doigt portant quelques plumes et susceptible de s'élever légèrement au dessus du bord d'attaque des ailes. Ce système fonctionne comme des volets de d'hypersustentation. Cet appareil est le plus ancien planeur au monde dont on possède encore l'original

Lorsqu'en 1909, Igo d'Etrich envisagea d'équiper ce type de planeur d'un moteur de 40 chevaux-vapeur, il rencontra des difficultés pour déterminer le centre de gravité dont dépendait la stabilité de l'appareil ; La nécessité d'une queue stabilisatrice le conduisit à s'inspirer du pigeon.A partir de 1910, Ignaz et Igo Etrich construisirent un grand nombre de ces appareils réputés pour leur vol stable,qui servirent d'avions d'observation pendant la guerre de 1914-1918.

La buse ( Buteo buteo), planant sans le moindre coup d'aile - un vol économique par excellence. La portance des ailes très profondes est augmentée par la division de leurs extrémités en grandes plumes séparées ( les rémiges) . Il existe de nombreux exemples historiques d'appareils copiant ce modèle d'ailes profondes et pourvues, au bout, de plumes disposées en éventail caractéristiques des grands oiseaux bons planeurs. L'un d'eux est le Storch ( cigogne) d'Otto Lilienthal de 1894. Les "rémiges" pouvaient se déformer sous l'action du vent.

L'avion N° 3, d'une envergure de 15 mètres, fut construit entre 1893 et 1897 par Clément Ader. Il s'inspire dans ses formes et dans ses détails des Roussettes, grandes chauves-souris que Clément Ader a pu observer en Afrique du Nord. Cet avion, qui n'a jamais volé, a toutefois décollé pendant du sol,pendant plusieurs mètres, au cours d'une tentative de vol. Il constitue l'essai le plus étonnant de transposition d'une forme naturelle en un objet technique.

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Le planeur de Massia-BiotLa Cigogne

Le pigeon

La Buse

L'avion Chauve souris de Clément Ader

Chauve souris

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L'AILE

Et oui l'esprit humain associe souvent voler et avoir des ailes. C'est donc cet étrange organe qui a été en premier copier.

Mais pourquoi l'aile est-elle si essentielle au vol ? Quel est son rôle ?

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La légende d'Icare

Dans la mythologie grecque, Icare et Dédale, son père sont prisonniers dans un labyrinthe gardé par le féroce Minotaure. Cela se passait en Crète.

Pour s’évader, ils imaginèrent de lier à leurs bras de grandes ailes formées de plumes, collées par de la cire.

Icare, enivré par la joie du vol, voulut monter trop haut dans le ciel et s'approchant du soleil, la chaleur de celui-ci fit fondre la cire.

Il fut précipité dans la mer et se noya.

Dédale, lui, restant sage dans son vol et ne pensant qu’à son évasion, réussit a planer jusqu’à la liberté.

Et voilà comment le premier symbole de l’aviation fut raconté avec son premier pilote et sa première victime.

Extraits Wikipedia :  « AILE : son profil assure la sustentation de l'appareil en générant une force appelée  portance »

« PORTANCE : Un objet placé dans un écoulement d'air subit une force aérodynamique . Pour l'analyse, on décompose cette force en une composante dans le sens du vent relatif, la traînée, et une composante perpendiculaire : la portance.

Pour une aile (ou une voile), la portance est dirigée de l'intrados (la face "au vent", normalement placé au-dessous pour un aéronef)) vers l'extrados (la face "sous le vent", normalement situé au dessus), pour un avion elle est donc normalement orientée de bas en haut : elle "porte" l'avion.

La portance est donc une force perpendiculaire au déplacement du fluide. Elle est crée par l'aspiration dans une zone de dépression formée sur le dessus du profil dessiné à cet effet. Elle est fonction de la masse de fluide déplacée.

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Le rôle de l'aile est donc de permettre à la force qui permet de voler d'exister. Son importance est donc réellement capitale. Et il s'agit bien comme les premiers aventuriers de l'aviation l'avaient pressenti d'une des clé du vol.

Donc cet aile d'oiseau a été copiée et puis peu à peu adapté à l'avion.

Alors que reste-t-il aujourd'hui de aujourd'hui chez nos avions, de l'aile d'oiseaux ?

Pour répondre à cette question nous avons commencé par analyser l'aile d'un oiseau.

Durant la dissection de l'aile d'un pigeon (photos dissection) nous avons observé plusieurs caractéristiques :

-Le pigeon possèdent deux ailes chacune d'un coté du corps,

-La forme de l'aile fait apparaître une courbure

-L'aile est formé de plumes, très légère (structure creuse) dont il existe différents types.

-Ces plumes semblent être regroupé en fonction de leur type (taille, aspect...) et de leur position sur l'aile. Les plumes de chaque « groupes » étant rattachées à une sorte de tendon lui même en relation avec un muscle.

-Un grand muscle principal (lourd et volumineux) situé dans le « tronc » de l'oiseau est rattaché aux ailes.

Nous en déduisons que l'aile de l'oiseau est mobile et déformable.

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Extraits Wikipedia PLUMES : L'ensemble des plumes, généralement plusieurs milliers, une des fonctions [...]est de permettre le vol.[...]Une plume se compose d'un axe central, creux à sa base[...]

On distingue plusieurs types de plumes [...] dont les plumes utilisées pour le vol : rémiges (plumes des ailes) et rectrices (plumes caudales appelés aussi pennes).

[...]Selon le type de vol spécifique à chaque catégorie d'oiseau les plumes des ailes et de la queue auront une forme et un fonctionnement différent.[...]

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Pour confirmer nos hypothèses et mieux comprendre nos observations nous effectuons une petite recherche sur l'anatomie du pigeon :

Ainsi pour conclure nous pouvons dire que les ailes d'oiseaux :-sont des organes très léger qui permettent le vol en créant la portance,-peuvent battre pour faire avancer l'oiseau,-sont à profil variable grâce à un système de plumes, de muscles et de tendons complexe,-sont adaptées au type de vol.

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http://home.nordnet.fr/~djtaquet/pages/anatomie.htm

Les plumes

* Elles sont formées d'une tige souple, creuse à la base, percée du côté corps d'un canal d'alimentation qui n'est utile que pendant la croissance de la plume. Les grandes plumes portent des barbes accrochées entre elles par des barbules. * On compte environ 4.000 plumes. * Les rémiges primaires, pennes (10 ou 11), sont portées par la main de l'aile. Ce sont les plus grandes et assurent l'avance dans le vol ramé. * Les rémiges secondaires, pennes (10 ou 11), assurent plutôt la portance. Elles sont portées par l'avant-bras de l'aile. Le vol

* Le vol du pigeon est positif : durant le vol, les ailes montent au-dessus du niveau du corps. . * Quand l'aile monte, les rémiges s'écartent verticalement et l'air passe entre les plumes (pas de résistance). Quand l'aile s'abaisse, les rémiges reprennent leur formation serrée horizontale et l'air ne peut plus passer. Le pigeon s'appuie sur l'air pour avancer.

Extraits Wikipedia AILE : les plumes des ailes d'un oiseau en vol, modifient en permanence le profil des ailes. Conséquence: La couche limite reste « collée », faisant « glisser » le vent relatif de la portance sans faire de traînées. Finesse incalculable, effort nul, de plus à chaque smash du battement les tourbillons se détachent. La puissance pour le vol en translation est très faible.

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Qu'en est-il des ailes d'avion ?

Pour le savoir nous nous rendons à l'aéro-club pour pouvoir observer l'aile d'un avion. Pour effectuer la comparaison nous choisissons des avions légers, de tourisme, de construction simple dont le vol (voyage à l'échelle continentale, vitesse modeste...) semble se rapprocher de celui du pigeon : le DR400 et le Cessna 172.

Première remarque faite en observant ces machines, leurs ailes ne battent pas, nous en prenons acte mais nous n'aborderons le sujet un peu plus tard.

Nous observons ensuite :

-Que sur ces avions monoplans, la voilure était constituée de deux ailes ou demi-voilures.

-La forme de l'aile fait apparaitre un profil particulier, plus ou moins courbe :

-L'aile est fait de matériaux légers (bois et toile pour le DR400, métal très léger pour le Cessna), la structure interne est creuse. Une aile coupée nous permet de voir sa structure interne constituée d'un longeron de bois, de nervures et le tout recouvert de toile. Au niveau du bord d'attaque l'aile est renforcée

-L'ensemble des avions que nous pouvons voir ont leur propre modèle d'aile avec chacune des particularités.

-Différentes parties mobiles sont visibles : d'abord des ailerons qui actionnés via le manche par le pilote donne à l'avion un mouvement de roulis le faisant tourner (l'un s'abaisse, l'autre remonte ==> vidéo); ainsi que des volets hypersustentateurs qui lorsque qu'ils sont sortis par le pilote augmentent la courbure et la surface des ailes lui conférant ainsi une meilleur portance à de faible vitesses.

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Extraits Wikipedia AILE : Au cours de la première moitié du XXe siècle on a construit des avions biplans, voire triplans (Fokker Triplan Dr1) ; cette solution était nécessaire pour obtenir une portance suffisante sans augmenter l'envergure de l'aile.

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Comme pour l'oiseau petite recherche complémentaire sur les ailes d'avion :

Et oui l'on remarque certaines similitudes entre l'oiseau et l'avion, ne serait-ce qu'au niveau du vocabulaire employé pour décrire leurs ailes respectives (« pennes »).

-Alors l'avion aussi possède « deux ailes » dont le rôle est d'assurer la portance nécessaire au vol (mais pas de faire avancer l'appareil).

-L'aile d'avion a aussi un profil pouvant varier grâce à des système de parties mobiles, de moteurs et de cables (==> plumes + muscles + tendons). Les possibilités de modification en vol de l'aile surtout sur de petits avions comme cela sont quand même limités par rapport à celle de l'oiseau.

Le mouvement de torsion de l'aile d'oiseau l'aidant à tourner peut être associer à celui des ailerons de l'avion.

Les volets hypersustentateurs remplacent quand à eux les plumes des régimes primaires.

-Selon le type d'avion et donc de vol l'aile est différente.

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Extraits Wikipedia AILE : Chaque demi-voilure est constituée d'un (ou de plusieurs) longerons attachés au fuselage au niveau de l'emplanture. Les nervures supportent les revêtements supérieur extrados et inférieur, intrados. Les bords avant et arrière de l'aile sont le bord d'attaque et le bord de fuite. L'extrémité est constituée par un saumon ou des moignons prolongés vers le haut (ailettes marginales ou ailerettes) ou vers les deux côtés (pennes) (Airbus A320) appelés winglets en anglais. La jonction du bord d'attaque au fuselage peut être prolongée vers l'avant par une aigrette (strake en anglais) faisant fonction de plan canard.On distingue les ailes en fonction de leur type de fixation sur le fuselage : ailes médianes, hautes ou basses. Les ailes hautes (voir aussi dièdre) ont entre autres avantages celui de pouvoir protéger contre l'ingestion de corps étrangers les entrées d'air des moteurs situés au-dessus (pierres dans le cas du VFW 614, projections d'eau pour l'hydravion Beriev Be-200).L'aile supporte des dispositifs permettant le pilotage de l'avion : becs et volets hypersustentateurs, ailerons ou élevons, aérofreins. Elle peut aussi servir de point d'attache pour les ensembles de propulsion, le train d'atterrissage et certains emports militaires. Elle contient des caissons servant de réservoirs de carburant. Elle peut aussi loger le train d'atterrissage. Y sont également fixés des dispositifs, par ex. de fines tiges parfois terminées par des brosses en fibres de carbone (déperditeur de potentiel) permettant d'éliminer la charge électrostatique formée par la friction de l'air.

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AUTRES PARTICULARITES

Il suffit de regarder pour constater que oiseaux et avions ont d'autres points communs.

A commencer par leur aspect général qui outre la présence des ailes semble taillé pou le vol. Leurs formes aérodynamiques trahissent leur mode de déplacement, tout comme leur partie antérieure relativement « pointue » : bec de l'oiseau et cône d'hélice (nez) de l'avion.

L'on peut aussi noté la présence d'une queue. Support des gouverne de direction (mouvement de lacet) et de profondeur (mouvement de tangage) de l'avion et des «plumes de la queue ou rectrices (pennes) jouent le rôle de gouvernail » chez l'oiseau. Cette queue avant tout présente pour assurer la stabilité du vol joue donc aussi un rôle dans sa direction.

Enfin l'oiseau et l'avion ont chacun un « organe » leur permettant des déplacement terrestres. Il s'agit de pattes (palmées ou non) pour les volatiles et le trains (roues, skis ou flotteurs) pour les aéronefs. En effet les uns comme les autres ne peuvent passer leur temps dans les airs.

Ce n'est pas un hasard si des caractéristiques de l'oiseau se retrouve chez l'avion, l'un ayant inspiré l'autre. Comme pour les ailes l'on se rend compte en observant l'évolution des avions et en comparant avions d'aujourd'hui et oiseaux, que ces différentes parties communes ont peu à peu évoluées sur les avions. Nous essayerons de comprendre pourquoi un peu plus tard.

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PROPULSION

Le rôle des ailes peut donc bien être séparé en deux fonctions bien indépendantes : le sustentation et la propulsion. Aux débuts de l'aviation la seconde à été négligée pour simplifier les premiers appareils. C'est le plané et le vol dit à voile inspiré des grands oiseaux qui a accompagné les premiers vols : une prise d'élan et un vol sans aucun moyen de propulsion. Mais bien vite ce type de vol limitant trop les applications de l'avion a été mis de côté pour ne plus être aujourd'hui qu'une discipline de sport et de loisir.

On a donc voulu doter les aéroplanes d'un système de propulsion autonome, comme en possède les oiseaux.

Mais sur ce point là les premiers essais ont vite prouver que le battement d'aile des volatiles trop complexe (cf : la théorie du vol battu www.chez.com/truefly/ ) à reproduire n'était pas la solution :

Voulant toujours partir de ce qu'ils connaissaient les mécaniciens de l'époque ont alors décider de garder les ailes fixes et de faire avancer les avions grâce aux même moyens que les voitures ou les bateaux alors, c'est à dire le moteur, d'abord à vapeur puis à explosion. Couplé à une hélice cela se révéla une fois surmontés les problèmes de poids un excellent système de propulsion encore utilisé aujourd'hui sur certains avions (même si turbines ou réacteurs ont pris le relais).

L'exemple du système de propulsion met en évidence le fait que l'homme n'a pas pu copier la nature sur tous le points.

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http://www.chez.com/truefly/ :

En vol, l'oiseau suit une trajectoire régulière, sans soubresaut. Son corps ne monte pas à la descente des ailes et ne tombe pas lorsqu'il les remonte. Cela implique que les ailes portent l'oiseau à chaque instant, la portance est donc constante. L'énergie que dépense l'oiseau dans les battements d'ailes ne lui sert donc pas à créer de la portance mais lui sert à se propulser vers l'avant. La vitesse ainsi obtenue créant par écoulement aérodynamique autour des ailes, la portance suffisante pour le maintien du vol.

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Pourquoi l'avion s'est-il peu à peu éloigné de l'oiseau.

UNE AUTRE UTILISATION :

Après les premiers appareils simples et légers les avions ont évolués, quelques années après les frères Wrigth des aéronefs transportaient des dizaines de passagers et franchissaient le mur du son.Pour réaliser ces performances les concepts de base du vol découverts grâce aux oiseaux ont peu à peu été adapté et les techniques de fabrication ont évolué.C'est surtout au niveau des matériaux utilisés que tout à changer, du bois au métal, du métal aux fibres de carbone d'aujourd'hui. Nous ne disposions pas des matériaux de la nature et quand bien même nous les aurions eut ils n'auraient pas été adapté aux nouvelles conditions de vol : Avez- vous déjà vu un oiseau passer mach 1 ? Non moi non plus, il se désintégrerait probablement avant.

Comme nous l'avons vu pour la propulsion il a été difficile voir impossible de reproduire toutes les caractéristiques des oiseaux. La première adaptation a donc été la simplification des système observés : par exemple le cerveau du pigeon est fait pour par réflexes contrôler l'intégralité de l'aile en en modifiant le profil en permanence, un pilote lui n'a qu'un manche et les palonniers, et voler n'est pas naturel pour lui, le nombre de surfaces mobiles de l'aile a donc été réduit.

De plus au fil des vols, chacun étant un véritable test en conditions réelles, les pilotes et les ingénieurs ont pu étudier le comportement des avions dans l'air, observer les effets d'une force...et exploiter leurs connaissances pour inventer de nouvelles formes, de nouveaux procédés.

PEUT-ÊTRE UN NOUVEAU RAPPROCHEMENT :

La technologie évolue, l'utilisation des avions aussi et parfois, pour de nouveaux projets il arrive encore aux ingénieurs, consciemment ou pas, de se tourner vers les oiseaux. Pour une forme de profil, un nouveau concept...Les nouveaux matériaux composites, légers comme les fibres de carbone offrent de nouvelles perspective.Mais c'est surtout l'arrivée de l'informatique sur les vols qui révolutionne tout. Associés à des capteurs l'ordinateur peut contrairement à un pilote (qu'il assiste) reproduire les mouvements réflexes de l'oiseau et ainsi simuler son cerveau. L'aile du nouvel Airbus A380 par exemple est en permanence adaptée à la situation instantanée de vol.

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QUEQUES EXEMPLES :

Les objets volants modernes qui se rapprochent le plus d'animaux (oiseaux ou même insectes) sont quand même incontestablement les drones :

Certains passionnés pensent même que l'avenir du vol peut être dans le battement d'aile :

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Un drone ou UAV (Unmanned Air Vehicle) est un aéronef inhabité, piloté à distance, semi-autonome ou autonome, susceptible d’emporter différentes charges utiles le rendant capable d’effectuer des tâches spécifiques pendant une durée de vol pouvant varier en fonction de ses capacités.

Voir le projet TRUEFLY

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Ce TPE nous a permis de revivre en partant du « chef-d'oeuvre » sa création pour finalement retrouver le modèle. Nous avons vu comment les pionniers de l'aéronautique ont observé, reproduit, expérimenté, modifié pour arriver à faire voler puis à faire évoluer des machines de bois ou d'acier. Nous avons vu comment la nature a été une précieuse source d'informations. Nous avons vu COMMENT LES OISEAUX ONT INSPIRE LES AVIONS.

Cela nous a aussi permis de nous rendre compte que souvent lorsque quelque chose est fait dans la nature c'est que c'est le meilleur moyen de le faire. L'Homme le sait ou la compris (en effet certains ont essayer de construire des machines volantes farfelues qui n'ont sûrement jamais voler) et sait s'inspirer de la nature.

Cela voudrait-il dire que s'il n'y avait pas eut les oiseaux nous n'aurions jamais voler ? Peut être mais après tout aucun animal n'est aller dans l 'espace, à part un certain homo-sapiens........

RIVES Bastien, BOUSSIOUX Adrian, DEPOUES Vivian.