L’importance de la portance

Pourquoi avoir choisi ce projet ?

Nous avons choisi ce projet par intérêt pour l’aviation et le fonctionnement des avions. Simplement, nous voulions comprendre comment un avion reste en l’air malgré sa masse. Comme aucun modèle adapté n’était disponible à l’école, nous en avons construit un avec des matériaux simples. Nous avons ainsi étudié l’effet de la forme et de l’épaisseur du bord d'attaque des ailes sur la portance. Ce modèle pourrait devenir un outil pédagogique accessible à tous !

Résumé

Le but de ce projet est d'étudier l’influence de la forme et de l'épaisseur du bord d'attaque (devant de l'aile), sur la portance. Pour cela, nous avons réalisé des expériences avec deux groupes de trois ailes imprimées en 3D. Le premier groupe possédait les mêmes dimensions et la même masse, mais des épaisseurs de bord d'attaque différents. Le second groupe avait la même masse, mais des formes et profils variés. À l’aide d’un flux d’air constant produit par une souffleuse, d’un support stable et d’un dynamomètre numérique, nous avons mesuré la force exercée sur chaque aile afin de comparer la portance produite.

Hypothèse

Selon nous, la portance produite par une aile dépend à la fois de l'épaisseur du bord d'attaque et de sa forme. Une augmentation de l’épaisseur devrait entraîner une augmentation de la portance. De plus, des formes d’ailes plus complexes devraient modifier l’écoulement de l’air autour de l’aile et influencer la portance.

Comment?

Nous avons d’abord effectué des recherches sur des sites internet scientifique fiables, puis un livre de physique aéronautique.

Pour commencer notre expérience nous devions choisir quels matériaux nous allons utiliser, on a pensé au carton et au styromousse mais ce n’était pas une bonne option à cause de la complexité qu’on aurait eue pour les modeler parfaitement a notre guise. On a donc opté pour des ailes imprimées en 3D parce qu’on peut modifier leurs masses (+ ou - les remplir) et leurs mesures comme l’on veut et précisément.

En sachant que les ailes avaient besoins de bouger seulement verticalement, nous les avons suspendus à des supports métalliques à l’aide de 4 fils de pêche. Un cinquième fil permet de mesurer la force qui tire les ailes vers le haut par rapport au temps.

Les données calculées par le dynamomètre sur une période de 30 secondes sont retranscrites dans le logiciel Logger Pro, cette séquence est reproduite deux fois afin d’avoir des résultats fiables. La moyenne de leur intégrale qui est trouvé grace aux graphiques produits, est comparé pour déterminer laquelle d’entre elle affiche la meilleure portance.

Le principal défi a été de concevoir un système permettant à l’aile de se déplacer librement à la verticale tout en restant stable horizontalement. L’utilisation de fils de pêche répartis aux quatre coins de l’aile a permis de résoudre ce problème. Un autre défi important a été la comparaison des ailes entre elles. L’utilisation de l’intégrale s’est révélée être la- Des oscillations ont été observées dans les graphiques. Elles sont dues aux légers mouvements verticaux de l’aile, ce qui est normal, et aux variations du flux d’air, qui n’est pas parfaitement constant. Ces variations font partie des limites du montage expérimental.

Quoi ? – Présentation des résultats

Les résultats obtenus montrent clairement que la portance produite par une aile dépend à la fois de l'épaisseur de son bord d'attaque et de sa forme. Pour analyser les données, nous avons comparé les moyennes des intégrales de la force en fonction du temps, puisque tous les essais ont été réalisés sur une durée identique de 30 secondes.

Dans cette expérience, la portance n’est pas mesurée instantanément, mais sur une durée donnée. L’intégrale de la force en fonction du temps permet donc de représenter la portance totale exercée pendant l’essai. Puisque tous les essais ont la même durée, la comparaison des intégrales revient à comparer la portance moyenne produite par chaque aile. Cette méthode permet ainsi de déterminer quelle configuration d’aile est la plus efficace pour générer de la portance.

Pour les ailes ayant la même forme mais des épaisseurs de bord d'attaque différents, une augmentation progressive de la portance a été observée lorsque l’angle d’attaque augmente. L’aile à petit épaisseur (2°) présente une moyenne de l’intégrale de 4,60, celle à angle moyen (5°) atteint une moyenne de 5,26, tandis que l’aile à grande épaisseur (10°) produit la portance moyenne la plus élevée avec une intégrale de 8,19. Ces résultats confirment que l'épaisseur du bord d'attaque influence fortement la quantité de portance générée.

Les résultats obtenus pour les ailes de formes différentes montrent également un effet marqué de la géométrie de l’aile sur la portance. L’aile symétrique produit une intégrale moyenne de 6,70, ce qui est supérieur à celle de l’aile à 5°, mais inférieur à celle de l’aile à 10°. L’aile à double courbure génère une portance moyenne plus élevée, avec une intégrale de 8,69. Enfin, l’aile à profil creux est celle qui produit la plus grande portance de toutes les configurations testées, avec une intégrale moyenne de 10,50.

Ces résultats montrent que certaines formes d’ailes peuvent produire autant, voire plus de portance qu’une simple augmentation de l’angle d’attaque. Ils indiquent aussi que la forme de l’aile modifie l’écoulement de l’air autour de celle-ci, ce qui a un impact direct sur l’efficacité de la portance.

Pour chaque aile, deux essais ont été réalisés. Les données enregistrées par le dynamomètre ont été représentées sous forme de graphiques force en fonction du temps. L’intégrale de chaque graphique a été calculée à l’aide du logiciel de Vernier (Logger Pro).

L’intégrale de la force par rapport au temps représente la force totale exercée sur l’aile pendant la durée de l’essai. Comme la durée de chaque essai est identique (30 s), il est possible de comparer directement les intégrales afin d’évaluer la portance moyenne produite par chaque aile. Une intégrale plus élevée correspond donc à une portance moyenne plus grande.

Et Alors ?

Les résultats obtenus confirment notre hypothèse. Une augmentation de l'épaisseur du bord d’attaque entraîne une augmentation de la portance, et la forme de l’aile influence fortement la quantité de portance produite. Les ailes plus complexes modifient l’écoulement de l’air et peuvent améliorer l’efficacité de la portance.

L’aile à 10° produit la plus grande portance parmi celles de même forme.

L’analyse des ailes de formes différentes montre que la géométrie joue un rôle majeur dans la production de portance. Certaines formes, comme le profil creux ou la double courbure, génèrent plus de portance qu’une aile simple, même sans augmenter l’épaisseur du bord d’attaque, grâce à une circulation d’air différente.

Le profil creux offre la meilleure portance, car il laisse davantage d’air circuler sous l’aile, vers l’intrados, donc plus d’air qui pousse l’aile vers le haut.

L’étude avec des intégrales montre qu’il est plus pertinent d’analyser une force sur une durée complète plutôt qu’à un instant précis, surtout si les mesures varient. Cette méthode permet une comparaison plus fiable malgré les oscillations observées.

Ce projet nous a aidés à comprendre comment les avions restent en l’air et comment certaines variables modifient la portance qu'ils produisent.

Et ensuite ?

Des voies d'améliorations possibles pourrait être d'utiliser une machine produisant un flux d’air plus constant, permettant aussi de tester différentes vitesses et puissances. On pourrait y ajouter plusieurs formes d’ailes et angles d’inclinaison à comparer. Enfin, augmenter le nombre d’essais améliorerait la fiabilité des résultats et l’apprentissage.

Notre projet, au moyen long terme, est de concevoir des kits éducatifs faciles à reproduire, partager et éventuellement commercialiser. L’idée serait de standardiser les pièces (ailes, supports) pour permettre une fabrication simple, par impression 3D, afin de rendre le dispositif accessible et utilisable en classe.

Milles merci

Nous remercions Robert Chiasson pour son aide à la modélisation et l’impression 3D des ailes, Patrick Comeau pour le prêt du dynamomètre et ses conseils pour le support des ailes, Lyne Cormier pour le matériel décoratif utilisé pour la pancarte de présentation, ainsi que Mr. Pierre-Philippe qui nous a aidé a clarifier notre problème.

Sites internet:

"Le fonctionnement des avions" : https://youtu.be/TtTUkrgnNtI?si=DmJy_qVU_rZV0stI

"Qu’est-ce que la portance ? L’explication pour les non-scientifiques" : https://aeo-aviation.com/blogs/aeo-blog/qu-est-ce-que-la-portance?srsltid=AfmBOoqf7_M8dF5hH-NzvviYP7ekQtyCbymFlQYj6MichjSAf51MOYnS

"Comment les avions volent-ils ?" : https://youtu.be/r-ESaj_4ujc?si=lc7Hm_JaCkKXS7-S

"[Aérodynamique #2] La portance : Bernoulli VS Newton" : https://youtu.be/5D5H0r5DiW4?si=CZZKd-ZEYMi1VlAi

"Les quatre forces du vol" : https://parlonssciences.ca/ressources-pedagogiques/documents-dinformation/les-quatre-forces-du-vol

"Principes du vol – Les quatre forces expliquées simplement" : https://selectaviation.com/fr/principes-du-vol-les-quatre-forces-expliquees-simplement/

"LES DIFFÉRENTS PROFILS DES AILES" : https://www.lavionnaire.fr/AerodynDifProfils.php

"Integral" : http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/integ.html

"Comprendre les intégrales en 10 minutes" : https://youtu.be/i7kCaE7Yvfc?si=w1kG8JqKlaPVRsTR

"Les intégrales" : https://youtu.be/utM8TKG90r8?si=PcyA5bSdecRPq1pZ

"Caractéristiques - TPE - Une aile plus performante" : https://tpaile.weebly.com/caracteacuteristiques.html

Application de mesure “Logger pro” : https://www.vernier.com/product/logger-pro-3/?srsltid=AfmBOoohLcT-do-kt72efOo07F9fttxSbWGs5baHAkjjWR-Uqh_J3EUw

Notre site web avec sources :  https://sites.google.com/d/1vV2XozlE_7sGNGoRlcmw-60VVUgxdNQz/p/15QDmMReDJ-Xl791lZyul-HOBc8_FkW6e/edit

Livre :

"Aérodynamique fondamentale" (2016) de André Giovannini et Christophe Airiau. Aux éditions "Cépaduès" : (livre emprunté à la bibliothèque)