Comment l'homme s'est-il inspiré des oiseaux pour parvenir à voler?
Travaux Personnels Encadrés - Lycée Saint Joseph du Loquidy - Nantes
Charles LANTZ & Valentin CHABLAT - 1ère S A 2016-2017
III. Le vol à ailes fixes
B. Le vol plané
1. le principe du vol plané
Le principe du vol plané est d'utiliser la portance générée par le vent relatif de l'oiseau ou l'avion. En effet, comme nous l’avons décrit dans la partie I, un flux d'air sur une aile bombée produit une différence de pression qui génère la portance.
2. la portance
a. la portance nécessite un flux d'air : le vent relatif
Comme nous l’avons décrit dans la partie I, un flux d'air sur une aile bombée produit une différence de pression qui génère la portance. Le vol plané ne peut donc s'effectuer qu'en présence de vent relatif.
Le vent relatif est le vent perçu par un objet en mouvement dans le flux d'air. S'il n'y a pas de vent réel, le vent relatif est donc l'opposé du vecteur vitesse. On l'appelle vent vitesse. S'il y a en plus un mouvement de l'air (du vent réel), le vent relatif est la somme vectorielle du vent réel et du vent vitesse.
C'est afin de créer du vent relatif que les avions décollent face au vent : même si ce vent de face génère un peu de traînée, il vient s'additionner au vent vitesse pour augmenter le vent relatif. Comme la portance est proportionnelle au carré de la vitesse, celle-ci augmente très rapidement, ce qui permet le décollage.
Le vent relatif nécessaire à la portance s’accroît donc avec la vitesse. Pour les oiseaux, cette vitesse peut être acquise grâce au vol battu, ou grâce au vol piqué : l'oiseau choisit de perdre de l'altitude pour gagner en vitesse et ainsi pouvoir garder l'altitude résiduelle grâce à la portance.
Les avions n'ont pas besoin de perdre de l'altitude pour générer la vitesse et la portance car leurs moteurs leur donnent cette vitesse. Mais il s'agit d'une manœuvre utilisée par les pilotes en cas de panne : provoquer une perte d'altitude pour regagner de la portance grâce à la vitesse ainsi acquise.
b. la forme concave du profil d'aile
La portance nécessite une forme d'aile particulière : la création de la dépression sur l'extrados et de la surpression sur l'intrados, est due à deux caractéristiques de l'aile :
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une forme concave de l'extrados qui rallonge la distance de l'extrados par rapport à l'intrados
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un angle d'incidence qui fait que l'air vient naturellement d'accumuler sous l'aile.
Nous observons ces deux caractéristiques sur les oiseaux.
Nous observons ci dessous des espèces réputées pour leur forte aptitude au vol plané :
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le vautour fauve (photos 1 et 2)
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le milan royal (photos 3 et 4)
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le faucon crécerelle (photo 5)
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l'aigle royal (photo 6)
Nous constatons à chaque fois :
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un renflement sur l'attaque de l'aile, créé par la structure osseuse et musculaire
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la courbure sur le dessus de l'aile
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le creux sous l'aile, engendré par la disposition des plumes qui viennent créer le bord de fuite
c. des ailes étroites et avec une grande envergure
Si nous comprenons aisément que la surface d'aile est importante pour générer la portance, il est également intéressant de s'attacher à la forme de cette aile.
Les rapaces ci-dessus sont d’excellents planeurs mais ils sont surtout très polyvalents et pratiquent des modes de vol variés (plané, vol à voile, battu, piqué...) et leurs ailes sont adaptées à cette diversité.
Le meilleur exemple de l'aile optimisée pour le vol plané se trouve dans les oiseaux qui le pratiquent le plus : les albatros et les goélands :
On constate que les ailes sont parfaitement droites dans leur envergure et qu'elles sont relativement étroites.
On retrouve les mêmes caractéristiques sur les avions : une aile effilée avec un profil d'aile bombé.
Sur la photo ci-dessous, on peut voir l'avion Solar Impulse. Ce projet consiste à construire et faire voler de nuit comme de jour, sans carburant ni émission polluante pendant le vol, un avion monoplace à moteurs électriques alimentés uniquement par l'énergie solaire, jusqu’à effectuer un tour du monde. Pour cela, une des premières démarches a été d'optimiser la forme de l'aile pour que le vol nécessite le moins d'énergie possible. Nous constatons qu'il correspond exactement aux caractéristiques que nous venons de mentionner chez les oiseaux.
d. nos expériences sur l'aérodynamisme de l'aile
A la suite de de cette compréhension de la forme d’aile nécessaire pour voler, nous avons mené des expériences pour reproduire le phénomène de portance.
3. l'homme dépasse les animaux!
a. la portance limitée des oiseaux
Même si nous avons vu que les oiseaux "planeurs" ont des ailes adaptées à ce type de vol, aucun oiseau ne peut se maintenir en vol plané de manière infinie : la portance n'est pas suffisante pour complètement compenser leur poids et ils perdent régulièrement de l'altitude.
Les pratiquants de vol à voile ont défini la notion de finesse : il s'agit du rapport entre la distance horizontale parcourue en planant et la perte d'altitude. C'est donc un rapport inverse de la mesure d'une pente. Une finesse de 10 signifie une progression de 10 mètres pour une perte d'altitude d'un mètre.
Les meilleurs planeurs ont une finesse de 60. Les planeurs "standards" ont une finesse de l'ordre de 25 à 35.
Les oiseaux, même les meilleurs planeurs, ont une finesse bien moindre :
l'albatros a une finesse de 22
l'aigle a une finesse de 17
la cigogne a une finesse de 12
le pigeon, piètre planeur et qui pratique essentiellement le vol battu, n'a qu'une finesse de 9.
Au bout de leur phase de descente, il leur faut reprendre de l'altitude, par un vol battu ou par une ascendance (vol à voile).
b. les appareils volants restent en l'air...
Nos avions de ligne ne subissent pas ces mêmes contraintes et peuvent voler à altitude constante sur de très longues distances.
Pour cela, ils utilisent deux méthodes :
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l'incidence de l'aile par rapport à la trajectoire : l'aile "vise vers le haut"
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une grande consommation d'énergie!
c. ... au prix d'une grande consommation d’énergie
Nos avions sont en effet propulsés par des réacteurs. Nous ne rentrerons pas dans le cadre de ce TPE dans la description du fonctionnement d'un réacteur mais nous nous intéressons à une donnée : la consommation.
Selon la fédération nationale de l'aviation marchande (FNAM), un avion consomme environ 4 kg de kérosène par passager pour 100 km. Or le kérosène a un pouvoir calorifique de 43 MJ/kg.
Soit donc une consommation de 1720 kJoule/passager/km, ou environ 24.5 kJ/km/kg
Or, un oiseau peut parcourir des centaines de km par jour avec ses quelques grammes de réserves de graisse. Dans l'incapacité de calculer sa consommation, nous nous référons à celle de l'homme qui marche : 265 kJ/km, ou 3.8 kJ/km/kg (données provenant de notre livre de SVT de seconde.)
La consommation d'énergie d'un avion pour voler par kilogramme transporté et par kilomètre est donc 6.5 fois supérieure à celle nécessaire pour qu'un homme marche, et donc beaucoup plus grande que celle d'un oiseau.