Le bec du martin-pêcheur pour éviter une détonation sonore
Les ingénieurs ont d’abord cherché à résoudre un problème de « bang » sonore causé à l’entrée des nombreux tunnels que traverse le Shinkansen, qui est du à la différence de pression, qui est plus élevée à l’intérieur qu’à l’extérieur. L’air déplacé par le train se retrouve à l’entrée du tunnel brutalement comprimé puis relâché, ce qui explique ce bruit. L’onde de choc entraînait une diminution de la vitesse du TGV et la désagréable sensation « d’oreilles bouchées » chez les passagers. Pour remédier à ce problème, Eiji Nakatsu, ingénieur-chef passionné d’ornithologie, a pensé au martin-pêcheur, qui est l’oiseau le plus efficace pour passer entre deux milieux de densités très différentes. Le martin-pêcheur possède une morphologie particulière, et un bec très aérodynamique qui lui permet de pénétrer dans l’eau avec un minimum d’éclaboussures, ce qui permet de ne pas alerter ses proies, et d’éviter des pertes de vitesse. C’est pourquoi le martin-pêcheur manque très rarement les poissons qu’il pêche.
Pour le Shinkansen, les ingénieurs ont reproduit, à l’avant du train, une forme quasiment identique à la tête et au bec du martin-pêcheur, afin que le TGV passe d’un milieu avec une pression faible à un milieu avec une pression plus élevée plus facilement. L’air s’écoule plus facilement le long des parois du train. Le « bang » sonore a disparu. De plus, les ingénieurs ont obtenu des résultats inattendus : Le Shinkansen a pu augmenter sa vitesse de 10% tout en diminuant sa consommation énergétique de 15%.
Les plumes du hibou pour diminuer les nuisances sonores
Les plumes du hibou permettent de diminuer le bruit des pantographes qui relient le train aux caténaires.
Ces derniers reproduisent la forme dentelée des plumes du hibou, qui lui permet de réduire les tourbillons d’air lorsqu’il vole, et donc de diminuer le bruit du vol battu. Ces petites dents sur le contour de ses plumes sont appelées « barbules » et sont situées sur les plumes du bord d’attaque de ses ailes, en forme de peigne, ce qui lui permet de fendre l'air sans bruit. Cette caractéristique associée au duvet présent sur ses pattes font de ce rapace nocturne un chasseur extrêmement silencieux et donc capable de capter le moindre bruit émis par une proie.
En s’inspirant de la nature, le Shinkansen a pu augmenter sa vitesse de 10% et diminuer sa consommation d’énergie de 15% tout en améliorant le confort des passagers. Ces deux inspirations sont issues d’une réflexion logique qui a décidé les chercheurs à trouver des solutions dans la nature. Ainsi, en cherchant à passer efficacement entre deux milieux de densités différentes, ils ont imité l’oiseau le plus efficace dans ce domaine. Pour diminuer le bruit de frottement des pantographes, ils se sont inspirés du hibou dont le vol est silencieux.
La nature a déjà trouvé des solutions efficaces à ces problèmes grâce à la sélection naturelle.
L’Homme peut puiser dans la nature pour résoudre ses problèmes.
Cependant, certaines méthodes présentes dans la nature ne sont pas réalisables sur les transports, ou l’Homme a lui-même trouvé une solution plus adaptée.
Un pantographe
Ça bosse du côté de la baleine
Les baleines à bosse évoluent avec une grande fluidité dans l'eau. Cette agilité est due à leurs nageoires pectorales, très hydrodynamiques.
La baleine à bosse est un cétacé, qui pèse généralement entre 20 et 25 tonnes, et dont la taille avoisine les 14 mètres. Malgré sa taille considérable, ce mammifère marin possède la capacité de se mouvoir avec facilité, et évolue dans l'eau avec une grande agilité. Sa fluidité de déplacement est due à ses nageoires pectorales. Ces dernières sont très hydrodynamiques. Elles présentent sur leur bord d'attaque des bosses, appelées tubercules, similaires à des crans. Ce bord d'attaque dentelé permet aux baleines de réaliser des virages très serrés, sans risque de décrochage, et de faciliter l'écoulement de l'eau. La présence de ces tubercules augmente la portance de 8%, réduit la traînée de la baleine de 30% et augmente l'angle d'attaque de ses nageoires de 40%.
Ce bord d'attaque dentelé n'a pas encore trouvé sa place dans le domaine des transports. Cependant, les nageoires pectorales de la baleine à bosse ont débouché sur des applications industrielles. En effet, des éoliennes, en cours d'expérimentation sont dotés de pales crantées, à l'instar des tubercules des nageoires pectorales. Ainsi, la société WhalePower a mis en place sur les pales de ses éoliennes ces protubérances, ce qui permet une diminution du bruit, et également un gain de production d’énergie de 20%.
Bien qu'il ne soit pas encore présent dans les transports, il inspire déjà les ingénieurs aéronautiques. Si ce bord d'attaque était présent sur les avions, il pourrait permettre également de diminuer le bruit engendré par les avions mais aussi diminuer la consommation de carburant ou bien encore d'augmenter la vitesse de l'appareil. De plus, on pense qu'il permettrait de supprimer les spoilers et les volets, qui modifient le flux d'air. Ces tubercules pourraient aussi être installées sur les hélices des bateaux à moteur ou des sous-marins.
Cétacé surprenant de voir tous les avantages que procurerait ces tubercules !
Bienvenue à bord
Vous êtes-vous déjà demandé comment fonctionnait une aile d'avion ?
Les ailes d’avions ou d’oiseau fonctionnent selon le même principe :
Le bord d'attaque sépare le flux d'air en deux. Il se produit une augmentation de la pression intrados (sous l’aile, on parle alors de surpression). Plus d’air est envoyé sous l’aile que sur l’aile. Il se produit donc une diminution de la pression extrados (sur l’aile), on parle alors de dépression.
L’air sous l’aile va « porter » l’oiseau ou l’avion, c’est la portance, comme le montrent les schémas ci-contre.
Des plumes d'oiseau aux winglets....
On remarque sur la vidéo ci-contre, et le second schéma, que le filet d'air colle à l'aile.
Lorsque le filet d'air ne colle plus, c'est le décrochage.
Les ingénieurs ont donc choisi de placer des winglets, qui sont ailettes quasi-verticales en extrémité des voilures. Cela augmente la portance et permet d’avoir une voilure un peu plus réduite. Les sharklets sont des grandes ailettes inspirées des requins et améliorent la stabilité, tout comme les winglets.
L’A380 est équipé de winglets tandis que l’A320 est équipé de sharklets. Airbus estime que l’ajout de winglets diminue de 5% la consommation de carburant. La différence entre winglets et sharklets se fait essentiellement au niveau de la taille de l'ailette, mais les deux apportent les même avantages.
Les plumes d'oiseau et les « winglets » au bout des ailes assurent une meilleure stabilité, tout en réduisant les perturbations de l’air. Ils permettent donc une baisse de la consommation de carburant et donc une baisse des émissions de gaz polluants.
La surpression entraîne un flux d’air qui repart sur le dessus de l’aile, et qui diminue la portance, comme le montrenet les vidéos sur la gauche. Pour éviter à l’air de repasser sur le dessus de l’aile, les ingénieurs aéronautiques se sont inspirés de l’aigle des steppes.
L’aigle des steppes a la capacité de relever les ailes extrêmes des rémiges primaires. Ceci améliore l’efficacité du vol.
Richard T.Withcomb a trouvé la même solution en regardant les cigognes.
Le premier avion à bénéficier de winglets est un avion de l'US Air Force et de la Nasa, un Boeing 707 d'essai.
Voyons désormais cela à l'aide de la maquette n°1
Vous pouvez utiliser la fiche d'explication fournie avec la maquette.
Cette maquette est une schématisation des phénomènes de surpression et de dépression au niveau de l'aile. Sur ces élastiques se trouvent des petits disques bleus. Ces disques bleus représentent le flux d’air, mais pas les molécules
Cette maquette permet de comprendre le fonctionnement d’une aile d’avion. Le bord d’attaque, c’est-à-dire l’avant de l’aile, modifie le flux d’air qui vient de face. Il est partagé en deux flux par le bord d’attaque. Il se crée ainsi une dépression sur l’aile qui est nommée extrados, et une surpression sous l’aile qui est nommée intrados. La surpression va exercer une force qui va « pousser » l’aile vers le haut et ainsi faire décoller l’avion.
Cette maquette ne vous a pas été fournie.
Nous vous en montrant cependant le fonctionnement et l'explication.
Aigle des steppes
Cliquez sur l'image pour l'agrandir.
Le mouvement des rangées d’élastiques supérieures et inférieures représente le mouvement du flux d’air. Les rangées d’élastiques sur le dessus de l’aile vont s’écarter, afin de montrer la dépression qui se crée sur l’extrados. Les rangées d’élastiques en-dessous de l’aile vont se resserrer, ce qui montre la surpression sur l’intrados.
Vous pouvez prendre votre envol. C'est désormais le moment idéal de prendre la première maquette mise à votre disposition, et de suivre la fiche explicative, ou pas.
Nous avons vu et compris comment fonctionne une aile d'avion. Maintenant, mettons tout cela en application !
Schémas expliquant la portance
Winglets ou pas winglets ? En trois vidéos...
Le bord d'attaque d'une plume de hibou
Tout vient à train
qui sait attendre
Le Shinkansen est le seul TGV japonais qui s’inspire de la nature. C’est après plusieurs générations de train que le Shinkansen 500 et N700 ont su remédier à certains problèmes, en cherchant les solutions dans la nature.
Envolons-nous...
Profil
Il est vrai que le terme "forme" pourrait s'appliquer à beaucoup de sujets que nous allons traiter mais nous avons trouvé judicieux de réaliser une partie dédiée à la forme où nous traiterons uniquement de l'apparence interne (voir sous-partie structures) et externe au niveau de l'aérodynamisme (sous-partie actuelle). Le profil est une partie importante dans la réponse à apporter à notre problématique, car l'observation de la nature commence par l'observation de ses formes, et la reproduction de ces dernières sur des véhicules ou d'autres objets.
L'étude de la forme est une composante essentielle dans l'élaboration d'un nouveau véhicule.
Le terme "profil" désigne la forme globale ou le contour d'un objet. Un profil est également le schéma d'un objet, d'une structure, coupée dans sa profondeur. Cette seconde définition nous sera aussi utile pour cette sous-partie.
Dans les moyens de transport, le profil désigne la forme d'un objet. En étudiant la forme, nous cherchons à rendre le véhicule plus performant en travaillant son l'aérodynamisme (ou son hydrodynamisme).
Dans le secteur des transports, forme et aérodynamisme sont liés à jamais...
Ici, nous nous intéresserons à plusieurs éléments de l'avion. Mais nous garderons ensuite les pieds sur terre en étudiant la voiture et le train. N'oublions pas nos chers amis les animaux tels que l'oiseau, la baleine ou encore le martin-pêcheur !
Les avions modernes ne sont pas entièrement inspirés des oiseaux.
On ne cherche plus à imiter parfaitement les oiseaux, mais ils nous fournissent encore de précieux conseils pour améliorer le vol.
L'avion est un moyen de transport qui résulte en partie de l'imitation des oiseaux, de l'observation de leur vol et de l'étude des lois ou principes physiques telles que la gravité ou l'aérodynamisme.
En voiture !
La voiture, de premier abord, ne semble pas être inspirée de la nature.
Il existe cependant des exceptions.
Certains constructeurs ont eu l'idée de s'inspirer de la nature. C'est le cas de Mercedes, qui fait partie de ces rares exceptions. La firme a conçu la Bionic Car, qui est une voiture inspirée du poisson-coffre (de nom latin Ostracion cubicus).
C'est un poisson tropical présent dans les récifs coralliens des océans indiens et pacifiques.
Il est difficile d'imaginer moins hydrodynamique qu'un cube. Malgré sa forme cubique, ce poisson avance et tourne vite, car elle réduit les turbulences quand il se déplace. Le poisson-cube peut réaliser des virages à 180° et des demi-tours rapidement, même sur place. L'une des raisons de son incroyable agilité réside dans le fait qu'il possède un exosquelette très rigide. Les ingénieurs de chez Mercedes s'en sont inspirés pour dessiner la carrosserie. Cette former cubique laisse plus de place dans l'habitacle, et contrairement aux apparences, rend la voiture très aérodynamique. L'imitation du poisson-cube s'avère donc être la meilleure solution, conciliant habitabilité et aérodynamisme.
La Bionic Car, de Mercedes
Certains de nos véhicules ne sont pas inspirés de la nature.
Ils ont évolué au cours du temps, comme la voiture, dont l'ancêtre était la voiture à cheval d'autrefois.
De nos jours, certains constructeurs automobiles cherchent des idées dans la nature pour améliorer l’esthétisme, l’aérodynamisme ou les performances de leur véhicule. C'est le cas du constructeur Mercedes. Les résultats sont alors très convaincants.
La nature a encore beaucoup de choses à nous apprendre.
Certaines découvertes plus récentes n'ont pas encore été appliquées mais semblent prometteuses, car on s'aperçoit qu'elles fournissent des avantages considérables.
La nature a su trouver des solutions efficaces à des problèmes, et cela durant plusieurs millions d'années d'évolution continue.
Lorsque l'Homme rencontre une difficulté, il lui arrive de regarder si la nature n'a pas déjà fait face à ce problème. Il peut alors tenter de reproduire le modèle créé par la nature, et lorsque cela est faisable, les résultats sont très souvent concluants.
Soufflez un bon coup !
L’aérodynamique est la science qui étudie l’écoulement de l’air autour d’un corps. Elle permet de rendre des objets plus performants, moins résistants à l’air et moins énergivores.
Les études effectuées par les hommes, sur l'aérodynamique en soufflerie (tunnels aérodynamiques) permettent de calculer la résistance de l'air, c'est-à-dire la trainée, et de la diminuer.
Lors de tests en soufflerie, on cherche à perfectionner le profilage des ailes, les courbures des surfaces.
Il a été trouvé que la forme aérodynamique idéale est la forme ovoïde, ou pisciforme, qui diminue le plus la trainée. Le terme ovoïde réfère à la forme d'un œuf, tandis que la forme pisciforme renvoie au profil des poissons. Ces deux formes sont globalement identiques.
Certains moyens de transports réutilisent cette forme pisciforme, ou ovoïde, tels que les avions, qui se doivent d'être le plus aérodynamique possible afin d'économiser du carburant. Cependant, tous les véhicules n'ont pas repris cette forme.
Les voitures ne sont pas pisciformes, car cette forme ne peut être adoptée sur des véhicules terrestres pour des raisons techniques.
Imaginez, si toutes les voitures étaient pisciformes, les conducteurs impolis n'hésiteraient plus à faire des queues de poisson !
Une pale d'éolienne crantée de chez Whalepower
Encore plus haut !
De scientifiques tentent de mettre au point des surfaces qui se déformeraient. Ceci permettrait de mieux s'adapter aux différentes conditions extérieures de vol tout comme les oiseaux et les mammifères marins modifient la forme de leurs ailes ou de leurs nageoires durant les différentes étapes de leur trajet.
C'est le morphing.
Certains moyens de transports ne s'inspirent pas de la nature, et leur profil découle de recherches.
Cependant, l'Homme peut aboutir, par le biais de ces recherches, à la même solution que celle proposée par la nature sans s'en être inspiré directement.
Que les 4 forces
soient avec
l'oiseau et l'avion
Un avion est soumis aux quatre mêmes forces s'exerçant sur un oiseau.
Ces quatre forces ont été mises en évidence par George Cayley :
-
Le poids est l’effet de la force d’attraction gravitationnelle, il attire l’avion vers le sol.
-
La traction résulte de la propulsion réalisée grâce au moteur (hélice, turboréacteur, etc) et pousse l’avion vers l’avant.
-
La traînée est la force opposée à la poussée, exercée par l’air.
-
La portance est la force opposée au poids. Cette dernière a son importance puisqu'elle permet à l'aéronef de se maintenir dans les airs.
L'aigle des steppes,
à portée d'ailes !
L'avion est en grande partie inspiré de l'oiseau. Cependant, à notre époque, l'homme ne cherche plus à faire de parfaites répliques, mais s'inspire de la nature que sur certains éléments.
L’Homme s’est inspiré de la forme des animaux pour rendre les ailes plus aérodynamiques. C’est le cas chez Airbus où l’on étudie les formes de l’avion dans son ensemble. Ils se sont notamment inspirés de l'aigle des steppes.
Voyons cela plus en détails...
Les voitures sont elles aussi soumises aux 4 forces des avions. Les pilotes, toujours à la recherche de meilleures performances, doivent trouver des solutions pour diminuer le poids, la traînée et la portance et augmenter la poussée.
Les voitures de course possèdent une carrosserie aux lignes continues et courbes, ce qui leur confère une bonne performance aérodynamique. De plus, les voitures de Formule 1 utilisent des éléments améliorant l’aérodynamisme et l’appui au sol comme les ailerons avant et arrières, ou les déflecteurs. Ces éléments ne sont inspirés d’aucun animal terrestre connu, même si les requins ont des ailerons les stabilisant et leur permettant de manœuvrer. La fonction de ces ailerons chez les requins est différente car ils se trouvent dans un milieu marin. Sur la voiture, les ailerons permettent de contrôler le flux d’air. Cela permet aux pilotes de conserver plus facilement une vitesse élevée tout en diminuant les dépenses de carburant.
