Depuis toujours, l’homme a rêvé de voler; Icare, héros de la mythologie, a simplement essayé en se collant des plumes aux bras avec de la cire; Léonard de Vinci avec un dessin d’avion chauve-souris ou encore Clément Ader qui a cette fois construit l’avion chauve souris. L’homme n’en est pas resté à ce point et a réussi à progresser au fil du temps. Ce progrès est dû aux observations sur les animaux et à la capacité de l’Homme à s'approprier les lois de la nature. Nous nous sommes donc demandé : Comment les animaux volants ont-ils été bénéfiques à l’homme pour créer les premières machines volantes et arriver aux avions de nos jours ? C’est pourquoi avant de créer les gros avions de ligne l’homme a beaucoup progressé en terme d’aérodynamisme en aéronautique. Nous nous sommes donc intéressés aux forces exercées sur un avion et comment nous les retrouvons chez les animaux.

         

        La portance en aéronautique est l’effet produit lorsqu’un flux d’air passe plus rapidement au dessus qu’en dessous de l’aile d'un avion. Cette force s’exerce perpendiculairement à la direction de l’avion. Ce principe permet à l’avion de se soulever grâce à la dépression formée sur la partie supérieure de l’aile. L’avion est donc aspiré vers le haut cela lui permet de décoller. C’est le principe de Bernoulli, établi en 1738 par Daniel Bernoulli un médecin, mathématicien et physicien suisse. Son principe dit qu’une accélération entraîne une chute de pression dans un fluide (air ou eau).

        
Le décollage d’un avion est facilité par les volets, des “spoilers” inversés qui sont orientés dans le même sens que l’aile ce qui crée une plus grande surface sur l’aile et donc une plus grosse dépression. L’avion est alors aspiré vers le haut, dans cette dépression.

Par ailleurs lors de l’atterrissage les volets sont orientés vers le haut pour maintenir l’avion au sol.

        Lorsque l’avion est en l’air, le déploiement total des volets n’est pas nécessaire, car les ailes permettent de le maintenir en l’air. L’avion avance grâce à la propulsion du moteur, ce qui aide aussi au maintien en l’air puisqu’un avion ne décolle pas sans vitesse. Les volets permettent d’augmenter la portance, le maintien en l’air de l’avion est facilité, la consommation de carburant est réduite.

        La formule de la portance est la suivante :

F = ½ x p x v²  x S x C

p: masse volumique du fluide (air) en kg/m (cube)

V : vitesse de l’avion en m/s

S : surfaces de référence m²

C : coefficient de portances qui est utilisé pour quantifier la portance et se calcule C=f/ (½ x p x V²)x S

F est la force de la portance verticale en newtons

        La portance est aussi due au fait que la surface supérieure de l’aile est plus grande que la surface inférieure. Or on sait que plus la dépression formée est grande, plus la portance est importante c’est pourquoi l'extrados est plus grand que l’intrados, de sorte à créer une plus grosse dépression au dessus qu'au dessous de l’aile et donc réussir à augmenter la portance.

        Cette force permet aussi aux oiseaux de pouvoir voler, planer et de se maintenir en altitude. Lors du vol plané des oiseaux, la portance est importante pour eux. Sur les longs parcours, les oiseaux ne peuvent pas continuellement battre des ailes, pour se reposer ils utilisent seulement la surface de leurs ailes pour planer. Le principe de la portance est le même que pour l’avion, le battement de leurs ailes permet de décoller et d’avancer. Une fois en l’air, grâce à la vitesse et à la surface de leurs ailes, une dépression se crée et leur vol est facilité. On remarquera aussi que les gros rapaces lourds et musclés tels que les aigles ont de grandes ailes pour augmenter la portance. Les grandes ailes sont aussi utiles aux planeurs, ces avions qui utilisent principalement la portance pour voler.

        L’homme s’en est inspiré pour créer les ailes de l’avion. La forme des ailes d'avion n’a cessé de se rapprocher de celle des oiseaux.

La vitesse permet aussi aux avions de voler et d’augmenter la portance puisque que plus la vitesse augmente plus la portance est grande. C’est ce qu’on appelle le vent vitesse.

Voici les vidéos de nos expériences sur la portance :
Nous avons modélisé une aile d'avion avec une feuille rigide et modélisé le vent avec des sèches cheveux.

Dans cette première expérience l'extrados est plus long que l'intrados mais les volets sont orientés vers le haut à la façon d'un atterrissage, l'aile ne décolle pas :

Dans cette dernière expérience, les volets sont orientés vers le bas à la façon d'un décollage, avec l'extrados plus important, l'aile décolle :

Sur ce dernier, le poids importe peu puisqu’il est compensé par la portance (forme et taille de l’aile), il est aussi compensé par la vitesse. Le poids maintient l’avion au sol lorsqu’il est à l’arrêt ou lorsqu’il a une faible vitesse mais ne disparaît pas lorsqu’il est en l’air. Ce phénomène provient de l’attraction terrestre.

        Sur une voiture le poids doit être plus important que la portance, pour qu’elle ne s’envole pas. Lorsque le poids n’est pas assez important et que la voiture roule vite il est possible de mettre des spoilers qui vont réduire la portance pour permettre à la voiture de se maintenir au sol, et donc d’éviter de s’envoler. Ces objets fixés sur le véhicule sont surtout utilisés en sports automobiles lorsque les voitures sont très légères et que l'on recherche la vitesse maximale. Les spoilers sont donc des ailes d’avion inversées, ils sont orientés vers le bas pour que l’air passe au dessus afin de plaquer le véhicule au sol. Ce mouvement d’air crée aussi une dépression mais au dessous pour attirer le véhicule au sol. On remarque que le poids est une force qui varie selon les astres et qui se calcule à partir de la masse avec la formule : P = m x g (P s’exprime en newtons, m en kg et g en m/s²)

g varie selon les astres, c’est l’accélération de la pesanteur.

Sur Terre g a pour valeur 9,81m/s² et seulement 1,62m/s² sur la lune.

g est la constante gravitationnelle.
Pour une même masse le poids ne sera pas le même sur différents astres

        Pour les oiseaux et les avions que ce soit les volets ou les ailes des oiseaux, ceux-ci ont un impact sur la portance. A l’atterrissage, les volets se lèvent tandis que les oiseaux inclinent leurs ailes entièrement.

        La portance ainsi que le poids ne sont pas seulement applicables aux avions et aux oiseaux. Tous les véhicules sont concernés par ces forces. Elles sont parfois des contraintes comme le poids lorsqu’on vole ou la portance si on veut rouler. Cependant c’est aussi des avantages par exemple la portance pour voler ou le poids pour se maintenir au sol. Le poids peut aussi être une contrainte lorsque l’on roule, par exemple pour les voitures de formule 1, il est préférable d’avoir un faible poids pour les ralentir le moins possible. A cause du faible poids, il y a un risque que la voiture s’envole d'où la nécessité d'installer des spoilers qui réduisent portance. L’Homme veut parfois aller trop loin et pousser le rapport entre la vitesse et la portance, à la limite où la voiture peut s’envoler.

Voici un spoiler placé à l'arrière d'une voiture de formule 1 :

C’est le cas lors de cette course aux États-Unis. En haut d’une légère pente, l’air s’est engouffré sous la voiture et cette dernière s’est envolée.

Lien vidéo : https://www.youtube.com/watch?v=g8XxQkXCmsU

        Ces deux forces fonctionnent ensemble, si un oiseau a un poids trop élevé par rapport à la portance possible avec ses ailes, cet oiseau ne pourra pas voler. C’est le cas des poules ou des autruches par exemple.




        La poussée ou la propulsion est la force créée par l’animal ou l’avion qui permet de le faire avancer grâce au moteur qui entraîne des hélices pour l’avion ou grâce aux ailes pour l’oiseau. L’oiseau se propulse avec ses ailes lors des vols actifs. Il bat des ailes en les inclinant ce qui lui permet d’avancer et de monter en altitude. Ses ailes sont horizontales lorsqu’il les ramène vers l’avant et elles sont verticales lorsqu’il se propulse.

        Un avion pour se propulser utilise des hélices qui ont la forme d’une aile profilée. Ces hélices permettent de propulser l’air vers l'arrière grâce au mouvement rotatif des hélices. L’air est propulsé en forme de spirale, ce qui permet de faire avancer l’avion. Les hélices sont utilisées sur tous les avions, leur taille et leur nombre diffèrent afin de propulser un avion plus ou moins gros et lourd. 



        Lorsqu’un avion ou un objet se déplace il pousse l’air devant lui et par conséquent crée un vide derrière lui, c’est la traînée. La traînée totale pour un avion est la force de l’air sur le véhicule qui tend à le ralentir en l’attirant dans un vide formé par lui-même. Le principe de Bernoulli est aussi applicable à la traînée.

        La formule générale de la traînée est la suivante : F=½ x ρ x  S x C x V²

p est la masse volumique en kg/m(cube)

S est la surface de référence où l’air exerce une force contraire à la poussée en m²

C est le coefficient de traînée

V est la vitesse en m/s

Le coefficient de traînée est le fait qu’un modèle exerce plus ou moins de résistance à l’air. Il est trouvé en soufflerie après une étude approfondie de tests et de calculs.

Voici quelques exemples types de coefficients de traînée :

La traînée totale peut être décomposée en plusieurs catégories.

La traînée induite, est la force de résistance induite par la portance et qui dépend de certaines caractéristiques de l'aile notamment de son allongement et de la distance entre les deux extrémités des ailes.

La traînée parasite contient la traînée de frottement, d'interférence et la traînée de forme ou de pression.

        La traînée de frottement est le fait qu'un fluide soit ralentit par une surface. La traînée d'interférence est quand deux fluides de direction et/ou de vitesse différente se rencontrent. C’est notamment le cas à la jonction entre différents composants.

La traînée de forme et de pression est la variation de la résistance de l'écoulement de l’air autour d’un objet.

La traînée de compressibilité ou traînée d’onde est lorsque la densité d’un fluide est différente, par exemple lors qu’un avion dépasse le mur du son.
Pour l’avion la traînée totale a une forme particulière due à la forme de l’aile.
        Les tourbillons de bord de fluide sont le fait que le flux qui passe sous l’intrados est dévié vers l'extérieur, l'extrémité de l’aile. Ce qui est le contraire du flux d’air qui passe sur l’extrados, qui lui est dévié vers l'intérieur de l’aile, vers la partie centrale de l'avion, le fuselage.

+     =   

         Ces additions de deux flux forment des tourbillons au centre des ailes.

Il y a un autre type de tourbillon qui ralentit l’avion, ce sont les tourbillons marginaux qui se trouvent aux extrémités des ailes.
Ils sont visibles lors des déplacements à grande vitesse ou lorsqu’un avion passe dans un nuage de fumée. C’est la traînée blanche que l’on aperçoit lorsqu'on regarde un avion rapide à haute altitude dans le ciel.

       
 On peut réduire ces tourbillons marginaux en vrillant légèrement l’aile ou encore en arrondissant l'extrémité de l’aile notamment.

Même si on peut les diminuer, ils seront toujours présents, il est impossible de les faire disparaître totalement.

        Les oiseaux migrateurs (oies blanches, canards colvert, …) utilisent une formation particulière en V qui permet aux oiseaux de moins s'épuiser sur de longues distances grâce à la traînée. Ils utilisent la traînée, ce vide d’air qui se crée derrière un oiseau, et qui sert au suivant pour économiser ses forces en subissant une moins grande résistance à l’air.
        La traînée se ressent aussi sur les circuits de courses automobiles, lors du dépassement. Les pilotes prennent leur élan pour doubler grâce à la traînée de la voiture présente devant lui. On peut aussi voir ce phénomène dans les courses cyclistes, lorsque les coureurs sont les uns derrière les autres.

        De la même façon que pour la portance et le poids, la poussée et la traînée sont liées. Elles sont liées mais pas de la même façon, plus la poussée ou la propulsion est importante, plus la traînée est importante aussi.

        Il existe un rapport entre la portance et la traînée avec lequel on peut calculer le temps de vol que peut effectuer un avion sans traction. Tout cela dépend évidemment des deux coefficients mais aussi de l’altitude de l’objet en vol. La finesse est le coefficient de portance Cz sur le coefficient de traînée Cx. La formule est donc la suivante : F=Cz/Cx
        Nous sommes en 2015 et l’homme depuis le premier avion a changé la forme des avions et mais surtout des ailes pour réaliser des avions plus maniables ou plus stables et trouver le bon compromis entre les deux.

        

        En cette année 2015, c’est le 90ème anniversaire de Clément Ader, un ingénieur français pionnier de l’aviation. Il est le premier à réussir à créer un avion. En effet, c’est à lui que nous devons ce terme "avion". Sa création n’a rien de comparable à celles d'aujourd'hui mais il a tout de même réussi à faire décoller cet objet, l’Eole. C’est une sorte d’avion chauve-souris qui ressemble aux croquis de Léonard de Vinci.

Voici l’avion imaginé par Clément Ader dont sa principale inspiration a été la chauve-souris, ce fut le début de l’aviation. Mais son vol ne fut pas reconnu car son avion était difficilement contrôlable.

Voici une photo de l'Eole : 

Le premier vol homologué a été celui des frères Wright grâce au Wright Flyer (1903)

        Très vite, l’homme a compris qu’il fallait s’inspirer du monde du vivant pour pouvoir voler. Les premières machines testées n’ont pas fonctionné car les différentes forces n'étaient pas bien ajustées pour décoller.    

        Léonard de Vinci a dessiné le plan de plusieurs machines volantes.

Il dessina un premier prototype, la vis volante de son nom, plus comparable à un hélicoptère qu'à un avion. Cet engin ne décolla pas du sol car la vitesse de l'hélice n'était pas assez importante. Le second prototype est une machine volante qui se base sur le principe du battement des ailes de l'oiseau. A cette époque l’Homme avait déjà compris qu'il devait s'inspirer des oiseaux pour pouvoir voler. Ces prototypes n’ont pas fonctionné car la traînée et le poids n'étaient pas compensés par la propulsion et la portance. Le premier homme a avoir découvert le principe fondamental de l’aérodynamisme est le britannique George Cayley, au début du XIXème siècle. Il comprend que le poids et la traînée sont les deux forces à vaincre pour voler. Il comprend aussi que le principe des ailes battantes ne pourra pas faire décoller un avion et par conséquent décide de mettre des ailes fixes. Il arrive donc à faire voler un planeur. C’est lui qui donnera la structure des avions d'aujourd'hui. Plusieurs essais vont être effectués avec des avions contenant des moteurs à vapeur mais ils seront trop lourds pour pouvoir décoller. Le français Louis Mouillard a créé des planeurs en s’inspirant des ailes d’oiseaux. Ensuite de nouveaux essais ont été réalisés et ont donné lieu à ceux de Clément Ader et son Eole. C'est ensuite les frères Wright qui réussiront le premier vol homologué.




        Nous avons donc vu que les forces qui aident et qui s'opposent au vol des avions sont très complexes et demandent beaucoup de travail afin d'obtenir un résultat optimal. Il faut retenir qu'il y a deux forces majeures qui s'exercent sur les avions et les oiseaux, la portance qui agit en la faveur du vol de l'avion ou de l'oiseau et la traînée qui agit en sa défaveur. Il ne faut pas oublier que les oiseaux utilisent la traînée en leur faveur afin d'économiser leur énergie. Le poids, qui est moindre, s'oppose aussi au vol. La propulsion est à part puisqu'elle est créée par l'avion ou l'oiseau. L'Homme s'est donc inspiré de la nature depuis les premiers avions jusqu'à ceux d’aujourd’hui. C'est l'objet de cet article publié dans l'usine nouvelle : http://www.usinenouvelle.com/article/chez-airbus-la-nature-reste-une-source-d-inspiration.N138156
        Finalement, l'homme n'a fait que de s'inspirer de la nature et d'améliorer ce qu'il y a observé. Les inspirations de la nature ne sont pas valables que dans l'aéronautique mais aussi dans d'autres domaines tels que les stations d'épuration pour trouver des moyens naturels pour purifier l'eau, ou encore pour la construction de maisons en s'inspirant de l'isolation naturelle des habitats des animaux. Le fait de s'inspirer des techniques de la nature pour l'appliquer aux créations de l'homme s'appelle le biomimétisme.





Cet article a été écrit par Xavier, Valentin et Corentin.
Nous remercions les professeurs qui nous ont encadrés et conseillés dans ce travail de recherches. Nous tenons aussi à remercier le personnel du laboratoire de physique, qui a facilité la réalisation de nos expériences.