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SCIENTIF’HIC – Par-dessus les nuages

Par Elèves des SERIES SCIENTIFIQUES | Publié le 10/07/2018 à 15:00 | Mis à jour le 10/07/2018 à 15:00
Avion

Nouvelle invitation au voyage avec cette chronique scientifique. L’heure n’est-elle pas pour beaucoup d’entre nous d’embarquer vers… ? Destination vacances !

 

Le plus vieux rêve de l’Homme est sans doute celui de voler de ses propres ailes. Avant la conquête de l’Espace, nous avons assisté à la conquête du ciel et des nuages. Ce royaume insaisissable, à l’époque, fascinait les hommes de l’Antiquité et de la Renaissance tel que De Vinci. Le concept de voler était déjà présent en Grèce Antique avec la légende d’Icare, connu pour être mort après avoir volé trop près du Soleil.

 

« Moins lourds que l’air »…

 

L’histoire de l’avion et de l’aviation moderne est séparée en deux parties, la période des « moins lourds que l’air » et celle des « plus lourds que l’air ». Comme son nom l’indique, les moins lourds que l’air sont des planeurs, ce sont des aéronefs dépourvus de moteurs qui volent en utilisant les courants atmosphériques, c’est-à-dire les courants d’air chauds et froids. La chaleur fait monter les planeurs et inversement pour les courants d'air froids. Pour monter en altitude, le planeur vole en spirale dans ces colonnes d’air montantes (aussi appelées « pompes »).

 

 

Lors de sa montée, l’aéronef peut atteindre une vitesse de cinq mètres par seconde. Mais s’il n’y a pas de moteur, comment peut-il voler ?

 

forcesComme un avion en papier, le planeur perd constamment de l'altitude quand il plane. Pour son « décollage », un planeur est remorqué par un avion à une certaine altitude afin qu’il soit lâché, ceci est l’équivalent d’une « poussée » pourvu que l’avion le guide à une certaine vitesse et direction. La poussée est une des quatre forces qui agit avec un aéronef lors de son vol. Nous en parlerons plus en détails plus tard.

 

 

Plus l’altitude à laquelle il sera lâché est élevée, plus il ira loin. L’altitude est ainsi transformée en distance parcourue. Un planeur doit légèrement piquer du nez pour avancer, ceci le fait gagner de la vitesse aussi. Il ne possède pas de moteur mais dispose d'un fuselage et de longues ailes fines à l'aérodynamisme très étudié afin d'optimiser sa pénétration dans l'air. De plus, les longues ailes favorisent la portance du planeur. La portance est la force qui permet à un aéronef de s'élever et de se maintenir en altitude.

           

Les pères de l’aviation

           

avionLe Britannique George Cayley (1773-1857), est le père de l'aviation. Il 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 fixe. En 1809, il construit un planeur qui volera sans passager et en 1849 un autre planeur capable de transporter un enfant et un adulte.

           

Les grands pionniers de l’aviation moderne sont bien évidemment ensuite les frères Wright (Wilbur et Orwille).

 

Passionnés de mécanique, les deux frères s’intéressent aux planeurs et sur un d’eux, ils installent un moteur à explosion (le moteur à explosion est un type de moteur à combustion.). Leur premier avion, le Flyer I, décolle pour la première fois le 17 décembre 1903. Ce vol est considéré comme le premier vol motorisé d'un « plus lourd que l'air ». Et, au fur et à mesure, ils développent leur projet en ajoutant des hélices (il n’y avait pas encore de moteur/réacteurs.), des ailerons et une gouverne de direction.

 

avionLes frères Wright sont les premiers à pouvoir faire des virages lors de leurs vols et donc, les premiers à contrôler leur trajectoire dans l’air. Leurs modèles permettent d’effectuer des vols stables et de longue durée.    

 

Les armées et les deux guerres mondiales accélèrent le rythme de son développement.

 

            Date clés :

 

25 juillet 1900 : Louis Blériot traverse la Manche

4 septembre 1911 : Roland Garros bat le record du Monde d’altitude (3910m)

30 septembre 1924 : Premier tour du Monde (avec escale) par Lowel Smith et Leslie Arnold après cinq mois et demi. Ils ont parcouru 44 345km

21 mai 1927 : Charles Lindbergh traverse l’Atlantique (vol New York – Paris)

14 octobre 1947 : Chuck Yeager franchit le mur du son (1 224 km/h)

 

« Plus lourds que l’air »

 

Les plus lourds que l’air, les avions, ne dépendent pas des courants d’air et de l’altitude pour voler. Ils dépendent des quatre forces qui agissent sur eux et de leurs intensités respectives.

 

Tout d’abord, on a la portance. Comme nous l’avons dit auparavant, elle est responsable de l’élévation et la maintenance d’altitude. Sans portance, il serait impossible de voler. L’avion monte en altitude grâce à la forme de ses ailes et le principe de Bernoulli.

 

En 1738, Daniel Bernoulli découvre que lorsque la vitesse d’un liquide augmente, la pression qu’elle exerce sur les parois d’un objet diminue. Avec la vitesse importante de l’avion, l’air se comporte comme un fluide. Alors l’air est donc semblable à un liquide qui circule autour de l’aile d’un avion. L’aile a une partie courbée que nous appelons extrados. C’est sa face supérieure. La face inférieure s’appelle l’intrados et elle est plate.

 

 

Nous constatons que le chemin que l’air doit parcourir est plus long sur l’extrados et que sur l’intrados. Alors, l’air se déplace plus rapidement sur la face supérieure de l’aile. En conséquence et d’après le principe de Bernoulli, l’extrados subit donc une pression plus faible par rapport à l’intrados, où il y a une surpression. L’aile est donc « aspirée » vers le haut.

 

 

Il y a bien sûr le poids, une force exercée à distance et répartie sur l'ensemble de l'objet. Cela veut dire qu’il n’y a aucun contact entre celui qui exerce l'action mécanique (la Terre) et celui qui la subit (l’avion). On l'appelle aussi force de pesanteur ou encore force de gravité. Le poids est la force d’attraction exercée par la Terre sur cet objet.

 

Une autre force est la traction ou poussée. La poussée est exercée par les réacteurs qui repoussent l’air vers l’arrière, la queue de l’avion. Ainsi, par la loi de action et de réaction, l’air pousse l’avion vers l’avant, ce qui propulse l’aéronef lorsqu’il est dans l’air.

 

Et finalement, pour voler, les avions dépendent aussi de la traînée qui est équivalente à la résistance de l’air, c’est-à-dire le « frottement » non-négligeable de l’air contre la paroi de l’avion, dû à sa vitesse importante.

 

La poussée et la traînée s’opposent lors des vols. Les deux forces s'équilibrent, c’est-à-dire qu’elle s’annule (force de poussée + force de traînée = 0). À une même altitude, si la valeur de la force de poussée augmente et que si elle dépasse la valeur de la force de traînée, l'avion gagne en vitesse. Mais, dans ce cas, la valeur de la traînée augmentera et rattrapera celle de la poussée au bout d'un certain temps. L'avion cesse alors d'accélérer et prend un vol stabilisé. C'est donc aussi la traînée qui est augmentée lorsque l'on veut ralentir un avion lors de son atterrissage.

 

 

Un mythe réalisé

 

L’avion est une des inventions les plus marquantes de l’histoire de l’Humanité. Même s’il est polluant et que son essor pose aujourd'hui des questions sur le développement durable, il nous permet d’accéder des lieux à plusieurs milliers de kilomètres en quelques heures. Il joue aussi un grand rôle pour l’importation et l’exportation dans les échanges commerciaux. Les avions offrent aussi des emplois en cabine, mais aussi dans les aéroports à travers le monde entier. On compte plusieurs milliers de salariés à Roissy – Charles De Gaulle par exemple.

 

Les avions ont également une grande implication dans le domaine militaire. L’Armée de l’air française possède 687 aéronefs, dont 226 avions de combat.

 

Les progrès technologiques à travers l'histoire ont permis de développer des avions de pointe. Le progrès ne s'arrête pas, et les avions de demain devront transporter plus en polluant moins. Ce n'est pas de la magie mais de la technologie qui permet à un objet pesant des tonnes de vaincre la pesanteur et, par conséquent, de se maintenir dans les cieux.

 

Gabriel DELAMARRE – 1ère S - LFM

 

Sources :

https://www.universalis.fr/encyclopedie/aviation-histoire-de-l-aviation/

https://www.histoire-pour-tous.fr/inventions/2710-invention-avion.html

http://cache.media.education.gouv.fr/file/Docs_DAFA/03/8/5_-_Histoire_L_aviation_-_BIA_et_CAEA_-_2014_470038.pdf

https://www.youtube.com/watch?v=ulV2bmEw2og 

 

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