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Des ailes et du vent
Contribution: Oregon Museum of Science and Industry
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Experiment Category: 
Sciences biologiques
mathématiques
sciences physiques
Technology & Engineering
Objectif: 

Connaître le principe de Bernoulli en construisant une forme d'aile d'avion et en la faisant voler.

Matériel requis: 
  • Papier ordinaire
  • Carton ondulé de 127 x 254 mm
  • Règle
  • Bâtonnets en bambou (baguettes pour brochettes, disponibles dans les magasins d'alimentation) ou des aiguilles à tricoter
  • Ruban adhésif transparent
  • Ciseau
  • Crayon
  • Petit ventilateur électrique
  • Carton, chemise cartonnée ou du papier épais d'une largeur de 111 x 152 mm
  • Capuchon de crayon
  • Gommes
Marche à suivre et observation: 

1. Construis une base qui te servira de plate-forme d'essai.

a. Plie le morceau de carton ondulé d'environ 127 x 254 mm à la ligne du 58, du 111 et du 152 mm partant du rebord.

b. Plie le carton pour en faire une boîte (les ouvertures formeront un trapèze) et place le côté le plus large vers le bas.

c. Colle solidement la structure avec du ruban adhésif.

d. Pratique sur le dessus de la base 2 petites ouvertures centrées et espacées d'environ 76 mm.

e. Enfonce les baguettes (brochettes ou aiguilles à tricoter) dans les ouvertures pratiquées sur le dessus de la base. Assure-toi qu'elles sont bien droites et bien fixées à la base afin qu'elles ne bougent pas.

f. Fixe les gommes de crayon sur le bout pointu des brochettes ou des aiguilles par mesure de sécurité.

2. Fabrique ton aile.

a. Trace une ligne sur une feuille de papier de format lettre (8,5 po x 11 po pour le Canada) dans le sens de la largeur à 157,5 mm (mesures canadiennes : 152 mm) du haut (tu obtiendras alors un côté de 157,5 x 210 mm et un autre de 138 x 210 mm (mesures canadiennes : 152 x 216 mm; 124 x 216 mm )).

b. Plie le papier, mais sans le lisser complètement.

c. Rabats les coins de sorte que le côté le plus long formera une arche. Colle les rebords du papier avec du ruban adhésif. L'aile devrait former une légère courbe sur le dessus.

d. Aligne l'aile avec les bâtonnets de la base et marque l'endroit où pratiquer les ouvertures. A l'aide d'un crayon, perce le papier au-dessus et en dessous de l'aile de sorte que le crayon puisse passer.

3. Place le ventilateur sur la table.

4. Fixe ta base (tu peux la coller avec du ruban adhésif ou maintenir le bas avec un livre) devant le ventilateur.

5. Enlève les gommes à effacer et glisse l'aile le long des baguettes jusqu'à la base. Remets les gommes. La partie supérieure de l'aile devrait être recourbée tandis que la partie inférieure devrait être plate. Tu peux poursuivre des expériences en la plaçant à diverses positions.

6. Mets le ventilateur en marche et observe l'aile pendant 15 à 90 secondes. Note tes observations.

7. Cette fois, lorsque l'aile se trouvera à mi-chemin le long des baguettes, tiens un carton devant l'aile pour empêcher l'air de passer sur sa surface supérieure (extrados). La portance étant le résultat d'une pression moins grande sur le dos de l'aile, cette dernière glissera vers le bas sous l'effet du blocage. Essaie de bloquer le courant d'air de diverses façons. Observe pendant 15 à 90 secondes. Note tes observations.

Résultats: 

La forme de l'aile permet d'exercer la force nécessaire pour soulever l'avion. La portance représente cette force verticale exercée sur les ailes.

Les molécules d'air parcourent un trajet plus long sur l'extrados. Devant parcourir un plus long trajet dans le même laps de temps, ces molécules se déplacent plus rapidement que celles de la face inférieure (intrados) de l'aile. Conséquemment, elles se dispersent davantage (deviennent moins denses). Lorsqu'elles se déplacent, les molécules exercent une pression sur les obstacles qu'elles rencontrent. Ces obstacles subiront une pression ou une force additionnelle qui est proportionnelle à la quantité de molécules les frappant. Parce qu'il y a davantage de molécules par centimètre sous l'intrados, la pression exercée est plus grande que la pression exercée par la couche moins dense de molécules sur l'extrados. Cette différence de pression contribue à la poussée verticale de l'aile.

En 1783, Daniel Bernoulli élaborait le principe de physique qui décrit ces phénomènes. Il a constaté qu'une augmentation de la vitesse d'un gaz (ou liquide) abaissait sa pression. C'est pourquoi la plupart des ailes d'avion sont conçues ainsi afin de tirer avantage des fluctuations de la pression de l'air.

Conseils aux parents et aux enseignants: 

Organisez une petite compétition! Faites un trait sur les baguettes tous les centimètres. Fabriquez quelques ailes et enregistrez la hauteur atteinte par chacune d'elles. Calculez la moyenne obtenue lors de vos essais.

Ou, étudiez la structure des ailes des oiseaux. Cherchez à savoir si la taille et la forme de l'aile influent sur les habitudes de vol des oiseaux. Par exemple, comparez les ailes d'un aigle, d'un albatros, d'une poule, d'un merle, d'un canard, d'un pingouin et d'un émeu. Quelle est la forme de l'aile? Quel est le poids total et la taille de l'animal? Quelle est l'envergure? Bat-il des ailes ou plane-t-il? Pendant combien de temps plane-t-il?