Aerodynamique
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Soit un fluide circulant dans un tube. Le débit est constant sur tout le trajet (de 1 à 3). La vitesse du fluide est donc plus grande en 2 à cause du rétrécissement (et de la faible compressibilité du fluide surtout s’il est liquide).
Dans le tube de Venturi, les colonnes de fluide sont plus grandes en 1 et 3 qu'en 2.
La loi de Bernoulli dit que la pression de l'air dans un écoulement est inversément proportionnelle à la vitesse. Les exemples et applications sont nombreuses: le vaporisateur, le soulèvement d'un toit par un ouragan et surtout le profil de l'aile d'un avion ou d'un boomerang.
En accentuant la courbure de la face supérieure, le boomerang subit une poussée ascensionnelle plus forte et décrit un cercle plus petit.
Le capitaine James Cook débarque en Australie en 1770 et fait l'inventaire de ce continent. C'est lui qui ramène en Europe le premier boomerang.
Les aborigènes ne connaissaient pas l'arc et la flèche. Ils utilisaient, à part les sagaies, deux types d'engins volants:
Le rôle du boomerang, chez les Aborigènes n'est pas très clair et peut-être multiple: simple jeu d'adresse? “Killing stick” d'entraînement? Objet volant simulant l'attaque d'un rapace (les oiseaux, peureux, se jettent au sol et sont pris dans les filets)? Arme servant à tuer les oiseaux?
Débit et vitesse
Le tube de Venturi
L’aile d’avion
Le boomerang
La force de l’ouragan
Le vaporisateur
La voiture
La trajectoire des balles
grande vitesse
petite pression
petite vitesse
grande pression
aile
1
2
3
Nous pouvons en conclure que lorsque les lignes de courant se rapprochent, on a localement:
basse pression
grande vitesse
petite vitesse
petite vitesse
haute pression
haute pression
Mesurons la pression dans les 3 colonnes :
L’aérodynamique et l’hydrodynamique étudient
les écoulements d’air (aéro) et d’eau (hydro) aussi
bien dans des tuyaux que dans la nature: atmosphère et
courants marins par exemple. Ce sont 2 branches d’une science qu’on appelle la mécanique des fluides. Elle permet de comprendre aussi le vol des avions, la trajectoire des ballons et des boomerangs.
Définition
Ecoulement laminaire et turbulent
prenons un tuyau ...
Coupons-le pour mieux voir le fluide couler à l’intérieur.
L’écoulement le plus simple s’appelle écoulement laminaire: les molécules ont des trajectoires parallèles.
C’est une vision un peu trop simple. les molécules en contact avec les parois du tuyau sont freinées.
Lorsque le fluide coule à grande vitesse, l’écoulement cesse d’être laminaire: il devient turbulent. La trajectoire des molécules est imprévisible. Le fluide a un comportement chaotique.
Lorsque un fluide en mouvement évite un obstacle immobile, on voit derrière celui-ci des remous qui correspondent à un écoulement turbulent. Le même phénomène s’observe lorsque c’est le fluide immobile qui est traversé par un objet mobile (avion, bateau, ballon, dauphin,...)
A faible vitesse, un mobile perturbera peu le fluide traversé. On observe un écoulement laminaire autour de l’objet.
A grande vitesse, le mobile laisse une traînée derrière lui. C’est un écoulement turbulent.
Un avion en vol est soumis à 4 forces. La force qui maintient l’avion en l’air (la portance) est produite par l’écoulement de l’air autour du profil de l’aile.
Le dessus de l’aile (ou extrado) est bombé de manière à rallonger le trajet de l’air et d’augmenter sa vitesse. La pression de l’air diminue. L’air qui circule au-dessous de l’aile (intrado) n’est pas accéléré. Mais la pression y est plus grande et soulève l’aile.
extrado
(= dessus)
intrado
(= dessous)
bord d’attaque
(= devant)
bord de fuite
(= derrière)
Pour augmenter la portance de l’avion on peut:
(Clique sur les bonnes réponses)
Augmenter le poids de l’avion.
Voler dans la direction du vent pour se laisser pousser.
Traînée à l’arrière d’un avion.
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•
le killing-stick. Il est long (environ 1 mètre) et lourd. Il tue et ne revient pas.
le boomerang revient au lanceur s'il ne rencontre pas d'obstacle.
la vitesse du fluide qui augmente.
la pression qui diminue.
•
•
1
2
3
Au-dessus du toit les lignes de courant se rapprochent: la vitesse (V) du vent augmente et la pression (P) diminue. La pression au-dessus du toit est plus faible que la pression atmosphérique (Pa) à l’intérieur de la maison. On peut écrire:
Le toit reçoit une poussée verticale dirigée vers le haut et peut s’envoler comme une aile d’avion.
L’air accéléré dans le tuyau horizontal crée une dépression en haut du tube vertical. La pression atmosphérique repousse le liquide en haut du tube. Le liquide est alors entraîné avec le courant d’air et projeté sous forme de minuscules gouttes. On peut ainsi vaporiser du parfum ou de la peinture (pistolet à peinture, aérographe).
Remarques:
Pour décoller, un avion doit faire passer de l’air rapidement autour du profil de son aile. La vitesse de l’avion au décollage dépend du type d’avion :
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•
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1.
100 Km/h pour un petit monomoteur à hélice.
250 Km/h pour un avion de ligne.
2.
Un avion décolle face au vent : la vitesse du vent s’additionne à celle de l’avion. Un avion qui doit rouler à 200 Km/h pour décoller peut réduire sa vitesse à 150 Km/h s’il fait face à un vent soufflant à 50 Km/h.
Avion 200 Km/h
Avion 150 Km/h
vent 50 Km/h
=
3.
On peut même imaginer un avion qui décolle à l’arrêt. Sur le film suivant, on remarque l’effet du vent sur un avion au sol.
liquide à vaporiser (parfum, peinture,...)
Un objet qui doit se mouvoir à grande vitesse dans un fluide (liquide ou gazeux) a souvent un profil aérodynamique (dans l’air) ou hydrodynamique (dans l’eau).
L’un de ces 2 vaporisateurs est un aérographe.
Sauras-tu le reconnaître? Clique dessus.
Démonstration de l’utilisation d’un aérographe.
Une voiture de course a un profil aérodynamique. Sa grande vitesse et sa forme bombée augmentent ses chances de s’envoler. Pour l’en empêcher, on peut lui donner différents accessoires destinés à la plaquer au sol. Des ailerons relevés à l’avant et à l’arrière du véhicule jouent ce rôle.
Décollage d’une voiture de course.
Dans cette vidéo, la voiture présente son aileron par l’arrière (25 secondes après le début de la vidéo): au lieu de jouer son rôle et de plaquer la voiture au sol, elle la soulève au contraire.
L’expérience du tube de Venturi nous donne une fois de plus la solution. Contrairement à d’autres objets volant, une balle peut tourner sur elle-même comme une toupie.
Un ballon qui fend l’air voit les lignes de courant se resserrer autour de lui. Dans le cas d’un ballon qui ne tourne pas sur lui-même, la pression diminue de chaque côté et ça ne change pas la trajectoire qui est rectiligne.
Un ballon qui tourne sur lui-même influence la vitesse de la couche d’air qui glisse sur lui. D’un côté l’air est accéléré (et la pression diminue). De l’autre, l’air est freiné (et la pression augmente). La différence de pression de chaque côté du ballon fait dévier le ballon de sa trajectoire qui décrit alors une courbe : c’est l’effet Magnus.
Pour réussir son tir, Roberto Carlos a tapé de son pied gauche:
Sur la gauche du ballon.
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Fabrication d’un boomerang
Regarde ce coup franc tiré par Roberto Carlos en 1998. Le ballon a une trajectoire courbe. Comment cela est-il possible?
L’effet Magnus est encore plus spectaculaire avec une balle légère: à droite une balle de ping-pong.
«Aérodynamique», un film de la série «C’est pas sorcier»
Fabrication et lancer du boomerang
1.Je construis un boomerang d'appartement.
L'utilisation d'un boomerang dans un appartement pourrait facilement devenir problématique pour la famille et le mobilier. Je vous propose donc de construire un boomerang d'appartement en carton: garanti sans danger !
2.Marche à suivre.
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Je télécharge la fiche au format pdf.
Je fais une photocopie sur du papier (carte) souple mais épais: 200 g/m2
Si je n'ai pas de papier si épais, je découpe le modèle sur la photocopie et je l'utilise comme chablon pour dessiner le contours sur un carton.
L'utilisation du boomerang est sans doute aussi vieille que la pratique de la chasse. On a retrouvé des boomerangs préhistoriques conservés dans des tourbières en Europe, chez les Indiens d'Amérique, les Esquimaux et bien sûr chez les aborigènes d'Australie. La représentation d'une scène de chasse a même été découverte dans une tombe égyptienne.
La marche à suivre pour la fabrication ainsi qu'une démonstration de technique de lancer dans ma cuisine (interdiction de rire) se trouve sur le film:
