mercredi 6 janvier 2016

TPE : Wingsuit s'inspire du vivant || 1ere S

Lors de notre année de 1ère S, nous devions réaliser un Travail Personnel Encadré, sur une période de 19 semaines. Durant les 2 premières semaines nous voulions travailler sur un TPE en relation avec la musculation mais en manque de ressources documentaires,nous avons alors décidé de changer de domaine.

Biomimétisme : le biomimétisme consiste à reproduire la nature, pour une exploitation artificielle, sur des inventions humaines. L’homme imite des mécanismes et l’organisation des écosystèmes ou des êtres vivants pour trouver de nouvelles solutions techniques.

Après avoir rigoureusement étudié cette définition et recherché des exemples possibles, nous avons décidé de lier la science et vie de la terre et la physique chimie, pour produire un travail sur le thème de matière et forme. Nous avons vu que la Wingsuit est un équipement sportif permettant de voler, ou plus spécialement de planer en s'inspirant d'un être vivant.


Voici l'exemple d'un vol en wingsuit:



EXTRAIT  VIDEO: https://www.youtube.com/watch?v=WRqnTODwvEA           Wingsuit [best moments] HD



Problématique : Comment la wingsuit s’inspire-t-elle du vivant?
A travers ce travail, on montrera quelle technique de vol imite la wingsuit.

Histoires de la wingsuit

Léonard de Vinci est l’un des premiers a avoir élaboré des équipements de vol pour l’Homme.

Il inventa une machine pouvant s'élever dans les airs, car il était convaincu qu'il fallait prendre modèle sur les oiseaux. Mais il a constaté que les bras humains étaient trop faibles pour voler, il fabriqua alors une machine pouvant battre des ailes. Aucune de ses inventions n’a jamais abouti, et de nombreuses personnes ont perdu la vie.


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http://cornillon-lorents1.e-monsite.com/medias/images/da-vinci-art-of-war-04a-vinci-machine-volante-original.jpg

Un homme, Clem Sohn, inventa la première combinaison de Wingsuit qui permet une nouvelle manière de voler. Cette combinaison est fabriquée avec des tubes d'acier et de la toile de zéphyr. Il mourut lors du festival aérien de Vincennes, car son parachute ne s'est malheureusement pas ouvert. Son idée donnera un élan pour de nouvelles inventions qui perdurent aujourd’hui.



clem-sohn-wingsuit
http://www.startin-sport.com/wp-content/uploads/2013/04/clem-sohn-wingsuit.jpg

C'est Patrick de Gayardon qui va améliorer la wingsuit, en réalisant l'exploit de sauter d'un avion. Par la suite, il a découvert quelle forme était nécessaire pour effectuer des virages. Il utilise un tissu de synthèse et le corps humain comme structure.


http://guingamp-natation.com/site%20guingamp%20natation/finale/portraitsdesportifs/patrickdegayardon.jpg



Le vol de la wingsuit


Comment fonctionne la Wingsuit ?


A travers la vidéo illustrant le vol d’un wingsuiter, on peut voir qu’il plonge dans le vide mais ne s’écrase pas directement au sol et qu’en se penchant à gauche il tourne à gauche et lorsqu’il se penche sur la droite il tourne à droite, de plus le wingsuiter maîtrise son altitude en restant à l’horizontale. Ce sport s'exerce dans le fluide de l'air.




https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9b/Ocean_Wingsuit_Formation_(6366966219).jpg





La wingsuit est une combinaison permettant à l’homme de voler, mais voler d’une certaine manière, le planage. Cette combinaison se gonfle d’air dans des membranes situées entre les bras et la taille, et entre les jambes lorsque le wingsuiter se lance dans le vide d’une falaise ou d’un avion. Ce sport est réservé aux parachutistes confirmés ayant effectué plus de 150 sauts. Ce sport coûte la vie à environ une vingtaine de sportifs par an dans le monde entier. Lors de son saut le wingsuiter se positionne à l’horizontale. Le vol se termine lorsqu’il atteint une certaine altitude et déclenche son parachute.


Lorsque le wingsuiter effectue son élan dans le vide il est attiré vers le sol, c'est la force du poids qui intervient. Le poids est une force d'attraction exercée par la Terre. La formule est la suivante:



Cette force attire seulement le wingsuiter vers le sol, cependant il effectue un vol plané sans s'écraser directement. Ce phénomène est appelé portance, c'est une force permettant à un aéronef de se déplacer dans l’atmosphère terrestre, de maintenir une altitude.

On peut voir que la wingsuit est porté par le fluide de l'air mais par le dessus. Le sportif durant le vol ne doit pas produire d'écart, car la portance a des limites. Pour un vol, il doit se pencher de 0° à 15° pour ne pas subir de décrochage, c'est l'angle d'incidence. Si l'angle est supérieur, le wingsuiter décroche et c'est la chute assurée.  


On peut voir que la wingsuit possède un extrados (surface supérieure), un intrados (surface inférieure), un bord d'attaque qui perçoit en premier l'impact de l'air durant l'intégralité du vol ,et enfin un bord de fuite qui est l'endroit où l'air séparé des deux côtés de l'élément se rejoint.

Le planage résulte d'une dépression subie à l'extrados et d'une surpression à l'intrados. Dans le flux de l'air une pression est exercée et cette pression diminue lorsqu'une accélération se produit. La vitesse de l'extrados sera supérieure à celle de l'intrados et cette différence se caractérise par le fait que les deux courants d'air se rejoignent au même moment au bord de fuite.

On constate que la trajectoire de l'air par l'extrados est plus longue que celle passant par l'intrados. On sait que les molécules ne peuvent pas s’accrocher à la surface de l’objet volant et se séparent en laissant un vide à l’extrados, donc plus la vitesse augmente plus le wingsuiter obtient de la stabilité.  

Afin de démontrer comment le flux de l’air soulève par le dessus l’objet, nous avons recréé cet effet.

Protocole expérimental :

- Prendre une feuille de papier A4 plié en deux dans le sens de la longueur
- Tenir la feuille de manière à ce que l’extrémité la plus éloignée pende dans le vide
- Placer la feuille en dessous des lèvres
- Souffler de manière constante le long du papier 























Le papier se soulève et ne pend plus dans le vide, la portance s'exerce donc sur ce dernier. On peut se rendre compte grâce à cette expérience que lorsqu'on souffle au-dessus d'une feuille, elle est attirée vers ce flux d'air passant par l'extrados, la réaction est la même avec un aeronef dans l'air. Il y a donc une dépression subie à l'extrados et une surpression subie à l'intrados par le flux de l'air qui s'appelle la portance.

La wingsuit avance aussi dans le flux de l'air, or les deux forces étudiées précédemment ne qualifient pas son avancée. Sans réacteur, Le wingsuiter prend de la vitesse quand il se lance dans le vide, et gardera cette vitesse durant le vol et ceci grâce à une force qui est la poussée. Quand il se met en position de vol,  avec les bras écartés, les membranes se gonflent d'air ce qui lui permet d'obtenir rapidement une vitesse initiale. Le wingsuiter atteint un vitesse maximale de 200km/h selon le tissu utilisé pour la combinaison.

On constate néanmoins que la wingsuit est ralentie par l'air, cette force est la traînée totale.

On peut classer la traînée totale en 3 types:

- traînée de frottement : la wingsuit durant le vol subit un ralentissement par le frottement de l'air sur l'intégralité de la combinaison. Au niveau du bord d'attaque, les molécules d'air sont ralenties, ce qui engendre une diminution de l'énergie cinétique, donc une diminution de la vitesse. Celle-ci représente la plus grande partie de la traînée totale qui ralentit le plus la wingsuit. En vol, pour augmenter sa vitesse, il doit s'incliner en avant et défier la portance, ce qui est extrêmement dangereux , car il n'est plus supporté par le fluide de l'air.

- Traînée de forme : elle est présente lorsque l'objet n'a pas une forme aérodynamique, mais la wingsuit a été conçue pour optimiser au maximum la pénétration dans le fluide de l'air. Ce type de traînée a donc peu de d'incidence sur le ralentissement de la wingsuit.

La wingsuit respecte donc une forme aérodynamique.


- Traînée induite : ce phénomène est une conséquence de la portance, on sait que la portance résulte de la surpression à l'intrados et d'une dépression à l'extrados. La surpression tente alors de compléter la dépression à l'extrados. Ce type de traînée occasionne des tourbillons marginaux qui créent des turbulences au niveau des ailes de la wingsuit et la ralentit potentiellement. Pour diminuer au maximum ces turbulences, le wingsuiter lève ses bras au maximum pour une meilleure infiltration dans l'air. On peut voir grâce à ces schémas les formes appropriées pour une pénétration dans l'air.


Pour illustrer ce schéma nous avons réalisé une expérience. Nous avons simulé le flux d'air par le flux d'eau, et nous avons placé des objets de même forme que le schéma en-dessous pour observer la trajectoire de l'eau autour des objets.

Forme plane :

VIDEO: https://www.youtube.com/watch?v=RTqTzOn0CrY

On observe que l'eau n'a pas de trajectoire fixe et ne s'écoule pas à l'arrière de l'objet, donc un trou d'air se forme et il n'y a aucune adhérence des molécules sur la surface de l'objet. Par conséquent, comme pour le flux de l'air cette forme ne convient pas.

Forme ronde :

VIDEO:  https://www.youtube.com/watch?v=EHGSSMq4C2Q

On peut voir que l'eau s'écoule sur le front de l'objet mais à l'arrière elle est attirée vers le centre du cercle. Il y a donc un manque d'adhérence des molécules à l'arrière de l'objet. Cette forme n'est pas non plus adaptée pour la combinaison de la wingsuit.

Forme aérodynamique :

VIDEOhttps://www.youtube.com/watch?v=FQ0gObV5M3E

L'eau s'écoule sur l'objet et suit la forme de celui-ci sur tout le long. Les molécules s'accrochent à la paroi de l'objet et aucun trou d'air ne se forme. Cette forme est  sans aucun doute celle à reproduire pour une bonne pénétration dans l'air. Enfin, le profil de la wingsuit a une allure idéale pour affronter la traînée et combattre les résistances du fluide de l'air. 

Le wingsuiter ne saute pas dans le vide sans connaître et manier la force de traînée. Pour cela, il doit calculer la valeur de la traînée en Newtons selon cette équation :


On en conclut que la wingsuit durant son vol inclut quatre forces récapitulées par ce schéma. On en déduit que les forces perpendiculaires au sol (portance et poids) sont opposées et permettent à la wingsuit de planer, et que les forces parallèles au sol (poussée et traînée) sont également opposées. Ce sont ces quatre forces qui permettent au wingsuiter de planer.


Nous nous sommes demandé si ce mode de vol se retrouve dans la nature, ce qui confirmerait la définition de biomimétisme. Il existe différents types de vol chez les animaux comme le vol stationnaire, le vol plané, le vol battu ou encore vol à voile. Il conviendra donc de définir à quel type de vol s’apparente la wingsuit. Nous avons émis pour ce faire trois hypothèses.

Hypothèses :

-         La wingsuit s’inspire du vol du Colibri
-         La wingsuit s’inspire du vol de la chauve-souris
-         La wingsuit s’inspire du polatouche qui est un écureuil volant



Le vol du colibri


Le colibri ayant comme nom latin Trochilidae, est un oiseau mouche , c'est le plus petit oiseau du monde. Cet être vivant a une anatomie unique chez les oiseaux, ses ailes ont un angle d'inclinaison qui lui permette plusieurs types de vol. Grâce à ses ailes, cet oiseau peut se déplacer sans soucis dans l'air. On observe que le profil de ses ailes correspond à la forme idéale pour l'aérodynamisme qui est la même recherchée pour la wingsuit. 


On peut voir également que pour cet oiseau le vol battu est dominant, L'air est repoussé vers l'arrière et vers le bas par battement des ailes, ce qui fait avancer et monter en altitude l'oiseau. Il y a une alternance de la force sur les faces de l'aile.


On constate également que le colibri peut effectuer un vol stationnaire en battant des ailes 80 fois par secondes. C'est le seul oiseau à pouvoir effectué ce type de vol.




Le vol se décompose en trois phases : la substitution, la propulsion, la régulation:

- La substitution : L'oiseau mobile dépense de l'énergie et se déplace avec une certaine vitesse dans l'air. Ce dernier utilise la poussée aérodynamique pour avancer dans le fluide et la substitution passive utilise un système d'équilibre entre la poussée et le poids pour effectuer un vol stationnaire. 

- La propulsion : Le colibri se déplace dans l'air dans une direction horizontale. Il se meut par propulsion, en répétant des mouvements cycliques avec ses ailes, de type alternatif.

- La régulation : L'oiseau durant son vol subit des perturbations causées par le résultat de forces d'équilibre et sa trajectoire peut être modifiée. Cette fonction lui permet de contrôler son vol, et de rétablir rapidement sa direction en fournissant des efforts, le système est alors auto-stable. 

Enfin il apparaît que les forces exercées sur le colibri sont les mêmes que la wingsuit, mais la direction de ses forces ne sont pas les mêmes. On sait que pour le wingsuiter les forces de poussée et de traînée sont linéaires et perpendiculaires à la portance et au poids. De plus le type de vol n'est pas le même.


Le vol de la chauve souris


Appelée communément chauve-souris, les chiroptères (vol avec ses mains) sont des mammifères comptant près d’un millier d’espèces. Les microchiroptères et les mégachiroptères sont les deux sous-ordres principaux parmi toutes les espèces.


Chauve-souris en vol

Ce sont les seuls mammifères volants, pourvus d’ailes qui existent. Les chiroptères ont tous la même anatomie, certaines espèces sont plus ou moins grandes.


Le squelette d’une chauve-souris lui permet de voler : ses avant-bras et ses mains sont très allongés, cela lui permet d’avoir une surface de contact avec l’air assez importante, ses 2ème et 3ème doigts sont proches et forment le bord d'attaque de l'aile. Les clavicules et les omoplates très larges sont les points d'accrochage des muscles lors du vol.



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http://rmanr.free.fr/chirop/images/anat.jpg


Sa membrane est appelée la membrane alaire, elle est constituée en quelque sorte de bandes élastiques disposées selon une direction donnée, composée de fibres musculaires et nerveuses, ainsi que de vaisseaux sanguins importants. Elle peut s'étirer pour attraper l'air et générer de la portance de diverses manières.

Les chauves-souris peuvent produire environ 20 battements d'ailes par seconde. Elles sont capables de monter un peu plus haut vers le ciel à chaque coup d’aile en tournant leurs ailes vers l’arrière. L’aile de chauve-souris produit son propre vortex indépendant si bien que cela lui permet  d’agir indépendamment de l’autre. Bien que ce procédé soit moins efficace du point de vue aérodynamique, la technique à l’avantage de permettre aux chauves-souris de changer rapidement et fréquemment de direction contrairement aux oiseaux.




Bat flying in a Wintunnel


La très bonne performance de la chauve-souris lors du vol à petite vitesse, qui  est très agile pour virer brutalement, intéresse les techniciens pour mettre au point de petits appareil volants comme les drones, des appareils pilotés à distance. Mais ces techniques n'inspirent pas la pratique du vol de la wingsuit . Néanmoins, les ailes des chauve-souris et la combinaison du wingsuiter présentent quelques similitudes, en effet on peut voir que le tissus utilisé pour la combinaison (nylon) permet le vol tout comme la membrane permet à la chauve- souris de voler.


Le vol du polatouche


Le polatouche, ayant comme nom latin Glaucomys sabrinus, est un écureuil volant vivant en Amérique du Nord ainsi qu’au Canada. On peut remarquer qu’il existe différentes espèces de polatouches : le petit ainsi que le grand polatouche.


Le petit polatouche possède les poils du ventre blancs. Il mesure environ 23 cm avec une queue mesurant 9 cm. Il est très léger, son poids varie entre 45 et 85 g.



Contrairement au petit, le grand polatouche a les poils du ventre gris. Il mesure environ 32 cm avec une queue mesurant 12 cm. Il est plus lourd que le petit mais reste léger avec un poids variant entre 70 et 140 g

Malgré ces quelques différences, les espèces de polatouches sont très similaires et sont difficiles à se différencier. De plus, le polatouche est une espèce susceptible d’être menacée ou vulnérable. Ce sont des animaux arboricoles, qui vivent dans les arbres, la nuit.

Cet écureuil ne vole pas, il ne possède pas d’ailes. Ce qui lui permet de planer est la membrane qu’il détient entre ses pattes qui s’étendent de chaque coté de son corps, appelé patagium, ce qui lui sert de « parachute ».

Vidéo présentant le polatouche exécutant un vol plané :



Il existe trois phases de « vol » pour le polatouche :

 - Le décollage : avant le décollage le polatouche observe un bon moment son point d’arrivée. Lors du décollage, il tend immédiatement sa membrane ce qui lui permet de planer quelques instants.



- Le planage : on peut voir dans cette phase que les membranes du polatouche lui permettent de prendre différentes directions. Le polatouche peut prendre des virages jusqu'à 180 degrés ce qui lui permet de passer d’un arbre à l’autre en planant.



-  L’atterrissage : Dans cette phase la queue joue un rôle essentiel, elle lui permet d'atterrir en douceur sur les arbres.



En effet durant son vol, le polatouche fait intervenir plusieurs forces :

- Lorsqu’il effectue son vol plané, le polatouche est attiré vers le sol ce qui fait intervenir la force du poids.
- Lorsque le polatouche est en phase planage, la force de la traînée intervient ce qui va lui permettre de gonfler ses membranes appelées patagium.
- Lorsque le polatouche plane, la force de la portance est aussi mise en jeu. En effet le polatouche est « porté » par l’air.





A travers ces TPE nous avons étudié les forces intervenant dans le vol d'une wingsuit et les caractéristiques de la combinaison utilisée.

On peut donc en déduire après avoir analysé le type de vol de ces trois animaux, que la wingsuit s'inspire effectivement du vivant.  C'est le polatouche de par son anatomie, son type de vol et les forces intervenant qui a été la source d'inspiration de Patrick de Gayardon pour concevoir cette combinaison de vol. 

Cependant, la wingsuit peut aussi s'apparenter à la chauve-souris, par des similitudes au niveau de son anatomie.

GASS Cyprien, Hippert Lara, BEZET Axel, BOUDJEMA Kenza.

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