Histoire de l'aérodynamisme et premier vol

1. Histoire de l’aérodynamisme

1. L’évolution des théories

1. De l’Antiquité au Moyen-Age

En 350 avant J.-C. Aristote, un philosophe grec, est le premier à étudier les propriètes de l'air. Il suppose que l’air a une masse et qu’il oppose une résistance au mouvement  des objets le traversant. Un siècle plus tard, Archimède formule une loi fondée sur le principe que les objets volants sont plus légers que l’air. Ainsi, il vérifie les suppositions d’Aristote et établit que l’air exerce de la pression sur tous les objets avec lesquels il est en contact. Archimède observa que la pression de l'air et l‘altitude sont directement proportionnelles. Ainsi, lorsque l’altitude augmente, la pression de l’air diminue. Les prochaines contributions n’apparaissent pas avant la fin du XVème siècle.

C’est Léonard de Vinci qui commence à formuler des idées et théories sur les machines volantes. Par les observations des oiseaux, il conclut que le battement de leurs ailes produit le mouvement vers l’avant. Ceci crée la portance qui est nécessaire pour le vol. Ces observations ont mené Leonard de Vinci à concevoirde nombreux ornithopteras. Une de ses maquette est visible sur le Schéma 1. Les ornithopteras supposent en copiant le mouvement des ailes exercé par les oiseaux. Parmi les dessins de Léonard de Vinci, on retrouve aussi le concept de l’hélicoptère et du parachute. Léonard de Vinci a remarqué un autre phénomène qui s'avérerait utile dans l'étude d'aérodynamisme. Il a observé que l'eau dans une rivière se déplaçait plus rapidement là où la rivière se rétrécissait. Ceci est connu comme la loi de continuité (Aire x  Vitesse = constante ou AV = k). La loi de continuité démontre la conservation de masse. Ce principe est fondamental dans l'aérodynamique moderne. Il a aussi observé la domaine de flux. De Vinci a aussi déclaré que les résultats aérodynamiques étaient les mêmes si un objet se déplace dans un fluide à une vitesse donnée ou si le fluide se répand à la même vitesse sur le même objet, cette fois immobile. Ceci est aujourd'hui connue sous le nom de « principe du tunnel aérodynamique ». Par exemple, les résultats sont les mêmes, aérodynamiquement parlant, si un coureur se déplace à 10 km/h en air calme ou si le vent souffle à 10 km/h devant une personne immobile. Il a aussi déterminé que la traînée sur un objet est directement proportionnelle à l’aire de l'objeT. Cependant, les carnets de recherche de De Vinci ne furent découverts que des siècles plus tard et ses idées sont restées ignorées jusqu'au XIXème siècle.

1. De la Renaissance au XIXème siècle

Les scientifiques du XVIIème siècle ont contribué à l’élaboration de plusieurs théories se rapportant à la traînée. Le mathématicien et inventeur italien Galilée s’est basé sur le travail d'Archimède et a découvert que la traînée exercée par un fluide sur un corps se déplaçant est directement proportionnelle à la densité du fluide (la densité est le rapport de la masse d'un objet par unité de volume). Un fluide très dense produit plus de traînée sur un objet le traversant qu'un fluide moins dense. La densité de l’air diminue avec l'altitude, devenant moins dense lorsqu’il est plus éloigné de la surface de la Terre et exerçant, en tant que tel, moins de pression. Ainsi, un objet traversant l’air très haut dans le ciel rencontrera moins de traînée que le même objet fendant l'air à une altitude inférieure. En 1673, le scientifique français Edme Mariotte a démontré le fait que LA traînée est proportionnelle au carré de la vitesse d'un objet. Le mathématicien hollandais Christiaan Huygens avait testé cette théorie depuis 1669 et avait publié ses résultats avec la même conclusion en 1690. En 1738, le scientifique hollandais Daniel Bernoulli a publié ses découvertes sur la relation entre la pression et la vitesse d'écoulement dans les liquides. D'autres scientifiques ont utilisé ses recherches comme fondation pour approfondir leurs travaux. Le scientifique français Jean Rond d'Alembert, un associé de Bernoulli, a présenté un modèle pour les flux dans les fluides et une équation pour le principe de la conservation de masse. Il présentera sous peu l'idée que la vitesse et l'accélération peuvent varier entre des points différents dans le flux d’un fluide.

Le mathématicien italien Joseph Lagrange et le mathématicien français Pierre-Simon Laplace ont étudié les découvertes d'Euler et ont essayé de résoudre ses équations. En 1788, Lagrange présente un nouveau modèle pour le flux d’un fluide ainsi que de nouvelles équations pour calculer la vitesse et la pression. En 1789, Laplace développe une équation qui aide à résoudre celles d'Euler. Cette dernière est toujours utilisée dans la physique et l'aérodynamique moderne.Il parvient à calculer avec succès la vitesse du son. En plus de ces avancements théoriques, des expériences dans l'aérodynamique produisent des résultats plus pratiques. En 1732, le pharmacien et chimiste français Henri Pitot invente le métro. Il conçoit aussi un dispositif qui permet le calcul de la vitesse en un point dans un fluide qui aide à comprendre le comportement des flux dans un fluide. L'ingénieur anglais Benjamin Robins réalise des expériences en 1746 utilisant un dispositif de bras de tourbillonnement et un pendule pour mesurer la traînée aux vitesses basses et hautes. En 1759, l'ingénieur anglais John Smeaton utilise lui aussi un dispositif de bras tourbillonnant afin de mesurer la traînée exercée sur une surface en déplaçant l'air. Il propose l'équation D = kSV2, où D est la traînée, S est la superficie, V est la vitesse aérienne et k une constante. Constante est connue sous le nom de coefficient de Smeaton et la valeur de celle-ci fut débattue pendant des années. Les premières tentatives de vol, y compris celles des frères Wright, utilisèrent ce coefficient. Le scientifique français Jean-Charles Borda a publié les résultats de ses propres expériences du bras de tourbillonnement en 1763. Borda a vérifié et a proposé des modifications aux théories aérodynamiques actuelles et a pu montrer l'effet que le mouvement d'un objet avait sur un autre objet voisin.

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