Au cours du TPE, nous avons réalisés trois experiences, une pour chaque grande partie.
Partie I, Les profils d'ailes d'un avion : expérience du "sèche-cheveux"
Les avions volent avec des profils d'ailes différents. Par exemple, prenons les cas extrêmes, un planeur n'aura pas les mêmes profils d'ailes qu'un avion de chasse. Cela est dû aux caractéristiques demandées qui dont différentes. Ainsi, la vitesse et la maniabilité seront recherchées pour un avion de chasse Alors qu'il est important pour un planeur de ne pas décrocher à faible vitesse.
Ces différents profils d'ailes doivent tout de même présenter certains points communs afin de permettre à l'avion de voler dans de bonnes conditions.
-> Quels sont les points communs nécessaires aux profils d'ailes pour permettre à l'avion de voler dans de bonnes conditions ?
-> Qu'engendrent les différences au niveau de la forme des profils d'ailes pour l'avion ?
Nous avons choisi de tester des profils d'ailes de formes différents en observant comment ils volent. Nous voulons simuler les conditions réelles de vol : il nous faut donc remplacer le mouvement de l'aile sur l'air par le mouvement de l'air sur l'aile.
C'est ainsi que nous avons eu l'idée de fixer les profils d'ailes sur un support, et de propulser de l'air avec un sèche cheveux. Le support est composé de quatre fils en nylon fins tenus par le carton de haut en bas qui tiennent les profils d'ailes. Plus l'aile montera haut sur le support, plus elle aura une forme appropriée pour voler et un grand nombre des caractéristiques à avoir pour un bon vol.
Schéma du montage
Nous avons choisi de tester quatre profils d'ailes caractéristiques de formes différentes.
- Le profil d’aile n°1 est un des profils utilisé couramment par les avions de ligne. On l’appelle profil d’aile Clark Y. Sa forme, étudiée pour les meilleures conditions de vol, est particulière.
- Le profil d’aile n°2 est le profil Clark Y monté à l’envers.
- Le profil d’aile n°3 est un profil de forme rectangulaire, le bord d'attaque aussi grand que le bord de fuite.
- Le profil d’aile n°4 est un profil de forme triangulaire, le bord d'attaque est plus grand que le bord de fuite.
Les différents profils d'ailes testés
Le classement des profils d'ailes indiquera les caractéristiques d'un meilleur vol.
Pour réaliser l'expérience, nous ne ferons varier qu'un facteur extérieur : la forme des profils d'ailes testés. Le temps de propulsion de l'air, l'intensité de propulsion de l'air, la pièce de réalisation de l'expérience (donc la pression de l'air, la gravité, le vent extérieur au sèche cheveux) sera la même.
Constats :
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Résultats de l'expérience :
1- Le profil d'aile Clark Y est monté le plus haut, de 33 cm.
2- Le profil d'aile Clark Y inversé est monté de 15 cm.
3- Le profil d'aile rectangulaire est monté de 11 cm.
4- Le profil d'aile triangulaire est monté le moins haut, de 04 cm.
Le classement des profils d'ailes montés le plus haut par ordre décroissant est le profil n°1, le profil n°4, le profil n°3, et le profil n°2. Ce classement devrait être confirmé par l'expérience n°2.
Déductions :
1- Le profil d'aile n°1 vole plus haut que les profils d'ailes n°2 et n°3. Ainsi, le plus important dans la forme d'un profil d'aile est que le côté le plus grand soit du côté où l'aile arrive.
2- Le profil d'aile n°1 vole mieux que le profil d'aile n°4. Ainsi, la forme courbée permet aux profils d'ailes de mieux voler.
Interprétation :
La longueur supérieure du bord d'attaque par rapport au bord de fuite permet à l'air de se plaquer à l'aile, et exerce donc une force de bas en haut, ce qui fait décoller l'avion.
Conclusion :
Pour qu'un profil d'aile permette à un avion de voler dans de bonnes conditions, il faut que le bord d'attaque soit plus grand que le bord de fuite, et un extrados et intrados courbé permettent un meilleur vol.
-> Quelles sont les trajectoires associées à ces différents profils d'ailes ?
-> Quelles sont les forces appliquées à ces profils d'ailes lors du décollage ?
Partie II, Les trajectoires d'avions au décollage suivant les profils d'ailes : expérience du "lancé d'avion".
Les avions ont des trajectoires différentes selon leur nature et les profils d’ailes qu’ils possèdent. Par exemple, un avion de chasse atteindra beaucoup plus vite une altitude déterminée qu’un A380.
Nous allons étudier les trajectoires des avions en fonctions des profils d’ailes que nous avons construit en polystyrène. Nous avons placé les profils d’ailes construits sur un fuselage d’avion en polystyrène également fabriqué. Nous allons donc utiliser les mêmes profils d’ailes que lors de la première expérience afin de pouvoir comparer les résultats. Logiquement, les trajectoires devraient pouvoir se comparer et se classer identiquement aux résultats obtenus lors de la première expérience.
Nous avons lancé le fuselage avec les profils d’ailes associés en respectant à chaque fois les autres facteurs : le vent a été constant puisque nous avons effectué les lancers à intervalles de temps réduit, le lanceur a fait son possible pour donner une même force de lancer, l’angle d’incidence des profils d’ailes est identique : 5°. Le seul facteur qui varie est la forme des profils d’ailes.
Quelles sont les trajectoires d’un avion au décollage suivant les profils d’ailes testés dans l’expérience du sèche-cheveux ?
Constats :
| Exemple d'un lancer : Avec le profil d'aile triangulaire |
Cliquez sur les différents liens pour avoir les constats des différents profils d'ailes.
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Clark Y Nous avons assemblé les photos rafales prises lors du lancé :
Dans le référentiel terrestre, le centre de gravité de l'avion avec le profil d'aile Clark Y a une trajectoire curviligne et une vitesse décroissante jusqu'au point le plus haut puis croissante.
Nous avons ensuite tracé sa trajectoire sous Régressi sous forme de courbe en obtenant les coordonnées des différents points. Le point de référence (0,0) correspond au centre de gravité de l'avion à t=0. Nous avons ensuite ajouté :
Le Vecteur Vitesse (c'est la vitesse instantanée d'un point : la distance sur un interval de temps très petit) : en rouge Vecteur accélération (vecteur correspondant à la somme des forces qui s'appliquent à l'avion : même direction, même sens, avec une norme différente) : en bleu
Nous avons ensuite comparé la courbe obtenue avec des fonctions de référence : La courbe se rapproche, à 14 % d'erreur relative de la fonction -0.16x² + 0.87x - 0.09
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Au cours des différents lancers, nous avons obtenu les trajectoires suivantes :
Cela nous a permi d'établir un graphique, avec les différents lancers:
Voici toutes les trajectoires regroupées sous une même photo afin de mieux pouvoir les comparer :
Déductions :
La trajectoire du profil d’aile Clark Y inversé a le coefficient directeur initial le plus élevé (la courbe est la plus croissante). Ensuite, il y a le profil d’aile triangulaire, le profil rectangulaire et enfin le profil d’aile Clark Y inversé.
Interprétation :
Plus le coefficient directeur initial est élevé, plus le profil d’aile de l’avion est propice au vol.
La longueur supérieure du bord d'attaque par rapport au bord de fuite permet à l'air de se plaquer à l'aile, et exerce donc une force d'en bas à en haut, ce qui fait décoller l'avion. Les résultats obtenus correspondent bien aux résultats de l’expérience n°1.
Conclusion :
Pour qu'un profil d'aile permette à un avion de voler, il faut que le bord d'attaque soit plus grand que le bord de fuite, et un extrados et un intrados courbés pour un meilleur vol.
-> Quelles sont les forces applicables à ces profils d’ailes durant le décollage ?
Partie III, Les forces appliquées aux profils d’ailes au décollage : expérience de "la pesée des ailes"
Les ailes des avions sont inclinés par un faible angle d’incidence. Nous nous demandons si cela a un réel impact sur la force de portance subie par les ailes. De plus, nous aimerions vérifier que l’augmentation de la vitesse augmente la force de portance. Pour cela, une petite expérience a été nécessaire.
Matériel utilisé :
- une balance étalonnée à 100g (M1=100g M2 valeur lue sur la balance)
- La valeur quantitative de la force de portance sera donc : P=M1-M2
- un ventilateur familial dont on fait varier la vitesse de rotation (deux positions possibles lente et rapide) positionné à 35cm de la balance
- les différents profils d’aile en polystyrène, découpés au préalable
- un plateau posé sous la balance
La première aile type Clark Y a été fixée sur la balance avec du scotch double faces. Nous avons mis en route le ventilateur à la vitesse la plus lente que nous appellerons V1 et lu sur la balance la valeur M2. Nous avons ensuite mis le ventilateur sur la vitesse rapide nommée V2 et lu à nouveau la valeur M2 sur la balance.
Pour essayer de savoir si l’incidence avait une importance sur la portance nous avons donné un angle d’environ 5° à l’aide de petites cales sous la balance et nous avons effectué les mêmes mesures c'est-à-dire M2 avec V1 et V2.
Cette démarche a été répétée avec les deux autres profils d’ailes en position de face et aile retournée et nous allons résumer sur le tableau ci dessous les différents résultats obtenus.
Montage de l'expérience
Constats :
Pour toutes les ailes la portance augmente lorsque la vitesse est plus importante sauf pour l’aile rectangulaire qui ne subit aucun changement. Lorsque l’angle d’incidence augmente pour toutes les ailes la portance accroît aussi y compris l’aile rectangulaire.
En revanche le sens de l’aile n’a que peu d’importance au niveau de la portance.
La méthode expérimentale n’a pas pu permettre de vérifier que la portance est meilleure avec l’aile dans un sens ou l’autre. Cependant la traînée doit changer.
tableau récapitulatif des résultats
TYPE D’AILE |
ANGLES/PORTANCE |
V1 de face |
V2 de face |
V1 de dos |
V2 de dos |
A |
Angle 0° P(en g) |
20 |
40 |
20 |
40 |
A |
Angle 5° P(en g) |
30 |
50 |
30 |
45 |
B |
Angle 0° P(en g) |
10 |
10 |
10 |
10 |
B |
Angle 5° P(en g) |
20 |
30 |
20 |
30 |
C |
Angle 0° P(en g) |
20 |
30 |
10 |
20 |
C |
Angle 5° P(en g) |
30 |
50 |
20 |
40 |
Vitesse : V1 vitesse lente , V2 vitesse rapide
Profils :
Profil A type clarck Y
Profil B type rectangulaire
Profil C type triangulaire
Angle d’incidence 0°, 5°
Portance en grammes P=100 –M2
Position de l’aile, face au ventilateur, dos au ventilateur
Déductions :
Profil A :
La vitesse de rotation du ventilateur a une influence importante sur la portance de l’aile.
L’angle d’incidence a également une influence : plus l’angle d’incidence est important plus la portance est importante.
Profil B :
Si l’aile est non profilée (rectangulaire dans ce cas) la portance est moins importante. Toutefois, elle augmente si on crée un angle d’incidence.
Profil C :
La portance est moins importante qu’avec le profil B cependant l’angle d’incidence continue à avoir une influence
Interprétation :
Pour toutes les ailes, la portance augmente lorsque la vitesse est plus importante sauf pour l’aile rectangulaire qui ne subit aucun changement. Lorsque l’angle d’incidence augmente pour toutes les ailes la portance croît aussi, y compris pour l’aile rectangulaire.
En revanche le sens de l’aile n’a que peu d’importance au niveau de la portance.
La méthode expérimentale n’a pas pu permettre de vérifier que la portance serait meilleure avec l’aile dans un sens ou l’autre. Cependant la traînée doit changer.
Conclusion :
L’aile qui semble la plus approprié au vol (meilleure portance) est celle du profil A de type Clark Y et c’est ce que nous avons vérifié grâce à l'expérience du lancer.
La force de portance augmente avec l’angle d’incidence lorsque celui-ci reste faible, ainsi qu’avec la vitesse.
-> Peut-on dire de même pour les trois autres forces applicables aux ailes ? Non, car le poids reste constant, la traînée dépend de la vitesse, et la traction dépend de la puissance des moteurs.