II-L'aérodynamisme
Dans cette deuxième partie des TPE, nous allons lier par nos calculs et les formules de l’aérodynamisme, l’oiseau et l’avion.
Pour commencer, nous étudierons les bases de l’aérodynamisme.
Par définition, l’aérodynamisme est l’étude du mouvement d’un solide par rapport à un fluide, qui ici est l’air.
Il existe trois écoulements d'air différents qui interviennent dans la manière de voler de l’oiseau et de celle de l’avion.
Tout d’abord, il y a l'écoulement d’air laminaire: les « filets » d’air suivent un plan rectiligne et sont parallèles entre eux. Ce mouvement d’air est tout simplement décrit comme le mouvement de l’air sans obstacle.(voir photo ci-dessous)
Dans cette deuxième partie des TPE, nous allons lier par nos calculs et les formules de l’aérodynamisme, l’oiseau et l’avion.
Pour commencer, nous étudierons les bases de l’aérodynamisme.
Par définition, l’aérodynamisme est l’étude du mouvement d’un solide par rapport à un fluide, qui ici est l’air.
Il existe trois écoulements d'air différents qui interviennent dans la manière de voler de l’oiseau et de celle de l’avion.
Tout d’abord, il y a l'écoulement d’air laminaire: les « filets » d’air suivent un plan rectiligne et sont parallèles entre eux. Ce mouvement d’air est tout simplement décrit comme le mouvement de l’air sans obstacle.(voir photo ci-dessous)
Lorsque
vient
s’interposer une entité sur ce plan, les filets d’air deviennent courbés
mais restent parallèles entre eux, on dit qu'il y a un écoulement d'air
qui est turbulent (voir photo ci-dessous).
Enfin,
lorsque qu’il y a une tempête ou un tourbillon,
il y a ce qu’on appelle un écoulement d'air qui est tourbillonnaire: les
filets d'air ne suivent plus aucune trajectoire précise, ils ne sont
plus parallèles entre eux . (voir photo ci-dessous)
Passons maintenant à l’étude des « mouvements » de l’avion et de l'oiseau.
Pour l’avion comme pour l'oiseau, les meilleures conditions de vol se font avec un vent ayant un écoulement d'air laminaire car grâce à leur ergonomie, ces deux entités peuvent voler en ressentant un minimum de turbulence .
Or dans la majorité des cas, le vent n'est presque jamais totalement laminaire, il est souvent plus probable que le flux d'air soit turbulent. Dans ce cas, les techniques utilisées par l'oiseau ne pourront pas s'adapter pour un avion. En effet, l'oiseau a des ailes fines qui permettent des écoulements d'air presque rectilignes donc qui occasionnent peu de tourbillons d'air au bout de celles-ci comme l'indique ce schéma:
Pour l’avion comme pour l'oiseau, les meilleures conditions de vol se font avec un vent ayant un écoulement d'air laminaire car grâce à leur ergonomie, ces deux entités peuvent voler en ressentant un minimum de turbulence .
Or dans la majorité des cas, le vent n'est presque jamais totalement laminaire, il est souvent plus probable que le flux d'air soit turbulent. Dans ce cas, les techniques utilisées par l'oiseau ne pourront pas s'adapter pour un avion. En effet, l'oiseau a des ailes fines qui permettent des écoulements d'air presque rectilignes donc qui occasionnent peu de tourbillons d'air au bout de celles-ci comme l'indique ce schéma:
Cependant, les avions ont une très grande structure centrale sans cesse agrandie pour des besoins économiques au fil du temps. Or, pour la supporter, il est nécessaire de compenser par des ailes très larges. Ce qui va avoir pour conséquence de créer des tourbillons aux extrémités, fragilisant ainsi la structure par des vibrations. Il est alors nécessaire d'ajouter une pièce supplémentaire à l'aile de l'avion, appelée des Winglets. Ce sont des petites ailettes situées au bout de la surface plane qui ont pour rôle d'absorber ces vibrations et d'expulser les vents tourbillonnants sur les côtés de telle manière que l’appareil ne soit pas gêné.
Enfin passons à notre dernier cas, celui où il y a une tempête donc des vents tourbillonnaires. Dans ce cas, l'oiseau tout comme l'avion "décroche", car il n'y a aucune portance. Ce qui explique l'interdiction de vol donnée aux avions lors de ces phénomènes météorologiques.
Pour un avion, ce décrochage se fait lorsque l'angle de l'aile par rapport au sol dépasse 15 à 20°. Ce qui s'explique par la formule de la portance.(voir la partie consacrée aux forces mises en place pour plus de détails).
A présent, étudions le nombre de Reynolds, il permet de faire le lien entre deux entités totalement différentes de par leurs déplacements dans un milieu. Dans notre cas, c’est le déplacement d’un avion et d’un oiseau dans l’air. Ce nombre va nous donner la nature des écoulements d'air que l'avion ou l'oiseau peuvent rencontrer (voir la partie consacrée au Nombre de Reynolds pour tous les détails).
Voici le Nombre de Reynolds de l'aigle et de l'avion: (Cf onglet "Calculs" pour obtenir les formules utilisées)
Commençons par le calcul du nombre de Reynolds sur la partie rectangulaire de l'aile pour un avion de ligne quelconque:
Nous prendrons comme valeur:
v=1.85*10E-5 m-1*s-1
μ=1.20*kg*m-3
Ainsi:
ℛaile = μ.V.D/v
ℛaile = (11*1.20*250)/(1.85 E-5)
ℛaile =1.78378E8
ℛaile =1.8E8 (valeur approchée)
Ensuite passons au calcul du nombre de Reynolds pour l'aile d'un albatros:
ℛaile =
ℛalbatros = μ.V.D/v
ℛalbatros =(17 E-2*5.5*1.20)/(1.85 E-5)
ℛalbatros =60648.6
ℛ =ℛalbatros =6.1E4(valeur approchée)
ℛalbatros =On voit que le nombre de Reynolds de l’albatros est beaucoup plus petit que le nombre de Reynolds de l'avion. Cela nous indique que l’avion est beaucoup plus soumis aux turbulences, de par sa taille et son poids, que l’oiseau d’où l'usage des Winglets, par exemple. Évidemment, la force du vent influe aussi sur le risque de turbulences. L’oiseau possède un nombre de Reynolds peu élevé, il ne ressent que très peu les vibrations lors des vols.
Enfin, nous allons établir un lien entre le poids et la vitesse de l’avion et de l’oiseau.
Comparons par exemple le poids d'un aigle au poids d'un Airbus A380. Le poids de l'Airbus est 6400 fois plus grand que le poids de l'aigle.Soit un ordre de grandeur de 6400. De plus, alors que, quand l’oiseau plane à 40 km/h environ avec un vent de 40 km/h, sa vitesse relative est de 80 km/h, on a calculé que l’avion devrait avoir une vitesse environ égale à 5500 km/h pour planer. (sans perdre d'altitude et en omettant les turbulences et les dégâts matériels).
En conclusion de cette seconde partie, nous avons pu observer à la suite de notre étude que l'avion est fortement inspiré de l'oiseau au niveau de l'aérodynamisme cependant les chercheurs n'arrivent pas encore à rivaliser avec les formes aérodynamiques naturelles de l'oiseau.
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