Thème : Matière et Forme

1ERE S-SI LE BIOMIMETISME DANS L’AERODYNAMISME

En quoi la nature a-t-elle influencé l’homme dans la recherche de

progrès dans l’aérodynamisme ?

Site internet : http://tpe-aerodynamisme-biomimetisme.e-

monsite.com/

DE LAUNET Renan – VINCENT Alexandre – ROUTIER Guillaume – MEUNIER Héliaz

Professeurs encadrants : Mr. WAGNER – Mr. JANILLON – Mr. REMIR – Mme GIOPPI

2017 – 2018

Lycée Saint-Nicolas

108 Rue de Vaugirard, 75006 Paris

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SOMMAIRE :

Introduction………………….…………………………………………………………………………………………………………………2

Développement………………………………………………………………………………………………………………….……3 à 24

L’aérodynamisme ………………………………………………………………………………………………………3 à 16

Histoire de l’aérodynamisme………………………………………………………………………..………….………3 à 5

Les principales forces dans l’aérodynamisme…………………………………………………………………6 à 16

La portance ……………………………………………………………………………………………………….…..6-7

Le poids …………………………………………………………………………………………………………....8 à 10

La poussée ………………………………………………………………………………………………………...11-12

La traînée …………………………………………………………………………………………………….….13 à 16

Le Biomimétisme ……………………………………………………………………………….…………………….17 à 24

Les principes du biomimétisme …………………………………………………………………………………………..17

Exemple dans l’aérodynamisme ………………………………………………………………………..…………18 à 24

La peau de requin dans l’aviation ……………………………………………………………………………18

La cigogne et les winglets ………………………………………………………………….……………………19

Le poisson coffre et la voiture………………………………………………………………..…………..20-21

Le martin-pêcheur et le TGV japonais ……………………………………………………………..22 à 24

Conclusion……………………………………………………………………………………………………………………………..………25

Bibliographie ……………………………………………………………………………………………………………………..……26-27

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INTRODUCTION :

Dans l’aviation, l’automobile, ou encore le domaine du ferroviaire, l’aérodynamisme

joue un rôle important dans le fonctionnement des moyens de transports. Les

ingénieurs conçoivent des objets aérodynamiques afin d’améliorer leur vitesse, leur

pénétration dans l’air, de réduire leur consommation en énergie, ou d’autres problèmes

faisant appel à l’aérodynamisme. Pour trouver des solutions à ces problèmes, certains

ingénieurs s’inspirent de la nature et des animaux en reprenant des modes de

fonctionnement ou des caractéristiques physiques de ces derniers.

Nous verrons en quoi la nature a influencé l’homme dans la recherche de progrès dans

l’aérodynamisme. Pour cela, nous définirons l’aérodynamisme grâce à son histoire et

aux principales forces qui interviennent. Puis, nous ferons un lien avec le

biomimétisme en expliquant ses principes et nous donnerons quelques exemples dans

l’aérodynamisme.

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DEVELOPPEMENT - L’AERODYNAMISME

Histoire de l’aérodynamisme

Depuis l'Antiquité, l'Homme cherche à comprendre comment il pourrait voler. Le mythe

d'Icare, provenant de cette époque, en est un parfait exemple. Il est raconté que lui et

son père, avaient confectionné des ailes semblables à celles des oiseaux, afin de fuir

le labyrinthe où ils étaient enfermés.

Léonard De Vinci se rendit compte après de nombreux prototype qu'il lui était impossible de réaliser une machine permettant de voler à son époque. Il créa en revanche la soufflerie aérodynamique afin d'étudier l'effet de l'écoulement de l'air sur un objet.

Le britannique George Cayley découvre lui les principes de base de l'aérodynamisme, et comprend que le poids et la traînée sont les deux forces qu'il faut vaincre. Il comprend également qu'il est inutile de reproduire le vol battu des oiseaux, et que les ailes doivent être fixes. Il établit ainsi la forme de base de l'avion.

L’aérodynamisme est apparu à la fin du XIXème siècle lorsque les premiers fondateurs

de l’aviation ont essayé de faire voler des objets « plus lourd que l’air ». Depuis un ciel,

le vol se faisait par le biais d’objets « plus légers que l’air » comme les montgolfières

(le premier vol de montgolfière fut en 1782 à Versailles). L’aile n’étant alors pas connu,

il était impensable que des objets plus lourds puissent voler.

Le 9 octobre 1890 a eu lieu le premier vol d’un avion en France, avec le prototype Eole

de Clément Ader qui s’est inspiré des ailes d’une chauve-souris afin de faire voler son

engin.

A l’époque, on se préoccupait seulement de la portance puisque les avions et les

voitures n’avaient pas encore une vitesse élevée.

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Le premier avion stable et manœuvrable fut inventé par les frères Wright en 1903.

C'est véritablement dans la course automobile que l'on retrouve la première évocation

de la notion d'aérodynamisme dans le sens de la performance. Les constructeurs se

sont intéressés à l'aérodynamisme de leurs modèles. Dans les années 1910, les

constructeurs vont profiler les fuselages et les carrosseries, Peugeot est le premier à

le faire avec l’aide de Gustave Eiffel en créant une soufflerie dans la tour Eiffel qui

risque à l’époque de se faire démolir. Ces premières expériences eurent lieu sur la

Peugeot L45 de course bénéficiant d’un profile sur l’arrière du véhicule.

L’aérodynamisme se développe rapidement à partir de la Première Guerre mondiale. Les avions alors faits uniquement de toile et de bois et ne disposant d’aucun fuselage se sont vu être construits en acier avec une forme de goutte d’eau. Cette forme fut également adaptée dans l’automobile. Dans ce secteur pareillement on cherche à réduire la traînée, les roues furent carénées afin de ne plus faire obstacle au flux d’air.

C’est à la fin de la Seconde Guerre mondiale que l’on découvre de nombreux types d’aile, les avions étant jusqu’alors équipés de voilures droites. On invente les ailes en flèches qui restent aujourd’hui les plus utilisées, mais également l’aile delta

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particulièrement adaptée au vol supersonique d’où le fait qu’un grand nombre d’avions de chasse l’adoptent.

Dans l’automobile, on met en place le principe de la portance, mais dans le sens

inverse afin de donner aux voitures une meilleure adhérence. Des ailerons

apparaissent en premier temps sur les Formule 1 à la fin des années soixante.

Aujourd'hui, ces ailerons se sont perfectionnés et sont mis en place sur des voitures

de sport, de course ou de série. Ils peuvent même parfois être rétractables : on appelle

cela de l'aérodynamisme actif.

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Les principales forces dans l’aérodynamisme

La portance La portance est la force permettant à un aéronef ou à un oiseau de s’élever et de se maintenir en altitude. La portance aérodynamique est la composante de la force exercée sur un corps en mouvement dans un fluide. Elle s’exerce perpendiculairement à la direction du mouvement. L’avion vole grâce à ses ailes et grâce à sa vitesse. Une aile comporte toujours deux

faces : la face supérieure (extrados) avec une forme bombée, et la face inférieure

(intrados) avec une forme plutôt plane. La "pointe" avant est appelée bord d'attaque et

l'extrémité arrière est appelée bord de fuite.

Lorsque les ailes se déplacent vers l'avant, l'air se divise en deux parties, l'une passant

par l’extrados, et l'autre par l’intrados. Ces molécules d'air qui se séparent au niveau

du bord d'attaque doivent se rejoindre au niveau du bord de fuite. Or la distance à

parcourir pour les molécules passant sur le dessus de l'aile (extrados) est plus longue

que pour celles passant en dessous (intrados). Elles doivent donc aller plus vite. Cela

créé une surpression en dessous de l'aile et une dépression sur le dessus attirant celle

ci vers le haut et permettant de « porter » l’avion

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On exprime cette force par la relation suivante :

Fz=½.ρ.V².S.Cz

Fz : Portance exprimée en Newton (N)

ρ : La masse volumique du fluide exprimée en kg.m‾³

V : La vitesse en m.s-1

S : Surface de référence en m².

Cz : Coefficient de portance (sans unité)

La portance forme une courbe ayant pour coefficient de portance Cz en fonction de son incidence Sur le dessin ci-contre le coefficient de portance Cz augmente avec l'incidence. Sa valeur maximale est Czmax. Au-delà de cette incidence critique, l'aile décroche. Exemple de faible incidence (a gauche) et de forte incidence (a droite) : Nous remarquons que l’aile ayant une faible incidence laisse derrière elle une légère traînée, tandis que l’aile de gauche, avec une forte incidence, laisse quant à elle une forte traînée, elle est à la limite du décrochage.

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Le poids

Dans l’aviation, le poids est la force s'opposant à la portance.

Ainsi ce dernier est un vecteur qui a son sens vers le bas depuis le centre de gravité de l’appareil.

Le poids peut être calculé à l’aide de la formule suivante :

P = m.G

P : Poids exprimée en Newton (N)

m : La masse exprimée en kg

G : Constante gravitationnelle (elle est de 1 sur terre) en N/kg

Afin qu'un avion puisse voler, la portance doit être plus importante que le poids. C’est

lorsque la force de portance Fz devient plus forte que l'avion peut décoller.

Pour qu’un vol soit stable, le poids doit être égal à la portance.

→ Poids > Portance → l'avion pique

→ Poids < Portance → l'avion se cabre

→ Poids = Portance → l'avion est stable

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L’appui et le poids :

En sport automobile, le poids peut aussi être une aide, on cherche à créer du poids

afin de "coller" la voiture au sol pour que celle ci ait une meilleure adhérence avec la

piste notamment dans les virages, on appelle cela de l'appui. Ce sont les ailerons qui

créent l'appui en agissant comme des ailes, mais à l'envers.

Les ailerons ont aussi des inconvénients car ils créent de la traînée ce qui peut

pénaliser les voitures en ligne droite. C'est pourquoi l'aileron arrière d'une Formule 1

peut s'ouvrir dans ces zones à haute vitesse.

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Le facteur de charge et le poids :

Le facteur de charge correspond au rapport entre le poids apparent d'un objet (en

fonction de sa masse et des forces d'inertie qu'il subit) et son poids réel (lié à

la gravité). Ce facteur ne dispose pas d'unité, mais s'exprime souvent en g.

Facteur de charge = Poids apparent (gravité+force d’inertie)/Poids réel (gravité)

Un avion subit un facteur de charge positif lorsque la portance est orientée vers le

« toit » de l'avion.

- facteur de charge supérieur à 1 : sensation de tassement

- facteur de charge proche de 0 : sensation d'apesanteur

- facteur de charge négatif : sensation d'être projeté vers le haut

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La poussée

La poussée est la force exercée par l'accélération de gaz (souvent de l'air éjectée vers

l'arrière par l'hélice ou des gaz résultant d'une combustion (réacteur)), dans le sens

opposé à la traînée. On nomme cette force poussé pour les avions à réaction, et

traction pour les avions possédant des moteurs à hélices.

La force de poussée est le résultat de l'éjection des particules constituant le gaz éjecté

vers l'arrière d’un objet, c’est la conversion de l'énergie thermique en énergie cinétique.

Lorsque l'air passe dans les réacteurs, il est expulsé plus rapidement qu'il n'y est entré

(Cela est dû au principe d'action-réaction) L'avion est alors poussé vers l'avant. La

poussée s’oppose à la trainée, lors d'un vol stabilisé, les deux forces s'équilibrent et

l'avion adopte une vitesse constante. L’avion prend de la vitesse lorsque la poussée

augmente et dépasse momentanément la trainée.

Thermiquement parlant, la poussée dépend des conditions de pression et de

température au foyer du moteur.

La relation donnant la valeur de la force de poussée est la suivante :

F=Ve.Qm+A1(P1-Pa)

F : Poussée exprimée en Newton (N)

Ve : Vitesse d’éjection des gaz en m.s-1

Qm : Débit massique en kg.s-1

A1 : Aire de la section de sortie de la tuyère en m2

P1 : Pression à la sortie de la tuyère en Pa

Pa : Pression ambiante ou pression à l'extérieur en Pa

Cette relation se simplifie lorsque P1 = Pa et devient F = ve.qm dans ce cas, on dit que

la tuyère est adaptée ou que le régime de fonctionnement est adapté.

Poussée

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Résumé des caractéristiques de la poussée :

- La poussée s’applique au centre de gravité du système.

- Sa direction est parallèle à la trajectoire de l’avion.

- Son sens est vers l’avant du corps étudié.

- Son intensité dépend du régime moteur.

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La traînée

La trainée est l’ensemble des forces qui s'opposent au mouvement d'un corps dans

un liquide ou un gaz et agit comme une force de frottement. Elle s’oppose à la

poussée.

La relation donnant la valeur de la force de traînée est la suivante:

F=1/2.p.S.Cx.V2

F : Traînée exprimée en Newton (N)

p : Masse volumique du fluide

S : Surface de référence

Cx : Coefficient de traînée (déterminé expérimentalement)

V : Vitesse de l’obstacle

L'air s'écoule de façon différente selon la forme des objets.

Plus la surface d’un objet exposée à l’écoulement de l’air

sera grande, moins l’objet possèdera une bonne

pénétration dans l’air.

Voici quelques exemples de formes ainsi que leur

coefficient de traînée, plus ce coefficient sera faible, plus

la pénétration dans l’air sera optimale, et plus l’objet sera

aérodynamique.

Différents phénomènes sont à prendre en compte sur la trainé totale, on peut

distinguer la traînée de forme, la traînée de frottement, et la traînée d'onde (formant la

traînée parasite), ainsi que la traînée induite due à la portance.

Les Traînées parasites : La trainé de frottement :

La trainé de frottement est la résistance à l'écoulement de l’air que présente un corps. On favorise des surfaces lisses à des surfaces rugueuses ou irrégulières pour que les filets d'air "accrochent" l’objet et ne se décollent pas. Les molécules d'air en contact avec la surface d'un corps sont freinées par les forces de frottement. Ces forces sont telles que la vitesse des filets d'air est nulle au contact du corps. Pour un avion de transport du type Airbus ou Boeing, la traînée de frottement contribue pour environ 50% à la traînée totale.

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La trainé de forme :

La trainée de forme provient du détachement des filets d'airs à l'arrière d’un objet. Apres la trainée de frottement les filets d’air se décrochent à l’arrière de l’objet dans le sens du vent relatif. La pression au bord d'attaque étant alors plus forte que la pression au bord de fuite, une force aérodynamique va alors former des hautes pressions vers les basses pressions. C'est la trainée de forme.

On peut voir sur l’image ci-dessus que les filets se décrochent à l’arrière de la voiture créant une zone de dépression (en bleu) et ralentissant ainsi la voiture tout en augmentant sa consommation de carburant. Cela explique par exemple que les avions de ligne ont un arrière très profilé.

Sur ces images, on remarque que : - Dans le premier cas où le corps est une plaque perpendiculaire à l’axe du vent

relatif, des tourbillons se forment à l’avant et à l’arrière du corps. C’est le pire cas de figure possible pour une bonne pénétration dans l’air.

- Dans le deuxième cas les tourbillons se forment à l’arrière créant une trainée pénalisante.

- Dans le troisième cas, le corps étant profilé, les tourbillons ne se forment plus, et les filets d’air se décrochent au dernier moment. Sa pénétration dans l’air est efficace, il est le corps le plus aérodynamique des trois.

La trainé d’onde :

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La traînée d'onde a pour origine le passage aux vitesses supersoniques. En effet,

lorsqu'un objet (généralement un avion ou une fusée) atteint la vitesse du son, une

onde de choc se produit à l’avant de l'avion. Il se forme une surpression ralentissant

l’objet, ce qui explique qu'il faut une énergie considérable pour atteindre de telles

vitesses. On peut voir cette onde de choc se produire sur les avions de chasse

lorsqu'ils dépassent la vitesse du son :

La traînée induite : La traînée induite est une force de résistance à l'avancement due à la portance, et qui

dépend de certaines caractéristiques de l'aile (allongement, forme, flèche…).

Pour avoir une portance, il faut une surpression relative à l’intrados de l’aile et/ou une

dépression relative à l’extrados de l’aile. Sous l'effet de cette différence de pression,

l’air passe directement de l’intrados à l’extrados en contournant l'extrémité de l'aile et

crée une déviation du flux d'air aussi appelé vortex.

Traînée totale

Trainée totale = Trainée induite + Traînée parasite

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Sur le schéma ci-dessous on constate que la traînée totale est minimum lorsque la

traînée induite est égale à la traînée parasite.

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DEVELOPPEMENT – LE BIOMIMETISME

Les principes du Biomimétisme

Le biomimétisme est un processus d'innovation et une ingénierie, consistant à s’inspirer des formes, matières, propriétés, processus et fonctions propres aux organismes vivants et aux écosystèmes. Le but du biomimétisme est principalement de produire des biens et des services de manière durable dans différents domaines. Cela permet d’appliquer ces propriétés naturelles aux besoins de l'Homme, et de rendre les sociétés humaines compatibles avec la biosphère.

Le biomimétisme peut concerner des échelles nanométriques et biomoléculaires avec par exemple l'ADN et l'ARN, et jusqu'à des échelles macroscopiques et écosystémiques.

En France, l’intérêt pour le biomimétisme se développe rapidement. De nombreux laboratoires de recherches, des collectivités publiques, des cabinets d’architectes ou de designers, des entreprises de toutes tailles et de tous secteurs d’activité innovent de manière durable, afin de réduire leur consommation d’énergies et de ressources naturelles.

La nature et le vivant sont déjà des sources d’inspirations. Dans la nature, les organismes vivent en équilibre dynamique avec l’ensemble de l’écosystème. Il conviendra d’identifier le potentiel mais aussi les limites, les contraintes et les risques éventuels de la démarche.

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Exemples dans l’aérodynamisme

La peau de requin dans l’aviation

Les prémices de la recherche sur la peau de requin commencent dans les années 70 aux Etats-Unis, lorsque des constructeurs d’avions s’intéressent à la vitesse de déplacement des requins et des dauphins dans l’eau en émettant l’hypothèse que leur vitesse de déplacement serait due à leur peau. Les chercheurs ont donc observés des rainures sur la peau des requins et en déduisent que ce sont ces dernières qui sont la source de leur déplacement particulièrement fluide dans l’eau. Ce phénomène est appelé « riblet » La peau de requin est composée de millions de denticules ou micro rainures (petites écailles en forme de dents) favorisant le déplacement du requin dans l’eau puisqu’elles permettent de réduire la résistance entre le corps de l’animal et l’eau et améliore ainsi l’aérodynamisme.

Lufthansa va prendre exemple sur la peau du requin en effectuant des tests durant deux ans sur des A340-300 afin de tester la durabilité du projet. L’efficacité de ce principe à déjà été prouvée sur les combinaisons des nageurs, il a même été interdit de porter de telle combinaison, en haut niveau, jugée trop efficace.

La compagnie aérienne allemande va alors équiper leurs avions d’une couche de vernis ayant les propriétés de la peau de requin.

Cela a pour effets de réduire de 8% la trainée par frottement produite et de réduire de 4% la trainée générale. Selon l’Institut allemand en collaboration avec Airbus et le Centre aérospatial allemand (DLR), un avion recouvert de 40 à 70 % de son fuselage d’une couche de vernis à micro sillons, permettrait une économie de carburant de 1 %.

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La cigogne et les winglets

Dans le vol de leurs avions, des ingénieurs

et techniciens se sont vus confrontés un jour

à une difficulté particulière, le courant aérien

se rompt à la fin des ailes, créant des

tourbillons qui augmentent la résistance

aérodynamique.

Le flux d’air passant en dessous de l'aile est

en surpression et l'air passant au dessus est

en dépression (voir portance). De ce fait, à

l'extrémité de l'aile, le flux de l'intrados en surpression passe au dessus du flux de

l'extrados en dépression, ce qui entraine la formation des tourbillons également

appelés marginal. Ces tourbillons augmentent la résistance aérodynamique de l'avion

réduisant ainsi sa vitesse.

C’est l’ingénieur Richard Whitcomb qui découvre que les plumes relevées au bout des

ailes des cigognes (appelés rémiges) forment en fait une barrière empêchant l'air en

surpression de remonter sur l'extrados, et limitant ainsi les tourbillons formés.

Les ingénieurs placèrent alors des winglets aux extrémités des ailes des avions. Tout

comme les rémiges, ils agissent comme des murs réduisant le flux d'air passant de

l'intrados à l'extrados. Les tourbillons marginaux sont alors limités, et la trainée est

moins importante. Les résultats sont concluants puisque les tourbillons sont réduits,

augmentant la vitesse de l'avion et réduisant sa consommation d'énergie.

Aujourd'hui presque tous les avions de lignes sont équipés de ces winglets.

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Le poisson coffre et la voiture

Réduire la consommation en carburant est des plus importants chez les constructeurs

automobiles. Les concepteurs de chez Mercedes se sont inspirés du poisson coffre,

un poisson vivant dans les coraux des eaux tropicales. Ce poisson coffre peut nager

très vite (six fois la longueur de son corps chaque seconde). Malgré sa structure

angulaire, le poisson-coffre possède des qualités aérodynamiques proches de la

goutte d'eau, considérée par les ingénieurs comme la forme idéale. C’est

paradoxalement sa forme cubique qui améliore ses qualités aérodynamiques.

Les ingénieurs ont construit une maquette de poisson coffre pour la tester en soufflerie

pour finalement constater qu’elle bénéficiait d’une pénétration dans l’air bien meilleure

que les voitures compactes. Ils nomme le prototype Bionic car

Ce prototype pouvant transporter quatre passagers et leurs bagages obtient ainsi le

record d’un Cx de 0.19. Sa consommation moyenne s’élève à 4,3L/100 km, et peut

descendre jusqu’à 2,8L à la vitesse de 90 km/h. Soit une baisse de 20 % de la

consommation et de 80 % des émissions d’oxyde d’azote (NOx) par rapport à une

berline compacte équivalente (un catalyseur de réduction est utilisé sur le véhicule).

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La carrosserie de la « bionic car » a également été entièrement pensée. Elle se

compose de panneaux hexagonaux soutenus par une sorte de colonne vertébrale

métallique assurant rigidité, et résistance aux collisions. Cela a également permis

d’abaisser le poids du véhicule d’environ 30 %.

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Le martin-pêcheur et le TGV japonais

Le Japon est un grand pays, l'île principale Honshū a une superficie de plus de 1200

km. En tant que pays développé, le Japon a pour obligation de s’équiper d'un réseau

ferroviaire. Étant le moyen de transport majeur dans le pays, les trains à grande vitesse

sont très développés notamment grâce au Shinkansen signifiant nouvelles grandes

lignes. Mais le Japon est aussi un pays de reliefs, obligeant les trains à traverser un

grand nombre de tunnels.

Le TGV japonais roule à plus de 300 km/h lors de sa traversée d’un tunnel. Lorsqu’un

train y entre avec une vitesse élevée, l'air se compresse devant le train car il n’a pas

suffisamment de place pour s'échapper sur les côtés et ce, à cause des parois du

tunnel. Cela engendre une explosion sonore importante à l'autre bout du tunnel lorsque

l'air s'échappe (dans le cas du Shinkansen, le bruit a même dépassé les normes

acoustiques), mais également de fortes vibrations et une succession de

compression/décompression désagréable pour les passagers. Enfin, cela provoque un

ralentissement du train et donc de l'énergie supplémentaire pour pouvoir ré accélérer.

Il fallait donc que les ingénieurs trouvent une solution afin de réduire au maximum ce

problème : c'est l'ingénieur (et ornithologue) Eiji Nakatsu qui s'est inspiré du martin-

pêcheur, un oiseau au corps particulièrement fuselé permettant de réduire sa trainée

aérodynamique et capable de plonger pour attraper ses proies dans l’eau sans perdre

de vitesse ni faire de remous. Il passe d'un milieu peu dense (l'air) à un milieu très

dense (l'eau).

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Eiji Nakatsu a donc comparé les deux phénomènes : quand un train passe dans un

tunnel, il rencontre une forte résistance due à la pression de l'air, tout comme le martin-

pêcheur confronté à une résistance lors de son plongeon quand il change de milieu.

L’ingénieur a conçu sur son ordinateur le profil idéal pour le nez du train en imitant la

forme du bec et de la tête de l'oiseau. Cela a permis de réduire les vibrations et le bruit

pour les voyageurs, mais surtout de réduire de 15 % la consommation électrique.

Comparatif de la trainée entre un train classique et le Shinkanser :

Nous allons calculer la force de traînée d’un train classique (notée FT) ainsi que du

martin-pêcheur/Shinkansen (notée FS). On estimera qu’ils seront de la même taille

(‘rayon’ de 1 m soit une surface de π m²) et qu’ils se déplaceront à la même vitesse

de 80 m/s (288 km/h), dans l’air à 20°C, dont la masse volumique est de 1,204

kg/m3. Nous utiliserons un coefficient de traînée de 0,3 pour le Shinkansen et de 1,0

pour le train classique.

Force de traînée de train classique:

FT = 1/2pSCTV2

= ½.1,204.π.1,0.802

= 12104 N

Force de traînée du Shinkansen:

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FS = 1/2pSCSV2

= ½.1,204.π.0,3.802

= 3631 N

Comparaison des deux forces calculées:

FT/FS = 12104/3631 = 3,3

Le modèle de train classique a donc 3,3 fois plus de résistance d’air que le Shinkansen.

Nous pouvons confirmer ce résultat en comparant les coefficients de trainée des deux

trains : CT/Cs = 1/0,3 = 3,3

Grâce à ces calculs, nous pouvons conclure que la traînée aérodynamique du

Shinkansen est beaucoup plus faible que celle d’un train classique. Cela permet donc

d’augmenter sa vitesse et de diminuer le son lors de ses changements de milieu.

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CONCLUSION

A travers ce TPE, nous voulions savoir en quoi la nature a influencé l’homme dans sa

recherche du progrès dans l’aérodynamisme. Nous avons donc étudié

l’aérodynamisme, son histoire ainsi que ses principales forces. Ainsi, nous avons vu

qu'un corps en déplacement dans l'air subit quatre forces. La trainée s'oppose à la

poussée et la portance s’oppose au poids. Par la suite, nous nous sommes intéressé

à la présence du biomimétisme dans l’aérodynamisme. Cette science a joué un rôle

important dans de nouvelles solutions technologiques, afin d’améliorer

l’aérodynamisme d’engins et ainsi résoudre des problèmes de bruit (exemple du

Shinkansen), mais principalement de consommation d’énergie (en réduisant la traînée

et le poids, ainsi qu’en augmentant la portance aérodynamique) dont les hommes se

soucient de plus en plus de nos jours.

La forme, les principes, et les fonctions de certains animaux ou végétaux nous offre

naturellement la solution à ces problèmes.

Mais le biomimétisme ne s’arrête pas au domaine de l’aérodynamisme, cette science

émergeante sert de modèle pour l’homme dans un grand nombre de domaines comme

l’écologie, la santé, la sécurité, ou encore les conditions de vies. Nous pouvons

facilement prendre l’exemple de la Tour Eiffel inspirée de l’os du fémur, ou encore des

scratchs inspirés de la fleur de bardane initiatrice du Velcro (velours-crochet)

En conclusion globale, nous pouvons affirmer que l’homme peut encore beaucoup

exploiter les solutions proposées par la nature afin d’innover. La nature a encore

beaucoup de savoir en réserve, qu'elle pourrait nous inculquer.

Citation de Léonard de Vinci :

« Va prendre tes leçons dans la nature, c’est là qu’est notre futur !»

Nous vous remercions pour tout l’intérêt que vous aurez porté à la lecture de notre

TPE.

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BIBLIOGRAPHIE

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Emission

C'est pas sorcier - Les sorciers ne manquent pas d'air ! (l'aérodynamique). [En ligne]

C’est pas sorcier, mars 2013, YouTube. Disponible sur :

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