Éducation à la technologie Les technologies du transport (secondaire) Conception et construction d un planeur ( Cahier de l élève ) Version provisoire Ministère de l Éducation du Nouveau-Brunswick en collaboration avec Faculté d ingénierie de l Université de Moncton décembre 2004
A - Amorce du module d apprentissage Dans ce module, tu vas découvrir différentes technologies associées au transport aérien. Tu vas également étudier et expérimenter différents principes du vol, en construisant un planeur pour résoudre un problème de contrôle de la population d orignaux qui est à l origine de nombreux accidents mortels sur les routes du Nouveau-Brunswick. Le but sera d améliorer le système de recension d orignaux afin d émettre un nombre adéquat de permis de chasse et d avoir un meilleur contrôle de la population de ceux-ci. Tout ceci, sans mettre la population d orignaux en danger. Grâce à ce projet, tu pourras développer tes connaissances et tes habiletés associées aux technologies de construction d un planeur. À la fin de ce module, tu seras en mesure de comprendre la fonction et le fonctionnement d un planeur ainsi que les différents principes du vol tels que le décollage, la montée, le vol horizontal, le contrôle et la descente. De plus, tu pourras analyser le vol du planeur que vous aurez construit en équipe afin d apporter des améliorations pour augmenter la portance, obtenir un vol plus uniforme, équilibrer le planeur, etc. B - Introduction Depuis toujours, les humains ont observé les oiseaux avec admiration, en rêvant posséder un jour leur extraordinaire habileté de voler. Il a fallu attendre la fin du XV e siècle, grâce aux travaux de Léonard de Vinci*, pour que les humains puissent réaliser leur rêve de voler comme les oiseaux. Ce savant énonça les principes fondamentaux du vol à partir d une étude méthodique du déplacement aérien des oiseaux et des insectes. Au cours de l histoire, en 1782, inspiré par le principe d Archimède, et après avoir constaté que l air diminue de densité lorsqu on le chauffe, les frères Montgolfier construisirent un ballon en tissu de forme sphérique et dans lequel l air chaud se renouvelait continuellement grâce à un feu entretenu dans la nacelle. Le premier équipage de l histoire du vol était constitué d un mouton, d un canard et d un coq. Le premier vol humain en ballon fut effectué en 1783 par Pilâtre de Rozier et le marquis d Arlandes. Malgré les succès remportés par les montgolfières et les dirigeables (ballon muni d un moteur et de gouvernails), des chercheurs ont continué avec obstination à fabriquer des machines munies d ailes battantes. Toutes ces tentatives de vol ne pouvaient qu échouer : l homme n a pas, comme l oiseau, la force musculaire capable d actionner des ailes pour se maintenir dans les airs. Le secret de la réussite réside simplement dans la forme de l aile et non pas dans le mouvement de celle-ci. Le premier planeur à transporter un humain (un garçon) a été créé en 1849 par sir George Cayley. À la fin du XIX e siècle l allemand Otto Lilienthal, qui expérimentait des planeurs, démontra qu une aile judicieusement profilée peut porter un homme dans les airs. À la même époque, suite à l invention du moteur à explosion, on combina moteur et planeur d où naquit l avion. En 1890, Clément Ader fut le premier à décoller de terre à bord d une machine nommée Éole. Par la suite, il fut le premier à attribuer le nom «avion» à cette machine volante. Il a été suivi, plus tard, par la tentative couronnée de succès des frères Wright, en 1903, à bord du Flyer. L aviation a connu un développement rapide pendant la Première Guerre mondiale et encore plus rapide durant la Seconde Guerre mondiale. On a ainsi vu naître les avions de chasse, les bombardiers et les avions de reconnaissance. La naissance des lignes d avions civiles coïncide avec la fin de la Première Guerre mondiale. F. Alcock et A. Brown réussirent à franchir l Atlantique Nord en 1919 de Terre-Neuve à Projet de construction d un planeur - version provisoire 1
l Irlande à bord de leur avion Vickers Vimy. En 1927, Charles Lindbergh réussit la première traversée de l Atlantique Nord en solitaire et réalisa un record de distance soit 5 810 km, New York Paris, à bord du Spirit of St. Louis. En 1939, le capitaine allemand Erich Warsitz parvint à faire voler le Heinkel He-178 qui fut le premier avion à réaction à voler. Le mur du son (vitesse de 1 223 km/h au niveau de la mer, Mach 1) fut franchi pour la première fois en 1947 par Chuck Yeager. Depuis, suite à l invention de l hydravion jusqu aux avions subsoniques et supersoniques, l avion de ligne est devenu un moyen de transport rapide, sûr et flexible. Tout avion se compose d une cellule (fuselage, train d atterrissage), d ailes et d un moyen de propulsion. Chacun de ces éléments a subi, durant la courte histoire de l aviation, de très profondes et importantes mutations. Le fuselage est passé d une structure rudimentaire (tubes de bambou) à une structure plus complexe (métal). Les ailes aussi ont dû s adapter aux exigences du vol supersonique à très haute altitude ou, au contraire, aux basses vitesses. Le système de propulsion à évolué du moteur à vapeur, au moteur à pistons, au turbopropulseur et finalement au turboréacteur. Les développements les plus importants des appareils volants, en particulier le développement des planeurs et des avions les plus célèbres, sont présentés ci-dessous. Projet de construction d un planeur - version provisoire 2
XV e siècle 1782 1849 fin du XIX e siècle Dessins, Léonard de Vinci Ballon, fréres Mongolfier Planeur, George Cayley Planeur, Otto Lilienthal 1890 1903 1927 Avion, Clément Ader Avion, Frères Wright Traversée de l Atlantique Charles Lindbergh 1939 1947 Avion à réaction, Erich Warsitz Dépassement de la vitesse du son, Chuck Yeager Projet de construction d un planeur - version provisoire 3
Contexte technologique C - Problème à résoudre Le ministère des Ressources naturelles désire améliorer leur système de contrôle de la population d orignaux qui est à l origine de nombreux accidents mortels sur les routes du Nouveau-Brunswick. C est pourquoi, le ministère des Ressources naturelles désire recenser, avec le plus d exactitude possible, la population d orignaux afin d émettre un nombre adéquat de permis de chasse. Tout ceci, sans mettre la population d orignaux en danger. De plus, il désire prendre des photos d orignaux pour sensibiliser les gens au problème de braconnage rencontré dans cette région par l entremise de publicité dans les journaux locaux. Par contre, le budget ne permet pas de faire une étude longue et complète. On demande à votre entreprise de répondre au besoin du ministère. Problème Quelle méthode serait la plus efficace et la plus économique afin de faire un compte plus précis de la population d orignaux ainsi que prendre des photos? Solution technologique Pour faire le compte de la population d orignaux, votre entreprise propose la construction d un planeur. Un appareil de ce type est silencieux et n effraie pas les orignaux, il est facilement manœuvrable, économique et pourra répondre adéquatement au besoin. Pour minimiser le nombre de vols, il est important que le planeur puisse voler le plus longtemps et le plus loin possible tout en utilisant le minimum de matériaux afin de respecter le budget de financement du projet. Selon les contraintes et les exigences imposées du projet, tu dois construire un planeur qui sera lancé à l aide d une rampe de lancement (fournie par l enseignant(e)) à l intérieur du gymnase de l école. Le planeur devra voler le plus loin possible. La distance minimale à parcourir est de 10 mètres. Les dimensions du planeur ne peuvent pas dépasser 1 m de largeur et 1 m de longueur. Contraintes du projet Pour construire le planeur, tu n as droit qu à : - 100 bâtonnets de bois - 10 feuilles de papier de construction - 100 pailles en plastique de 20 cm - des bâtonnets de colle transparente - 1 sac à ordures, 66 cm x 91 cm - 1 petit pistolet colleur - 4 m de ficelle - 1 ciseau à bois - 1 rouleau de ruban adhésif - 1 lime Il est permis de couper et/ou de modifier ces matériaux de construction. Il n est pas nécessaire d utiliser tous les matériaux. La rampe de lancement est fournie par l enseignant(e). Ressources et information - Matériaux énumérés ci-dessus - Fiches pour t aider tout au long du projet - Sites Internet - Livres - Vidéos - Cédérom Projet de construction d un planeur - version provisoire 4