top of page
Ce site a été conçu sur la plateforme de création de sites internet
.com
. Créez votre site aujourd'hui.Commencez

I. Les forces en présence

          B. Application au vol

1.  application de la 2eme loi de Newton

La 2ème loi de Newton nous indique que la somme des forces extérieures qui s’appliquent sur l’objet volant (l’oiseau ou l’avion) est proportionnelle à son accélération.

Le fait qu’il se maintienne en vol indique donc que l’accélération n’est donc pas verticale. Ce concept doit être entendu sur la durée moyenne d’un vol et non à tout instant car on verra plus loin dans le descriptif des différents vols que le vol d’un oiseau n’est pas linéaire (en particulier le vol battu). 

2.  l'absence de sol implique l'absence de réaction 

a. La chute 

​

Nous avons cité plus haut la 3ème loi de Newton qui explique la réaction du sol qui compense l’effet du poids. Dans sa définition, Newton précise qu’il s’agit de la réaction d’un solide S1 sur une solide S2. Dans l’air , ce solide S2 n’existe pas et il n’y a donc pas de force de réaction. Ce qui explique qu’un objet laché d’une certaine hauteur tombe jusqu’à ce qu’il rencontre le sol ou un autre solide.

 

b. la résistance de l'air à la chute

​

Cependant, s’il est un fluide et qu’il n’émet donc pas de force de réaction, l’air possède une viscosité qui  limite la pénétration de l’objet qui chute dans l’air.

C’est cette résistance qui est utilisée par les parachutes : en gênant l’écoulement de l’air on freine le déplacement au sein de ce fluide.

Cette force dépend donc de la forme de l’objet et de sa capacité à gêner l’écoulement de l’air.

Les ailes (d’avion et d’oiseau), par leur surface plane ont cette capacité à s’opposer à cet écoulement

L’expérience du parachute

Nous avons ici mis en oeuvre la résistance de l'air à la chute.

​

Pour cela, nous avons lâché dans le patio du bâtiment D du lycée, à partir du premier étage, deux personnages (soldats en plastique) de même masse.

Le soldat jaune est équipé d'un parachute en film plastique alors que le soldat vert est "nu".

Alors que nous lâchons le soldat vert en deuxième, il touche terre en premier. Nous constatons que celui équipé d'un parachute arrive plus tard au sol. Sa chute a donc été freinée, ce qui met en évidence une force verticale du bas vers le haut.

​

3. Bilan provisoire des forces

En établissant un premier bilan des forces sur un oiseau en vol avec les forces que nous connaissons, nous constatons que l'oiseau devrait chuter car la somme des forces est un vecteur vertical : l'accélération va donc dans ce sens. 

4. la portance

a. la portance nécessaire pour expliquer le maintien en vol

 

Si notre oiseau vu plus haut se maintient en vol à une vitesse constante, c'est selon la 1ère loi de Newton que la somme des forces qui s'appliquent sur lui s'annule. l'observation de cet oiseau en train de voler nous amène à en déduire l'existence d'une force lui permettant de rester en sustentation  : c'est la portance

Le vol n'étant observé que chez des animaux disposant d'ailes, nous comprenons que la force de portance est due à ces ailes.

 

b. La différence de pression entre l'extrados et l'intrados

​

Etant donné que toutes les autres forces ont été éliminées, la force subie par une aile dans l'air ne peut provenir que de cet air : nous en concluons que la portance est liée à une différence de pression de l'air entre le dessus et le dessous de l'aile.

Nous observons également que cette force ne s'applique pas sur un objet fixe dans le ciel (voir notre expérience du parachute). La portance ne se produit que lorsqu'un flux d'air arrive sur l'aile.

​

 

c. Tentatives d'explications de la portance

​

En effectuant des recherches sur la portance, nous avons été très surpris : en effet, si la portance est modélisée par une formule, l'explication du phénomène donne lieu à plusieurs théories.

​

 Ces explications s’appuient sur des principes physiques valides : 

​

  • Le principe de Bernouilli : Daniel Bernoulli (1700-1782) est un médecin, physicien et mathématicien suisse. Il a posé les bases de la dynamique des fluides. Son "principe", qui est une application de la loi générale de conservation de l'énergie énonce que si la vitesse d'un flux d'air augmente, alors sa pression diminue.

Nous avons mis en oeuvre une expérience permettant de visualiser ce principe : Experience Bernouilli

​

  • L'accélération de l'air sur l'extrados d'une aile : Puisqu'il y a une dépression sur l'extrados, on peut en conclure à partir du principe de Bernouilli que la vitesse de l'air augmente par rapport à l'intrados. Mais est-ce la cause ou un effet de la portance?

​

​

Parmi les explications de la portance, on peut citer : 

​

  • Le "principe des temps égaux"  : ce principe contesté attribue l'augmentation de la vitesse sur l'extrados à la différence de distance à parcourir : pour rejoindre  les molécules d'air qui sont passées en dessous de l'aile,  celles qui passent au dessus seraient obligées d'accélérer. Et par application du principe de Bernouilli, on obtiendrait ainsi la dépression qui explique la portance.

​

​

  • L'effet Coanda : C’est une théorie de l'ingénieur roumain Henri Coanda, basée sur la troisième loi de Newton. Selon lui, un flux d'air rencontrant un profil bombé a tendance à épouser le contour du profil. Ainsi l'air serait dévié par le profil d'aile et appliquerait une réaction qui générerait la portance.

​

  • La théorie de Kutta-Jukowski du nom de deux mathématiciens allemand et russe qui attribuent la portance à l'arête du bord de fuite : celui-ci génèrerait un tourbillon initiateur qui entraînerait à son tour un tourbillon inverse sur le bord d'attaque. Ce deuxième tourbillon, générerait une circulation d'air sur l'extrados qui accélérerait l'air.

  • La théorie de David Anderson et Scott Eberhardt : ces deux scientifiques de renom défendent une explication du phénomène de portance qui combine les effets de toutes les théories précédentes.

​

 

 

Cette incapacité de la communauté scientifique à modéliser la création théorique de la portance alors que des milliers d’avions volent chaque jour  montre à quel point la démarche d'apprentissage du vol a été expérimentale.

Même si aujourd'hui cette démarche s'appuie sur des parametres précis (angle d'incidence, rapport corde/extrados, etc...) la démarche de copie des oiseaux a bien été à l'origine du vol par les humains.

5. Obtenir la différence de pression pour générer la portance et voler

L'observation attentive du vol des oiseaux montre que différentes techniques sont utilisées par les oiseaux. En effet, tous ne volent pas de la même façon :

  • certains battent des ailes en continu (canard),

  • alors que d'autres planent (albatros)

  • d'autres encore utilisent les deux techniques alternativement (rapaces)

​

Nous en concluons que ces différentes techniques de vol correspondent à différentes manières de générer la portance. Nous examinerons chacune de ces techniques successivement.

Nous constatons que le mimétisme de ces différentes techniques correspond à l'évolution des progrès de l'homme dans sa recherche pour voler.

C'est pourquoi nous examinerons d'abord les tentatives de l'homme de copier le vol battu, puis ses réussites en copiant le vol plané.

​

bottom of page