Principe de vol d un avion

Le voyage en avion stationnaire des insecte résulte d"une combinaison d"effets aérodynamiques élucidés moyennant un maquette utilisant les lois ns la similitude.

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En 1934, dedans l"introduction de son ouvrage Le vol des Insectes, l"entomologiste antoine Magnan démunis : «Tout d"abord poussé par cette qui se fait en aviation, j"ai appliqué aux insectes das lois du la résistance ns l"air, et je suis arrivé avec mon assistant andré Sainte-Lagüe a ça conclusion que leur vol orient impossible.» les conclusion hâtive différent sans suspect fondée d’environ le je faisais que la portance maximale théorique des ailes d"un bourdon est concéder faible suite son poids.

La portance orient la force qui s"exerce d’environ un physiquement perpendiculairement parce que le direction du son décaler ou ns l"écoulement où cest plongé. ça portance orient généralement calculée pour d’un aile d"avion : la former incurvée de l"aile imposé que les vitesse ns l"écoulement de l"air dessus sa section supérieure soit concéder grande que ns long du la section inférieure. Selon le régner découvert moyennant Daniel Bernoulli à xviiie siècle, l"augmentation ns la vitesse aux fluide s"accompagne d"une diminution aux la pression : les pression étant reconnaissance forte parmi l"aile qu"au-dessus, ns poussée s"exerce vers les haut, ns portance (voir la illustration 6).

Depuis 1934, les ingénieurs et das mathématiciens ont faisaient des développement et ont acquérir suffisamment ns connaissances pour échoué au alloue les ailes d"avions nécessaires au transport aux centaines ns passagers, telles celles du l"Airbus A380. Ns conception aux ces avion repose sur le principe du stationnarité bruyant lequel l"écoulement ns l"air approximativement des ailes et das forces qui en résultent sont stables à lintérieur le temps.

Tel n"est étape le cas des insectes parmi eux le vol dorient longtemps resté une énigme, là ces animaux battent und tournent leurs ailes 20 à 600 temps par seconde. Esquive forces aérodynamiques et les écoulements d"air monnaie sans arrêter et compliquent les analyses, math et expérimentales.

Pour comprendre la physique ns vol stationnaire d"une mouche, nous oui mis au mission un dispositif expérimental (voir la illustration 3). Dans une cuve de deux tonne d"huile chauve souris doucement une paire d"ailes ns 60 centimètre d"envergure. Mues par six moteurs commandés par un ordinateur, esquive ailes brassent le traduire et y créer un changer que révèlent des millions du bulles d"air injectées dans la cuve. L"ensemble est allumées par des rayons du lumière laser et tourné par des littoral vidéo, au contraire mais des capteurs enregistrent en permanence esquive forces qui s"exercent d’environ les ailes.

Grâce à l"insecte mécanique, qui imite les mouvements des ailes à une vitesse 1 000 temps inférieure et à une bouffleur 100 fois plus grande, nous avons compris comment? ou quoi la mouche utilise das tourbillons, les décrochage retardé, ns circulation ns l"air approximativement des ailes et la capture de sillage. Détaillons celles phénomènes qui donnent aux insectes ns telle aisance à lintérieur leur vol.

Un bruissement d"ailes

Les ailes d"insectes en mouvement apparaître le concéder souvent bénéficie une la peinture brouillée : le vol des insectes ne ressemble donc en nexiste pas à celui des avions. Esquive ailes ns l"insecte ne sont pas animé d"une simple oscillation longitudinal : l"extrémité de chaque aile trace une courbes ovale fort inclinée. Ns plus, esquive ailes monnaie d"orientation à tous battement : la face à face supérieure d"une aile dorient orientée vers le diriger lorsque l"aile est abaissée, rang vers le bas lors de sa remontée.

Les premières tentatives d"analyse du vol des insecte appliquaient à celles mouvements compliqué les lois ns l"aérodynamique stationnaire, lois habituellement utilisées en aéronautique. Ces approches étaient toutefois petit naïves que celle qui oui conduit ns premiers calculs du vol du bourdon, car elles tenaient compte ns la variation ns la vitesse des ailes à cours aux temps.

Imaginons que conditions météorologiques figions l"aile ns l"insecte dans chaque des positions successives qu"elle prend tandis que un battement, que nous reproduisions en soufflerie l"écoulement correspondant à chacune ns ses positions et que nous mesurions ns portance associée. Au cas où la théorie stationnaire différent correcte, la force moyenne calculée par enhancement des forces pertinent à toutes esquive positions serait dirigée vers le diriger et égale venir poids de l"insecte.

À éteindre des années 1970, esquive aérodynamiciens doutaient de la pertinence de cette analyser et, à début des année 1980, à partir des données disponibles, le physicien les américains Charles Ellington a conclu que l"approche stationnaire ne pouvait expliquer das forces misérable en œuvre. Das mécanismes d"écoulement ne sont pas stationnaires qui gouvernent les battre d"ailes restaient à découvrir.

La attribuer des vitesses rang des pressions venir sein d"un fluide orient régie par esquive équations de Navier-Stokes, qui ont été formulées à début des année 1800. Dans un fluide du faible densité prendre plaisir l"air, le mouvement complexe de l"aile rend les résolution de ces équations virtuellement difficile, même avec les calculatrice les concède performants.

L"informatique et ns théorie présent impuissantes, peut-on mesure directement dessus l"insecte esquive forces aérodynamiques dues de battements? Plusieurs équipe se sont attelés à la tâche, mais ns petite dimensions et ns vitesse élevée des ailes compliquaient les mesures. Par ailleurs, les mesures ns forces effectuées pour les insecte vivants doivent am regardées avec prudence, car le comportement d"animaux captifs diffère aux celui d"animaux en liberté.

Les beautés aux la similitude

Pour contourner ces difficultés, les ingénieurs utilisent les les attributs de similitude grâce au contraire mais on relier l"écoulement approximativement d"un objet jean à celui autour d"une maquette, plus facile à manier et à étudier en soufflerie. C"est le monde jusqu’à l"envers : alors que esquive ingénieurs aéronautiques construisent des paradigme réduits, celles qui étudient le vol des insectes ont besoin du modèles agrandis.

Les régner physiques lequel gouvernent les d’objets (ou das animaux) en réalité et esquive maquettes sont identiques quand, dans les deux cas, les rapport aux la force du pression périmé à l"inertie ns fluide dorient égal pour force aux cisaillement tandis que à ns viscosité du fluide. Cette rapport est désignait nombre de Reynolds. Nous dit alors que la maquette et l"objet (ou l"animal) jean respectent ns similitude aux Reynolds. Les viscosité, équivalente jusquà un frottement, apparaître quand des régions contiguës d"un fluides corporels se au lieu de, remplacer à des vitesse, vitesse différentes. Les nombre de Reynolds augmente proportionnellement for longueur, pour vitesse aux l"objet et pour densité de fluide. Il diminue avec la viscosité aux fluide. Une avion, qui a une grande taille et se mouvement à une vitesse élevée, a une nombre aux Reynolds du l"ordre aux un jusqu’à 100 millions. Ns insecte, dil et lent, a une nombre ns Reynolds entré 100 und 1 000, voire même meugler à 100 convectif les reconnaissance petits insectes. Notons que convectif respecter ns similitude de Reynolds, conditions météorologiques ajuste das dimensions de l"objet, ns vitesse ns l"écoulement ou encore la nature ns fluide, afin du modifier la masse volumique et la viscosité. Simuler un décaler dans l"air par un mouvement dans un fluides corporels paraît surprenant. C"est cependant réaliste, dès dans que ns nombre de Reynolds orient le même.

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Le décrochage retardé

En 1992, avec Karl Götz, ns l"Institut max Planck, jusqu’à Tübingen, nous ont construit une maquette d"aile composer d"une «pagaie», du cinq centimètres aux largeur d’environ 20 centimètres du longueur, reliée jusquà des moteurs et plongée dans une grande cuve du sirop ns sucre. Les augmentation de la taille et ns la viscosité combinée avec une réduit de les vitesse de battement donnaient au ajouter le même nombre ns Reynolds que un seul homme d"une aile de mouche.

L"aile dalka équipée d"un capteurs qui mesurait les portance et la traînée créées lors aux déplacement à lintérieur le fluide visqueux. À l"extrémité ns l"aile nous avion monté des écrans convoque supprimer l"écoulement ns long et approximativement de l"aile : ce stratagème revenir l"écoulement de trois à de toi dimensions, et facilite par conséquent l"analyse (au menace toutefois ns passer à à côté de d"effets importants).

Nos expériences ont suggéré d’un solution jusquà l"énigme aux vol stationnaire des insecte : les décrochage retardé. Dedans un avion, les décrochage survient lorsque l"angle d"attaque (l"angle que faisaient l"aile avec la direction du propagation) sous qui l"aile pénètre à lintérieur l"air dorient trop significativement : le affleurer supérieur née suit reconnaissance le contour de l"aile, décolle und supprime la portance.

Comment les décrochage, aucas désastreux convoque un avion, peut-il avantager ns insecte? les réponse réside dedans la vitesse aux battement des ailes. Le affleurer d"air, cause de la portance, disparaît just quelques instants de l"augmentation ns l"angle d"attaque. Plus encore, ns première phase ns décrochage accroît légèrement les portance, en raison d"un court écoulement tourbillonnaire, désignait tourbillon ns bord d"attaque. Ce dernier dorient un écoulement cylindrique aux fluide en rotation qui se former au-dessus et à l"arrière du bord d"attaque de l"aile.

L"écoulement d"air dans ce tourbillon est carrément rapide, par conséquent la pression y virtuellement faible, cette qui obtenir une augmentation notablement ns portance. Cette effet a été découvert par des ingénieurs britanniques venir début des âge 1930, mais cest trop store pour un m utilisé en aéronautique : le tourbillon se décharné rapidement ns l"aile et disparaît à lintérieur le sillage aux l"avion. Cependant, les coup de poing d"aile d"un insecte sont dans certains cas brefs suite l"aile se retourne et station la exécutif en produire un nouveau tourbillon à lintérieur la direction opposée, immédiatement del que le antécédent a disparu.

Au alentours des âge 1990, l"équipe du Charles Ellington a renforcement ces résultats jusqu’à trois dimensions. Ces ingénieurs ont éduqué le énormément sphingidé Manduca sexta, une papillon nocturne qui gallet dans esquive plantations aux tabac des

Antilles, par conséquent qu"un papillon robot. L"insecte dalain suspendu à un ligne dans un tunnel aérodynamique, où l"on observe ns vol par esquive perturbations d"un écoulement aux fumée. Les filets de fumée ont démontré qu"un tourbillon confiance en soi formait de bords d"attaque des ailes lorsque celles-ci descendaient pendant ns vol. De nouveau écoulement d"air caractéristique, de la établissement à l"extrémité du l"aile, intensifie potentiellement l"effet en réduisant ns force de tourbillon, maïs en de plus en plus sa stabilité, afin qu"il reste attablé à l"aile pendant toute la durée aux coup d"aile. Un pareille écoulement pourrait un m particulièrement important pour das grands insectes profitez-en les libellules, à lintérieur l"ampleur ns coup d"aile orient importante.

La découverte du décrochage retardé n"explique qu"une partie de vol des insecte : par exemple, cette n"ex

plique étape comment aux nombreux insectes produisent ns portance égale jusqu’à presque de toi fois de toi poids.

D"autres mécanismes aux vol des insectes restaient donc à découvrir. En 1998, nous oui construit d’un maquette de drosophile dont esquive ailes oui 25 centimètres aux longueur. Dedans l"huile, ns robot bat des ailes toutes les personnes les cinq secondes : dans aux telles conditions, cette rythme dorient équivalent de battements d"ailes d"une drosophile aux deux millimètres und demi de longueur, à ns fréquence du 200 coup de poing par seconde à lintérieur l"air. Nous avons mesuré deux biens : esquive forces aérodynamiques qui s"exercent pour les ailes rang l"écoulement ns fluide environ d"elles.

Rotation et est différent effets

Au commencé et aboutira chaque mouvement, esquive ailes créent des renforcer intenses que les décrochage retardé n"explique pas. Celles pics ns forces apparaissent au moment où les ailes ralentissent et se retournent rapidement. Les rotation d"objets à lintérieur l"air crée des écoulements similaires à celles qui engendrent la portance d"une aile conventionnelle. Par exemple, d’un balle aux tennis jusqu’à laquelle on envoyer un effet couper «aspire» l"air au-dessus d"elle à une vitesse supérieure et ainsi s"élève (voir la personnage 7). Nous oui montré que ns rotation d"une aile produit une portance par cette même mécanisme, en décalant les moment de cycle où l"aile se retourne. Si l"aile se revenir à éteinte d"un battement, das bords d"attaque se repousser vers l"arrière et créent une force directif vers les haut, de la en outre manière qu"une balle de

tennis qui tourne sur elle-même (effet Magnus). Quand l"aile confiance en soi retourne plus tard, venir début aux battement suivant, le bord d"attaque se déplace vers l"avant par rapport à ns direction aux déplacement : la forces qui en résulte est commander vers le bas.

Toutefois, another pic de forces dirigées vers le haut a lété décelé au début ns chaque abaissée et ns chaque élever d"aile. Plusieurs expériences ont montré que cette pic dalka dû venir phénomène désignait capture de sillage, c"est-à-dire ns collision ns l"aile auprès le tourbillon aux sillage dédié par le antécédent battement.

Chaque bulle d"aile laisse derrière à lui un tourbillon assemblé des remous qu"il a produits lors aux son mouvement et aux son retournement pendant les cycle précédent. Lorsque l"aile inverse sa direction, nom de famille retraverse les turbulence et récupère par conséquent une partie aux l"énergie «contenue» dans le sillage. Nous ont testé les capture du sillage en arrêtant les ailes del un mouvement de l"aile vers l"avant, puis vers l"arrière. Esquive ailes immobiles continuaient de créer une force, car le traduire environnant était toujours en mouvement.

La capture de sillage a peut être lieu au début du chaque mouvement, aux la même façon que ns circulation rotationnelle. Cependant, les mouche modifie sans doute l"intensité et les direction de la force fort l"instant de retournement ns l"aile. Si l"aile se revenir tôt, elle a un angevin d"attaque favorable à l"instant où eux entre en collision auprès le sillage, und crée donc une forces intense directif vers les haut. À l"inverse, lorsque l"aile se faire retourne concède tard, la forces est dirigée vers les bas.

La capture ns sillage et la circulation rotationnelle expliquent jusqu’à parts égalité l"aérodynamique du la commande de vol, c"est-à-dire comment? ou quoi la mouche confiance en soi dirige. Pendant certains manœuvres, l"aile jusqu’à l"extérieur de virage se faire retourne plus tôt et produisit plus ns portance, tandis que l"aile à l"intérieur se faire retourne concède tard et crée moins du portance : au total, les mouche s"incline et tourne. La mouche dispose ns nombreux capteurs, tels das yeux, esquive ailes après atrophiées, nommées haltères, qui en jouant le rôle de gyroscopes et les récepteurs mécanique des ailes, afin de adjugé précisément ns moment du retournement und l"amplitude ns battement…

La plupart des détudes ont porté d’environ le voyage en avion stationnaire, car c"est le laffaire le plus difficile jusqu’à expliquer aux fait que l"insecte ne tire non avantage des courants d"air. Ton résultats forment une tout augmenter cohérent, mais ne résolvent pas alger les problèmes. Comment? ou quoi pouvons-nous appliquer les résultat obtenus dessus la drosophile aux autre insectes? ns tâche est solide : das morphologies, esquive tailles et les comportement des insectes sont carrément divers. Pour illustrer ns diversité, citons les minuscules thrips, esquive grands sphingidés, les chrysopes (des petits insecte verts ns yeux dorés), qui ont deux paires d"ailes légèrement désynchronisées pendant les vol, esquive coléoptères dont les deux élytres, qui forment ns carapace au sol, sont dressés et immobiles pendant les vol…

Grâce aux six moteurs de robot, conditions météorologiques recréerons le mouvement des ailes du plusieurs espèce d"insectes. Pour accomplissement ces résultats, conditions météorologiques construisons aujourd"hui another robot mouche qui évoluera dans d’un cuve suffisamment grande convectif simuler, moyennant exemple, comment? ou quoi les mouches se soûler des virages surtout serrés en ajustant ns décalage ns leurs battre d"ailes.

Comprendre le vol des insecte résoudra une ancienne énigme scientifique, mais aura peut-être également des applications pratiques. Par exemple, des ingénieur tentent ns mettre au mission des robots volants miniature (voir la la honte 1) pour la découverte et les sauvetage, la surveillance du l"environnement, les détection de mines rang l"exploration des planètes. Bien que l"être humain construise des avions de la taille des oiseaux, rien n"a jamais construit d"avion de altitude d"une mouche. La viscosité du l"air a reconnaissance d"importance à ces échelles et componter sur le type d"écoulement qui maintient les avions en l"air.

Voir plus: Exposé Sur Le Devoir De Mémoire, Le Devoir De Mémoire

Les insectes battent des ailes, non par parce qu"ils n"ont jm «inventé» les roues, das réacteurs et esquive gouvernails, maïs parce plus leurs dimensions imposent d"autres mécanisme aérodynamiques. N"oublions étape que l"évolution est, fort Francis Crick, plus intelligente que nous (et que son assistant, Orgel).