L’ornithoptère est un aéronef volant grâce à des battements d’ailes mécaniques. L’engin se compose de deux ailes articulées et d’une structure avec des roues, et un siège pour s’asseoir. De Vinci a dessiné des croquis d’une telle machine en étudiant le vol des oiseaux. Ce fut le premier exemple concret d’un ornithoptère. Il était sûr que pour voler, il fallait s’inspirer des oiseaux.
"L’oiseau est un instrument qui fonctionne selon les lois mathématiques et l’homme n’a qu’à mettre au point une machine susceptible de reproduire chacun de ses mouvements" a écrit De Vinci.
De Vinci a étudié le mouvement des ailes d'oiseaux pour s'en inspirer. Il a reproduit dans l'ornithoptère. C'est une machine qui vole en battant des ailes. Il a reproduit le mouvement des ailes d'oiseaux. La machine est actionnée par la force musculaire humaine. Cependant, la machine n'as jamais volé, la force musculaire humaine étant insuffisante pour ce genre de machine.
Les oiseaux possèdent des plumes caudales, situées sur la queue. Ce sont les plumes rectrices, du latin rectrix : « qui dirige ». On en déduit donc que les plumes caudales sont essentielles à l’oiseau pour se diriger et faire ses manœuvres, en vol. Ces plumes sont organisées en une seule rangée sur la queue. Leur nombre varie en fonction des espèces. Ces plumes jouent le rôle d’aérofrein pour l’atterrissage, durant lequel elles s’écartent latéralement les unes des autres.
L’empennage des avions, en position similaire à celui des oiseaux, n’est pas composé de la même manière, et n’en est pas inspiré. Il permet certes de manœuvrer en vol, mais sert aussi à stabiliser l’appareil. Il est composé d’ailes appelées dérives. Sur les avions de ligne, elles sont généralement disposées en T. C'est-à-dire, deux ailes verticales de part et d’autre d’une dérive verticale. Contrairement aux oiseaux, cet empennage est rigide, les ailes ne bougent pas les unes par rapport aux autres, même si elles sont dotées de gouvernes, qui permettent de manœuvrer.
Cependant, il existe une ou deux exceptions, tel que Ignaz Etrich, qui, avec son fils Igo Etrich, ont construit la toute première aile volante en copiant les propriétés d’une graine de courge (qui vole et se sème au gré du vent). Leur planeur possède aussi une queue inspirée de la queue de pigeon. Elle sert, comme pour un pigeon, à stabiliser l’appareil.
L'EMPENNAGE DE L'AVION
L'empennage est un élément essentiel de l'avion pour modifier la trajectoire. Même si les oiseaux utilisent un principe similaire, leur organisation diffère.
Toujours le premier qui se cache à l'eau !
Le cachalot est un mammifère pouvant peser jusqu'à 41 tonnes, 14 tonnes pour la femelle. Chassant le poulpe ou encore le calamar géant, le cachalot peut plonger juqu'à près d'un kilomètre de profondeur !
La roue n’existe pas dans la nature. Elle est considérée comme une machine simple, c’est-à-dire un dispositif mécanique élémentaire (tel que le levier, la poulie, la vis,…). Elle tourne autour d’un axe, qui passe par son centre.
Il n'existe aucun équivalent connu dans la nature. Pourtant, l'Homme a pu concevoir entièrement ce moyen de transport, sans s'inspirer de la nature.
Il existe trois types de dirigeables :
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Les dirigeables souples sont les plus anciens. La permanence de la forme est assurée par la pression interne de l’enveloppe. Certains dirigeables souples font jusqu'à 42 000 mètres cubes. Cependant, les aérostats de plus grande capacité sont des rigides ou semi-rigides
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Les dirigeables semi-rigides sont consitués d'un ballon souple dont la base s’appuie sur une quille rigide, ce qui permet de mieux répartir les charges. Ce sont des dirigeables de dimensions moyennes (20 000 à 30 000 mètres cubes).
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Les dirigeables rigides ont été développés en Allemagne, par le comte Zeppelin. Leur forme générale est assurée par une armature formée de larges anneaux en alliage léger. Ces anneaux métalliques sont reliés entre eux par des poutres longitudinales. Toute la structure est recouverte d’une enveloppe, au sein de laquelle se trouve 15 à 19 ballons à gaz. De plus, cette structure permet l'emploi de moteurs. Les dirigeables rigides sont de grandes dimensions, mais plus lourds, tout en atteignant des vitesses plus élevées. Ils peuvent faire jusqu'à 200 000 mètres cubes.
Dirigeons-nous vers les dirigeables
Il existe différents types de dirigeables, et pourtant il n'y a aucun équivalent connu dans la nature
La formation en V des avions de chasse vient de la même formation utilisée par les oiseaux.
Les oiseaux volent parfois ensemble pour permettre une économie d'énergie et aller plus loin. Ils volent en V. Les ailes du premier oiseau créent des turbulences et les oiseaux derrière en bénéficient comme poussée d'air supplémentaire. Cela améliore la portance et réduit l'effort.
Les ailes d'un aéronef ont le même effet que l'on appelle tourbillon de fuite. Les hommes ont donc adopté la même formation en escadrille.
Cela permet une réduction de la consommation de carburant de 15%, mais il peut y avoir des problèmes de sécurité (cela serait incompatible avec des long-courriers), même si cela est en cours de réflexion.
Léonard de Vinci:
précurseur des transports modernes
Léonard de VInci fut un précurseur des moyens de transports d'aujourd'hui. Au XVème siècle, il avait déjà prévu un aéronef capable de voler grâce à des battements d'ailes mécaniques.
L’étandard d’Ur, du temple d’Inamma
D’après les vestiges archéologiques, où l’on a retrouvé des roues en terre cuite et des représentations de roue (en Mésopotamie), son apparition devrait dater de la fin du Néolithique, soit 3500 avant JC.
Avant la roue, les Égyptiens utilisaient des troncs d’arbre.
Une roue est composée de trois parties : un moyeu, au centre, qui relie la roue au châssis, la jante, le contour de la roue, qui est en contact avec le sol, et qui combine glissement et roulement, ce qui diminue le frottement, et enfin la structure, composée de rayons, afin de relier le moyeu à la jante et de rendre la roue plus solide. De nos jours, la roue est omniprésente : elle représente un des fondements du transport, car elle permet de transporter de lourdes charges en réduisant les forces de frottement. La roue permet de réduire la force de friction entre deux surfaces. Lors du déplacement, chaque pont de la couronne touche le sol, puis le quitte. La roue ne glisse, elle s’appuie juste sur le sol, et limite ainsi les forces de friction.
On ne sait pas précisément comment la roue a été découverte, mais on peut supposer que l’Homme a observé la nature, où le cercle est une forme omniprésente (les ondes sur l’eau, le cœur des fleurs, certains fruits ou légumes).
La roue est désormais l'un des éléments essentiels de tous nos yens de transport et notamment celui de la bicyclette.
Le vélo est l'un des moyens de transport le moins gourmand en énergie. Avec l'évolution de la bicyclette, la roue a encore évolué. Jusqu'en 1887, les roues étaient recouvertes de caoutchouc plein.
En tant que tel, le vélo n'a pas été inspiré de la nature mais il utilise la roue, qui aurait pu être inspirée par la nature.
Mouvement
Certains véhicules n’ont pas de forme commune avec des animaux, ils ne s’inspirent pas de la nature. Beaucoup de véhicules terrestres possèdent des roues, inventées par l’Homme, donc non inspirées de la nature.
La roue limite la résistance et les frottements car elle est régulière, et conçue de manière à ce qu’elle roule sur le sol et entraîne le véhicule.
Le terme "Mouvement" renvoie au déplacement d'un corps par rapport à des repère considérés comme fixes. D'une manière générale, il s'agit d'un changement de position. La propulsion n'as pas exactement le même sens que le mot mouvement. La propulsion est sans doute plus précise, et désigne surtout un déplacement dû à une force de poussée. Les exemples de cette partie renvoient au mouvement d'une manière générale. Nous étudierons donc le déplacement d'animaux ou de véhicules, même s'ils sont parfois mus par la force de poussée.
Nous étudierons en premier lieu la roue, puis les moyens employés par les aéronefs pour modifier leur trajectoire. Enfin, nous nous immergerons au cœur des cachalots et des poissons pour percer le secret de leur flottabilité....
Les éléments mécaniques aussi simples que la roue sont rarement inspirés de la nature. Ils sont plutôt issu de constatations (la roue dévale une pente plus vite qu'un cube par exemple).
Cependant, on peut faire des suppositions : l'Homme a une fois de plus observé la nature, et sans forcément l'imiter, en a repris de vagues idées.
Il arrive que l'Homme ajoute des éléments semblables à la nature, sans l'avoir copiée. Il structure différemment ces éléments selon ses besoins. Entre les animaux et les véhicules créés par l'Homme, deux éléments peuvent avoir une fonction proche, même s'ils ne se ressemblent pas et n'ont pas été inspirés par la nature. Cela est dû, entre autres, à la résolution de problèmes communs à la nature et à l'Homme.
L'Homme a aussi recopié certaines caractéristiques de la nature à l’identique, et cela pour des raisons pratiques : économie de carburant, performances accrues...
Certains pensaient que pour voler, d'une manière logique, il fallait faire comme les oiseaux. C'est le cas de Léonard de Vinci, qui tenta d'inventer une machine capable de battre des ailes.
L'homme peut parfois créer entièrement un moyen de transport, sans s'inspirer de la nature. De plus, il peut ne pas y avoir d'équivalent dans la nature.
Train d’atterrissage et pattes d’oiseau
Le train d’atterrissage de l’avion est nécessaire pour le décollage et l’atterrissage de l’avion.
Les pattes servent à l’oiseau à amortir son choc lors de l’atterrissage avec le sol en pliant les pattes, comme un ressort grâce aux muscles et aux articulations des os. De plus, les pattes peuvent être une aide au décollage en fournissant une impulsion et en se tendant, leur permettant de s’élancer grâce aux muscles puissants de leurs membres postérieurs.
Tandis que sur un avion, le train d‘atterrissage n’est pas composé de la même manière, il sert à amortir les chocs et effectuer les déplacements au sol. Mais ils sont munis de suspensions fonctionnant différemment (huile de frein, piston). Il ne permet pas de donner une impulsion lors du décollage.
Donc ici, l'Homme a créé un élément similaire à la patte de l'oiseau, mais en fin de compte, le train d'atterrissage n'a pas exactement la même utilité ou fonction.
Parfois des éléments peuvent être comparables mais ne sont pas du tout inspirés de la nature et n'ont pas la même utilité ou fonction.
Le spermaceti, également appelé blanc de baleine, est une substance blanche contenue dans la tête de certains cétacés (grand mammifère marin pisciforme). Le cachalot n'a pas de nageoire dorsale, de par son organe du spermaceti très développé.
Le liquide a une apparence huileuse et est sans odeur. Il contient des cires (propriété similaire à la cire d'abeille), lipides....
Au dessus de 30°C, le spermaceti est liquide, et se cristallise petit à petit en s'approchant de 0°C.
Le cachalot a la possibilité de modifier l'afflux sanguin dans le spermaceti. Il modifie alors sa température, et donc sa densité.
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Le cachalot inhale de l'eau froide par l'évent. L'évent est l'orifice respiratoire situé sur la tête du cétacé, assimilble à des narines. En inhlanlant de l'eau froide,et avec un débit sanguin réduit, le chacholt fait baisser le température du spermaceti, ce qui augmente donc sa densité et permet au cachalot de plonger plus aisément.
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Pour remonter, le cachalot a juste à réchauffer le spermaceti par un afflux sanguin.
La pression monte chez les poissons
Les ballasts sont de grands réservoirs, généralement placés à l’extérieur de la coque épaisse des sous-marins. Ils possèdent une ouverture sur le dessus, équipée d’une trappe (la purge) commandable à distance pour l’ouvrir ou la fermer. Au fond du réservoir se trouve une autre ouverture qui reste toujours ouverte.
Lorsque le sous-marin est à la surface, ses ballasts sont remplis d’air. Lorsqu’il plonge, il ouvre les purges, les ballasts se remplissant ainsi entièrement d’eau. Les purges fermées, le sous-marin remplit des caisses de réglage sous pression d’eau ou d’air comprimé pour équilibrer son poids avec la poussée d’Archimède, et ainsi se stabiliser à la profondeur voulue.
Les ballasts des sous-marins et la vessie natatoire des poissons
Pour refaire surface, les ballasts sont partiellement vidés de leur eau en injectant de l’air comprimé à l’intérieur. Si le sous-marin devait remonter rapidement, il chasserait toute l’eau présente dans les ballasts. En cas d’urgence, il est équipé de dispositifs permettant de vider presque instantanément ses ballasts.
Les ballasts des sous-marins et la vessie natatoire des poissons jouent le même rôle : les faire changer de profondeur. Mais les ballasts fonctionnent avec une différence de densité due au changement liquide-gaz, c’est-à-dire eau-air comprimé. La vessie natatoire fonctionne avec une différence de pression due au changement de densité.
Pour explorer les profondeurs marines, l’Homme a du concevoir un mode de transport capable de se déplacer en profondeur. Il utilise le même principe que les poissons. Ils ont un organe capable de faire varier la pression de leur corps et ainsi de les faire changer de profondeur.
La plupart des animaux marins possèdent un organe bien particulier appelé vessie natatoire. Cet organe, qui ressemble à un sac fin rempli de gaz, a la capacité de modifier sa pression en se comprimant. La densité du poisson va donc augmenter, ce qui a pour effet de la faire descendre.
Sur cette fresque, nous pouvons voir des roues, ce qui laisse penser que ce sont les Mésopotamien, en particulier les Sumériens, qui sont à l’origine de la roue. Les Sumériens utilisaient, à l’origine, des rondins de bois pour transporter des charges lourdes (telles les pierres). Ils faisaient rouler ces lourdes charges sur les rondins. Les Sumériens, en partant de cela, ont pris un simple disque en bois et y ont fait un trou afin d’y place un axe. C’était alors n simple disque en bois monté sur essieu rond. Ainsi, c’était une simple roue pleine, elle a été allégée dans les siècles qui ont suivi. Elle s’est évidée, et l’utilisation des rayons pour les roues a commencé. Les rayons sont apparus vers 2000 av JC. Les historiens ont émis l’hypothèse que l’invention de la roues est faite à partir de l’observation de bousiers, qui roulent une sphère de bouse , qui peut servir de nourriture, de matériau de construction ou encore pour pondre les œufs, afin que les larves s’en nourrissent.
Une vessie natatoire peut être assimilée à un sac rempli de gaz dont les parois sont peu épaisses. Elle permet au poisson de se déplacer en profondeur. Lorsque le poisson descend, la pression augmente, ce qui diminue la taille de sa vessie. Sa densité augmente, donc sa flottabilité diminue : il descend. Lorsque la pression est moins forte, sa vessie augmente de volume. Par conséquent, sa densité est plus faible et sa flottabilité plus élevée : il monte.
Chez certains poissons, la quantité d’air dans la vessie est contrôlée en absorbant l’air contenu dans le sang. Chez d’autres poissons, la vessie natatoire est en contact avec la gorge. La quantité d’air varie lorsque le poisson laisse passer de l’air par sa bouche (air entrant/air sortant).
Chez la seiche, l’os qui la constitue est composé de cavités pleines d’air qui assurent sa flottaison. Les requins n’ont pas de vessie natatoire :s'ils arrêtent de nager, ils coulent. Leurs nageoires sont similaires à de petites ailes qui leur permettent de contrôler leur profondeur. Cependant, certains requins vivant dans des eaux profondes possèdent dans leur foie une substance appelée squalène, qui leur permet de flotter.