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Pourquoi les avions volent-ils

Chaque jour, environ 100 000 avions prennent leur envol pour transporter des millions de passagers ! Tu en as certainement déjà vu voler dans le ciel ou tu es même peut-être déjà monté dedans un jour pour parcourir une grande distance ! Un seul avion peut peser jusqu’à 400 tonnes, c’est-à-dire l’équivalent du poids de 400 voitures ! Et pourtant, il parvient à décoller comme un oiseau, c’est un exploit ! Mais sais-tu quelles forces lui permettent d’y arriver ? Dans ce parcours, nous te proposons de comprendre comment les avions arrivent à voler. Attention décollage imminent ! Matériel nécessaire pour tout le parcours : feuille de papier, règle, scotch, ballon de baudruche, ficelle, paille, stylo, ciseaux, pince à linge

45 min À partir de 5 ans

Déroulé

Avant de commencer et si tu le souhaites, tu peux te munir de ton "cahier d'expérience" pour raconter tes découvertes et dessiner les expériences.

Commence par dessiner rapidement un avion et essaie d’imaginer tout seul quels sont les principaux éléments qui lui permettent de voler. Est-ce que tu as déjà aperçu dans la nature un animal qui a presque la même forme ?

Activité 1 : Les courants d’air qui rapprochent

À ton avis, quel est le rôle des ailes sur un avion ? Et quel est le rôle de l’air ?

Tu vas commencer par une petite expérience étonnante. Prend une feuille de papier entre tes doigts, comme sur la photo :

À ton avis, si tu souffles sur le haut de la feuille, que va-t’il se passer ? La feuille va rester dans la même position, aller vers le bas ou au contraire, aller vers le haut ?

À toi de jouer, souffle sur la feuille, comme sur la photo. Qu’est-ce que tu observes ?

Le courant d’air que tu as fait en soufflant va, comme par magie, soulever la feuille.

Je t’invite à réaliser une expérience permettant de visualiser ce phénomène étonnant : Mon avion suspendu à l’effet Venturi

La feuille fonctionne comme une aile d’avion : l’air qui passe autour est bousculé par la bosse de la feuille alors que, si la feuille est à plat, il ne serait pas bousculé.

L’air passe plus vite au-dessus qu’au-dessous, et par conséquent appuie moins sur le haut de l’aile. Celle-ci est alors poussée par l’air du dessous et elle est comme aspirée par le haut … Elle décolle ! C’est ce que l’on appelle l’effet Venturi.

Si l'on refait l'expérience en soufflant cette fois-ci entre deux canettes on pourrait s'attendre à les voir s'éloigner, poussées par le courant d'air. Au contraire, les canettes se rapprochent, ce qui est plutôt surprenant.

Dans le cas d’un avion, les moteurs font avancer l’avion et c’est le vent relatif qui joue le rôle du souffle.

Activité 2 : La propulsion

Tu as pu observer que pour se soulever, il faut donc propulser de l’air, comme ton souffle. Dans le cas des avions qui sont très lourd, il faut beaucoup de force pour le soulever. Les constructeurs ont donc installé des gros moteurs pour propulser l’avion.

Je t’invite à regarder cette courte vidéo qui montre que la force des hélices alimentées par un moteur vont permettre de faire avancer l’avion.

Maintenant, à toi de jouer. Tu peux fabriquer toi-même un objet qui va être propulsé par la force de l’air : Le défi de la nasa

Pour finir cette activité en beauté, voici une vidéo de l’émission “C’est pas sorcier” sur le fonctionnement d’un moteur d’avion.

Une histoire de forme et d’orientation.

Telles les ailes d’un avion, tu as certainement toi aussi déjà ressenti la force de portance de l’air. Peut-être as-tu déjà essayé de sortir ta main par la fenêtre d’une voiture qui roulait ? Si tu places ta main, paume vers l’avant, face au vent, ta main est simplement repoussée vers l’arrière et tu dois faire un effort pour la maintenir au même niveau. Si par contre tu changes l’inclinaison de ta main, en tournant progressivement ta paume vers le bas, tu sentiras que ta main commence à se soulever, c’est exactement ce qu’il se passe pour les ailes des avions, la portance crée un phénomène d’aspiration au dessus de ta main.

C’est ce qu’on appel l’aérodynamisme !

Activité 4 : Fabrication d’avion en papier

Maintenant que tu as bien compris les principes scientifique du fonctionnement d’un avion, tu peux t’amuser à fabriquer tes propres avions en papier.

Pour cela, tu peux t’aider de quelques tutos :

Usage dans la vie quotidienne

La nature a beaucoup de choses à nous apprendre. Peut-être as-tu déjà observé le vol des oiseaux ? Celui qui fascine le plus le monde de l’aviation est l’albatros. Tu pourras en observer près de la mer. Avec ses ailes d’une immense envergure, jusqu’à 3 mètres pour certains, il peut planer sur des centaines de kilomètres sans trop se fatiguer. Il devient un modèle pour les constructeurs d’avion qui s’en inspirent pour concevoir les nouveaux avions, c’est ce qu’on appelle du biomimétisme.

Albatros déployant ses ailes

Histoire des sciences

Les Hommes ont toujours été fascinés par le vol des oiseaux. Dans la mythologie, le jeune grec Icare fabrique des ailes avec des plumes et de la cire. Il tente de s’envoler mais cela lui coûtera malheureusement la vie. Cette légende rappelle que voler représente depuis bien longtemps un rêve pour beaucoup d’humains.

Image ci-dessus : Tableau du peintre français Charles Paul Landon, mettant en scène Icare tentant de s’envoler (1799, musée des beaux-arts et de la dentelle)

Vers 1485, Léonard de Vinci* dessine des premiers modèles de machines volantes, inspirées du vol des oiseaux. C'est l'homme qui actionne les battements des ailes. De Vinci se rend alors compte que l’homme n’a pas la force physique pour soulever son poids et celui de la machine, contrairement aux oiseaux qui sont très légers. L’envol de la machine par battement n’est pas possible, il abandonne donc ses plans.

*Originaire de la Toscane (Italie), Léonard de Vinci est un ingénieur, scientifique et artiste très réputé de la Renaissance. Ayant excellé dans de nombreuses disciplines, il est encore aujourd’hui considéré comme un “génie universel”.

Image ci-dessus : Plans dessinés des machines de Léonard de Vinci

En 1856, un français du nom de Jean Marie le Bris, marin et armateur de profession, pense alors à une autre technique de vol : le vol plané. Il est le premier à percevoir le phénomène de portance, que tu as découvert à travers ce parcours, et réalise une machine volante quelques années plus tard. Certains disent qu’il parvint à voler sur quelques mètres, tiré par des chevaux reliés à une corde, même si aucune preuve ne permet en attester.

Le Bris et son Albatros, photographié par Pépin fils, photographe Brestois, 1868

Un peu plus tard, en 1898, c’est l'ingénieur allemand Otto Lilienthal qui crée un planeur et donne aux ailes une forme arrondie, permettant d’augmenter la portance du vent. Il parvint à effectuer plusieurs vols planés depuis une colline près de Berlin, sur une longueur allant jusqu’à 300 mètres. Il s’agit bien d’une machine volante, similaire aux deltaplanes utilisés aujourd’hui, sans moteur. On ne parle donc pas encore d’avion.

Otto Lilienthal, en vol avec l’une de ses machines. Photo de Carl Kassner,1891

Ce n’est qu’en 1890 qu’un ingénieur français du nom de Clément Ader invente le premier avion à hélices : Eole, équipé d’un moteur à vapeur et pesant 300 kg. Le 9 octobre de la même année, Ader arrive à décoller de 20 cm au-dessus du sol sur une distance de 49 mètres. Il s’agit du premier vol d’avion.

Eole

En 1900, les frères américains Wilbur et Orville Wright reprennent les éléments des machines de leurs prédécesseurs, précisent la forme des ailes et ajoutent des commandes pour contrôler l’équilibre et la direction. Le vol de leur biplan nommé Flyer est une réussite, c’est le début de l’aviation !

Elévation du biplan des frères Wright

Sept ans plus tard, l’industriel français Louis Blériot crée un atelier d’avionnerie et fait fabriquer une série d’avion de sa conception, dont le célèbre Blériot XI, avec lequel il traverse la Manche en 1909, entre Calais et Douvres (environ 35 km).

Avion Blériot V

Suite à ces découvertes, la première guerre mondiale (1914-1918), malgré tous les ravages qu’elle provoque, permet à l’aviation de faire des progrès considérables, des progrès continus dans les recherches de l’aéronautique arrivant aujourd’hui aux technologies d’avion que nous connaissons.