Instructions : Trajectoires de vol

Instructions : Trajectoires de vol
Contribution : OMSI
Objectif
Étudier les notions fondamentales de la portance et de la traînée en aérodynamique.
Matériel requis
• Une feuille de papier de format lettre
• Choix de cibles (facultatif) – il peut s’agir de cônes, de feuilles de papier, d’un X posé sur le
plancher, ou d’autres objets pouvant servir de cibles.
Marche à suivre et observations
• Suivez les instructions de pliage pour construire l’avion à réaction (adaptation du livre de John
Bringhurst, Planes, Jets and Helicopters: Great Paper Airplanes).
Instructions pour construire un avion à réaction
Étape 1 :
Pliez la feuille de papier en deux dans le sens de la largeur.
Marquez bien le pli.
Dépliez.
Retournez la feuille.
Étape 2 :
Repliez les coins supérieurs de la façon indiquée, le long du pli central.
Étape 3 :
Voici le résultat de l’étape 2. Pliez la pointe de la façon indiquée vers le
centre de la jonction du rebord inférieur des plis précédents. Marquez
bien le pli.
Étape 4 :
Maintenant, pliez les coins supérieurs de la façon indiquée, de nouveau
le long du pli central.
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Instructions pour construire un avion à réaction (suite)
Étape 5 :
Voici le résultat de l’étape 4. Retournez l’avion.
Étape 6 :
Pliez chaque aile en deux de sorte que les pointes de l’aile soient alignées
avec le pli central. Les ailes doivent être parfaitement alignées.
Étape 7 :
Pliez chaque côté en partant du nez de l’avion jusqu’au point A pour former
la partie avant des ailes. Marquez très bien le pli.
Étape 8 :
Voici le résultat de l’étape 7. Maintenant, pliez la feuille en deux en suivant
la ligne centrale.
Étape 9 :
Rabattez chaque aile de la façon indiquée. Vous devez faire un pli à environ
25 mm de la partie avant de l’avion. L’autre extrémité des ailes devrait toucher
la ligne centrale, de la façon indiquée. Elles doivent être absolument identiques,
ceci est plus important que l’emplacement du pli.
Étape 10 :
Voici une vue de profil de l’avion, avec les ailes repliées. Dépliez l’extrémité
de chaque aile vers le haut de la façon indiquée. Le pli devrait être à peu près
parallèle à l’aile créée à l’étape 9. Les deux côtés du pli doivent être égaux.
Étape 11 :
Voici une vue en plongée de l’avion. Relevez délicatement les deux gouvernes
triangulaires (pointées vers l’intérieur) situées sur le dessus des ailes de la façon
indiquée.
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Instructions : Trajectoires de vol
• Lancez votre avion à quelques reprises pour en évaluer la performance. Faites des ajustements
aux ailes et aux gouvernes pour qu’il vole en ligne droite. Conseil : les ailes et les plis doivent
être identiques. Si vous regardez l’avion de derrière, vous constaterez le niveau de symétrie.
• Relevez délicatement l’aile de droite, à l’endroit où l’aile rejoint le fuselage de l’avion. Lancez
votre avion de nouveau, qu’arrive-t-il ?
• Remettez l’aile droite en place et relevez délicatement l’aile de gauche, à l’endroit où l’aile rejoint
le fuselage de l’avion. Lancez l’avion. Que se passe-t-il ?
• Remettez l’aile de gauche en état et relevez ou abaissez les gouvernes. Qu’arrive-t-il lorsque
vous lancez l’avion ? Votre avion fait-il des vrilles ?
• Modifiez l’angle des ailes et des gouvernes – qu’arrive-t-il lorsque vous lancez l’avion ?
• Écrasez le nez et lancez de nouveau l’avion – que se passe-t-il ? Difficile à défaire, vous opterez
de faire cette étape à la fin pour vous éviter de devoir construire un autre avion.
• Facultatif – installez les cibles (une à gauche, une à droite, etc.) et vérifiez si vous pouvez les
toucher en changeant l’angle des gouvernes et des ailes.
Résultats
Il est important de constater que les avions de papier et les véritables avions font appel aux
mêmes principes de vol. Ils agissent sous l’effet de la portance et de la traînée, sont stables
ou instables pour les mêmes raisons.
Portance : Les molécules d’air parcourent un trajet plus long sur l’extrados. Devant parcourir une
plus longue distance dans le même laps de temps, ces molécules se déplacent plus rapidement
que celles de la face inférieure (intrados) de l’aile. En conséquence, elles se dispersent davantage
(deviennent moins denses). Lorsqu’elles se déplacent, les molécules exercent une pression sur
les obstacles sur leur trajet. Il y aura davantage de pression ou de force exercée sur les obstacles
si le nombre de molécules est plus important. Parce qu’il y a davantage de molécules par centimètre sous l’intrados, la pression exercée sous l’aile est plus grande que la pression exercée par
la couche moins dense de molécules sur l’extrados. Cette différence de pression contribue à la
poussée vers le haut de l’aile.
Traînée : La traînée représente la force engendrée par la résistance de l’air, ou la friction qui tend à
freiner le mouvement de l’avion dans l’atmosphère. Pour réduire l’effet de traînée, il faut réduire au
minimum la surface de l’objet qui «frappe» l’air pour permettre à l’air de circuler librement. Les gouvernes tirent parti de la traînée pour diriger l’avion. L’empennage horizontal d’un véritable avion
possède une gouverne de profondeur que le pilote peut manoeuvrer vers le haut pour lever le nez
de l’avion et ralentir, ou vers le bas pour le descendre et accélérer. Le même principe s’applique
aux avions de papier. En soulevant le bord arrière de l’aile, l’avion ralentit, ou en le rabaissant, il
accélère.
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Orientation : Le changement d’angle des ailes (en les soulevant ou les rabaissant) modifie le
dièdre de l’avion. En somme, en relevant l’aile gauche, l’avion tourne vers la droite parce que le
déséquilibre entre les ailes modifie la portance (la circulation des molécules d’air autour des ailes),
et exerce davantage de pression sur l’aile droite, tirant l’avion vers la droite. Cette opération se
compare à celle d’un gouvernail de bateau.
Conseils aux parents et aux enseignants
• Assurez-vous de lancer l’avion de façon uniforme, d’un mouvement fluide en ligne
droite – comme si vous lanciez une fléchette et non une balle de baseball. Si vous
n’y arrivez toujours pas, assurez-vous de relever légèrement les ailes, mais de façon identique, à l’endroit où les ailes rejoignent le fuselage de l’avion (ceci permet
d’améliorer la portance de l’avion et de l’aider à planer).
• Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi les avions de papier n’avaient pas de queue ? L’empennage horizontal de l’avion permet au poids de se déplacer vers l’avant et vers l’arrière tout en
demeurant stable et maniable. Le centre de gravité est la position déterminant l’équilibre de
l’avion. Il peut se déplacer davantage vers l’avant ou vers l’arrière en fonction du nombre de
passagers et de la masse du cargo transporté, et de la consommation de carburant (le carburant
occupe environ la moitié de la masse à vide de la plupart des avions à réaction). Tous les avions
deviennent instables lorsque le centre de gravité se déplace à l’arrière du point neutre. Lorsque
le centre de gravité se déplace vers l’avant du point neutre, l’avion devient de plus en plus stable,
et requiert de plus en plus l’intervention de la gouverne de profondeur. Les gouvernes placées
sur les empennages sont plus efficaces que celles installées sur les ailes, car sur les avions
munis d’empennages, le centre de gravité peut se déplacer sur une plus grande distance. Le
centre de gravité des avions de papier demeurant fixe, elles fonctionnent très bien sans empennage.
• Invitez les enfants à plier leur avion et à constater la similitude des principes utilisés.
Liens intéressants
Deviens ingénieur ! au OMSI
www.tryscience.org/fr/fieldtrips/fieldtrip_select_trip.html?omsi
Avions de papier
www.paperplane.org/
Autres expériences TryScience
www.tryscience.com/fr/experiments/experiments_home.html
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