Crabé MaximeHiton Solène

Vendredi 16 Décembre

Expérience de mise en évidence du rôle de l'aile dans le vol

Le but de l'expérience est de comprendre lerôle de l'aile dans le vol et d'en déduire les forcesappliquées sur celle-ci en énonçant quelquesprincipes aérodynamiques fondamentaux.

Cette expérience se décompose en deux parties :

-une expérience réalisée avec unemaquette d'aile en soufflerie basse vitessepermettant de mettre en évidence le rôle de l'ailed'avion dans le vol et les forces s'appliquant surcelles-ci.

-une expérience réalisée avec le logicield'aéromodélisme Javafoil permettant d'élargir nosobservations à l'aile d'oiseau et offrant ainsi lapossibilité d'une comparaison avec l'aile d'avion.

Hypothèse : les ailes permettentla sustentation dans l'air

Matériel

Anémomètre

Rapporteur

Maquette d'aile

Balance

Soufflerie d'aspirateur

Plaque de verre afin de rendre

l'écoulement d'air le plus laminaire

possible

Cales en

carton

Cales fines afin de faire varier

l'angle d'inclinaison de

l'aile

Protocole

On place notre maquette d'aile sur lesbalances dans la mini-soufflerie.

On tare les balances.

On actionne la soufflerie.

Pour chacune des 5 vitesses du souffleur, donton mesure l'intensité grâce aux anémomètres, onfait varier l'angle d'inclinaison de l'aile à l'aide decales.

On mesure l'intensité de la portance grâce auxbalances pour chaque angle d'incidence.

Observations

Vitesse de l'écoulement

de l'air (km/h)

Angle d'incidence de l'aile (degrés)

8 11 14 16 18

0 4 6 7 10,5 13

3 5 7 8 12 146 6 9 18 22 249 7 13 19 24 2612 8 14 20 25 2715 7 8 14 22 2418 6 7 10 21 23

Tableau représentant l'évolution de laportance (mesurée en gramme) en

fonction de la vitesse d'écoulement del'air et de l'angle d'incidence

Ces mesures nous permettent de tracer deuxgraphiques à l'aide du tableur Excel:

On constate que lorsque l'air s'écoule sur l'aileles balances indiquent une masse négative.

Étant donné qu'on ne fait pas varier la massede l'aile durant l'expérience, on peut déduire qu'ilse crée une force de sens opposé au poids : laportance.

De plus, on remarque que la portanceaugmente avec la vitesse d'écoulement de l'air.

Elle augmente aussi avec l'angle d'incidencejusqu'à α=12° où elle atteint un maximum puisdiminue : c'est l'angle de décrochage.

Avec des mesures plus précises, il est possiblede démontrer la formule :

Fz = ½.S.ρ.v².CzAvec :

Fz la portance en Newtons (N)S la surface alaire en m²ρ la masse volumique de l'air en kg/m3

v la vitesse en m/sCz le coefficient de protance (sans unité)

Conclusion de la première expérience

L'aile d'avion est bien responsable de lasustentation de l'appareil par la création d'uneforce s'opposant au poids : la portance.

Bilan des forces

Les forces fondamentales régissant le vold’un avion sont au nombre de quatre. On prendraG le centre de gravité de l’avion. Il s’agit de :

La pousséeLa poussée (ou traction) Fp est l'action exercée par la

propulsion qui est directement liée à la puissance du moteur del’avion.

• Point d’application : Le ou les moteurs (on prendra G pourdes raisons pratiques)

• Direction : l’axe du moteur

• Sens : celui du déplacement de l’avion

Le poidsLe poids P est la force de pesanteur, d’origine

gravitationnelle, il est ici exercé par la Terre sur un corps massique: l’avion.

• Point d’application : centre de gravité

• Direction : Verticale

• Sens : Vers le bas

La traînéeLa trainée Rx est une force résistante à l’avancée de l’avion.

Il existe différents types de traînées (traînée de forme, defrottements...). Nous nous intéresserons tout particulièrement à latraînée induite qui résulte de l'écoulement inégal de l'air surl'intrados et l'extrados provoquant des tourbillons sur le bord defuite de l'aile.

• Point d’application : Sur toute la surface S de l’avion (onprendra G pour des raisons pratiques)

• Direction : Celle de l’avion.

• Sens : Opposé au sens de déplacement de l’avion

La portanceLa portance Rz est une force qui s’oppose au poids et qui

permet ainsi à l’avion de voler. La portance peut s'expliquer grâceau théorème de Bernouilli : le mouvement de l’air autour des ailescrée une surpression sous l’aile (à l’intrados), et une fortedépression au-dessus de l’aile (à l’extrados). Il se crée unedifférence de pression aux deux niveaux de l’aile, qui se retrouveainsi aspirée vers le haut. C’est de cette différence qu’est issue laportance.

• Point d’application : Sur tout l’avion, en particulier les ailes.(on prendra G pour des raisons pratiques)

• Direction : Perpendiculaire à la direction de l’avion.

• Sens : Vers le haut

Schéma représentant les différentes forcess'exerçant sur un avion en vol rectiligne

uniforme

Nous avons voulu ensuite étendre cesobservations à l'aile d'oiseau afin de voir si celle-ci était aussi responsable de la sustentation del'animal. Ne pouvant réaliser des expériences ensoufflerie, nous avons opter pour l'utilisation d'unlogiciel d'aéromodélisme : Javafoil.

Ainsi après avoir intégrer les mesuresréalisées sur l'aile d'oiseau inerte (envergure,cambrure, épaisseur...), et les avoir complétées àl'aide de L'encyclopédie des oiseaux, dans lecalculateur, le logiciel nous donnait une courbe dela portance en fonction de l'angle d'incidence del'aile.

1. Nous réalisons des mesures sur l'aile d'oiseauinerte.

Attention! Ces mesures, réalisées sur une aile inerte ne sontqu'indicatives car l'oiseau modifie constamment la forme de sesailes pour les adapter au vol. Ces mesures conviennent par contrepour notre T.P.E. qui vise seulement à mettre en évidence le rôlede sustentation des ailes chez l'oiseau.

75 cm

1cm

7,5 cm

14cm

40 cm

1 cm

2. Nous consultons le site www.oiseaux.netafin de compléter nos mesures.

3. Nous intégrons les valeurs dans le logicielqui nous donne ainsi une courbe représentantles différentes valeurs du coefficient deportance en fonction de l'angle d'incidence.

Le coefficient de portance est positif pour desangles compris entre 0° et 10°.

Il augmente de 0 à 9°, qui est l'angle dedécrochage.Si on prend en compte la formule :

Fz = ½.S.ρ.v².Cz

Sachant que la surface de l'aile, la vitessed'écoulement de l'air, la masse volumique de l'airsont des valeurs positives et constantes dans lesconditions de l'expérience, on peut dire que laforce portante est proportionnelle au coefficientde portance. Elle sera donc positive pour desangles allant de 0° à 10°.

Ainsi l'aile de l'oiseau est aussi responsable dela sustentation de l'animal par la création d'uneforce s'opposant au poids : la portance.

Conclusion

Nous avons pu voir que l'aile d'oiseau, commel'aile d'avion, ont une fonction commune : ellesassurent la sustentation dans l'air grâce à lacréation d'une force s'opposant au poids : laportance.

Le vol animal et le vol mécanique s'appuientdonc tous deux sur des propriétés physiquessimilaires : l'oiseau et l'avion subissent ainsi lesmêmes contraintes physiques lors du vol.

Toutefois, l'aile d'oiseau intègre aussi unefonction motrice qui n'est pas le fait des ailesd'avions qui n'intègrent par conséquence qu'unepartie des propriétés de l'aile animale.

L'homme a donc dû adapter la mécanique duvol des avions à ses connaissances techniques,reprenant malgré tout la majeure partie descaractéristiques physiques de l'aile d'oiseau.