L’histoire de la façon dont les humains ont appris à voler
La machine volante d’Otto Lilienthal (duncan1890, iStockphoto)
La machine volante d’Otto Lilienthal (duncan1890, iStockphoto)
Dans ce document d’informations, tu découvriras comment les pionniers de l’aviation ont réussi à voler dans le ciel.
Désirs de s’envoler dans les civilisations anciennes
Ils étaient peut-être inspirés par la vue des oiseaux s’envolant dans le ciel. Ils avaient peut-être d’autres sources d’inspiration. Mais il est vrai que les humains ont longtemps eu le désir de voler comme les oiseaux. Nous le savons grâce à l’ancienne mythologie grecque, comme l’histoire d’Icare. Selon la légende, Icare s’est approché trop près du Soleil et la cire qui fixait ses ailes a fondu. Il y a aussi l’histoire du vaillant Bellérophon, qui captura Pégase, le cheval volant. Les Grecs n’étaient pas les seuls à s’intéresser à la liberté du ciel. En fait, il y a des personnes, des animaux ou des objets volants dans les légendes et les mythologies répertoriées dans presque tous les coins du monde. Dans de nombreuses cultures, les histoires de vol rapprochaient les gens de leurs croyances. Ces histoires leur donnaient l’impression de réussir à faire quelque chose qui semblait impossible. Ils ne savaient pas qu’un jour les humains réaliseraient leur rêve de voler dans le ciel.
Afrique
Prenons l’exemple du conte sur les Africains volants, qui s’est transmis de génération en génération depuis l’esclavage. Portant la douce promesse d’une future liberté, ce conte aidait les esclaves à oublier leurs misères durant les périodes difficiles, quand ils rêvaient qu’ils retourneraient en Afrique un jour.
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Illustration en couleur de la couverture du livre The People Could Fly (Les gens pouvaient voler : Contes populaires afro-américains).
Dans l’image, sept Africains sont représentés en train de voler dans le ciel. Trois hommes et trois femmes de divers âges et un bébé. Leurs vêtements sont ordinaires et certains ont même l’air très usés. Un vieil homme regarde vers le lecteur, tandis que les autres regardent dans différentes directions.
Japon
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Aquarelle montrant un tengu et un moine bouddhiste. Le fond de l’image est gris. L’image est traversée de gauche à droite par une large bande ondulée de couleur orange qui passe entre le moine et le tengu, avant de remonter vers la droite. Le moine a la tête nue et porte une ample chemise blanche sur une longue jupe noire. Il essaie d’attraper le tengu. Le tengu ressemble à un vieil homme. Il a les cheveux blancs, une barbe blanche et une longue moustache blanche. Il porte un long manteau rouge foncé et un petit chapeau noir.
Des documents historiques provenant de divers pays rapportent que des hommes volaient dans le ciel, portés par des cerfs-volants. Une histoire raconte les exploits d’un Japonais nommé Ishikawa Goemon, qui était un hors-la-loi et un ninja, et qui a vécu de 1558 à 1594. Attaché à la queue d’un cerf-volant géant, ce héros a volé les écailles dorées ornant deux représentations de poissons sur le toit du château Nagoya. Ishikawa et ses complices avaient la réputation de voler aux riches pour donner aux pauvres.
Nouvelle-Zélande
Chine
Dans la Chine ancienne, les cerfs-volants, appelés muyuan, étaient utilisés pour des raisons civiles et militaires. Les cerfs-volants étaient à la fois des jouets et des engins pratiques pour mesurer, par exemple, les distances et le vent. On s’en servait aussi pour espionner les positions de l’ennemi et envoyer des messages urgents. Des cerfs-volants musicaux étaient équipés de tuyaux de bambou qui faisaient de la musique lorsque le vent soufflait dedans.
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Aquarelle (tableau fait à la peinture à l’eau) riche en couleurs faite en Chine il y a très longtemps, montrant une scène de plein air à une époque ancienne. Des hommes sont assis derrière leurs bureaux, sous des pergolas; trois jeunes enfants font voler un cerf-volant et deux dames se tiennent debout à la droite du tableau.
Voler comme un oiseau?
Les premiers humains ne comprenaient pas la physique. Les seuls moyens dont ils disposaient pour comprendre le fonctionnement des choses étaient l’observation et l’apprentissage par essais et erreurs. Certains humains croyaient qu’ils réussiraient à voler s’ils battaient des bras assez rapidement, comme les oiseaux battent des ailes. D’autres ont même attaché à leurs épaules des « ailes » de leur fabrication dans l’espoir de voler comme un oiseau. Ces premières tentatives se terminaient généralement plutôt mal…
L’une des raisons de tous ces échecs est la force de gravité. La Terre attire vers son centre tout ce qui se trouve à sa surface. Connais-tu la loi de la gravité : « tout ce qui monte finit toujours par retomber sur la Terre »? Pour voler, l’humain devait trouver le moyen de vaincre la force de gravité exercée par la Terre sur sa masse corporelle. Autrement dit, il fallait trouver le moyen de créer une portance, c’est-à-dire un dispositif capable de nous maintenir dans les airs.
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L’illustration ci-dessus montre l’envergure que devraient avoir les ailes d’un homme pour lui permettre de voler. À l’arrière-plan, nous voyons la silhouette d’un aigle aux ailes déployées. Au premier plan, un homme est debout, les bras allongés en croix. L’envergure des ailes de l’oiseau est environ trois fois plus grande que l’envergure des bras de l’homme.
Le savais-tu?
Le Faucon pèlerin est l’animal le plus rapide dans le ciel. Il peut plonger du haut du ciel à des vitesses supérieures à 83,3 m/s (300 km/h). Le coureur de vitesse Usain Bolt, qui détient le record mondial de vitesse chez les humains, n’a jamais dépassé 9,58 m/s (environ 34.48 km/h)!
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Ci-dessus : Photographie en couleur d’un grand héron en vol. Les bulles de texte au bas de l’image expliquent les caractéristiques des oiseaux qui leur permettent de générer de la portance et de réduire leur poids.
Le Grand Héron est un échassier de grande taille qui vit près des cours d’eau non salée. Il a des plumes gris-bleu, de longues pattes, un long cou et un gros bec pointu pour attraper des poissons.
Sur la photo, du côté de la tête de l’oiseau, une bulle de texte énumère les caractéristiques qui permettent aux oiseaux de générer une portance. Les oiseaux génèrent de la portance parce que leurs ailes et leurs plumes ont un profil aérodynamique et que leur poitrine est dotée de muscles très forts qui leur permettent de battre des ailes. Plusieurs caractéristiques physiques réduisent le poids des oiseaux : leurs os sont légers, ils ont un bec au lieu d’avoir des dents et des mâchoires, et leur appareil respiratoire est volumineux et rempli d’air.
Génération d’une portance
Une envergure proportionnelle à la taille de leur corps n’est pas la seule caractéristique physique qui permet aux oiseaux de voler. Les muscles qui sont reliés à leurs ailes sont très forts. Les pectoraux des humains ne sont pas assez forts pour soulever leur corps dans les airs. Ils n’ont pas non plus l’endurance nécessaire pour voler sur une certaine distance. Contrairement aux humains, les oiseaux ont des plumes. Lorsque les oiseaux battent des ailes, leurs plumes emprisonnent de l’air et repoussent cet air vers le bas. La portance ainsi créée pousse les oiseaux haut dans le ciel. Les humains peuvent sauter dans les airs en poussant avec leurs jambes, mais rester dans les airs est une tout autre histoire.
Réduction du poids
Les oiseaux ont des squelettes légers et des os creux. Ces deux caractéristiques réduisent leur masse corporelle. Les sacs aériens à l’intérieur de leur corps les rendent également plus légers que les autres animaux de taille comparable. Il est en effet plus facile de maintenir dans les airs un objet léger qu’un objet lourd.
Comprendre les quatre forces du vol
Pour réussir à voler, les humains devaient d’abord maîtriser les quatre forces du vol. Ils ont fait des expériences sur la portance en fabriquant des cerfs-volants et des planeurs, et ils ont cherché des matériaux légers pour réduire le poids de ces engins au minimum. Ils ont trouvé des moyens d’exercer une poussée sur des engins et exploré des moyens de réduire la traînée dans une tentative de s’élever au-dessus du sol. Il fallait que l’humain comprenne ces forces avant de pouvoir s’envoler dans le ciel.
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Photographie en couleur d’un aéronef suspendu au plafond d’un gros édifice, face à une vaste fenêtre.
Cet aéronef est inspiré de l’ornithoptère de Leonardo da Vinci. C’est une structure comportant un cadre en bois et une voilure en tissu beige. Un mannequin en bois (le pilote) est attaché à l’engin, face vers le sol, directement sous le centre des ailes.
Le savais-tu?
En 2013, un groupe d’ingénieurs de Toronto a gagné le prix Sikorsky pour avoir conçu un hélicoptère à propulsion humaine.
Voler comme un cerf-volant
L’invention des cerfs-volants a préparé le terrain pour que l’humain réalise son rêve de voler. Mais serais-tu capable d’expliquer pour quelles raisons les cerfs-volants peuvent voler?
La force du vent pousse un cerf-volant vers le haut et vers l’arrière. Pour faire voler un cerf-volant, il faut le placer selon le bon angle, ce qu’on appelle l’angle d'attaque. L’angle d’attaque permet au vent de se déplacer sur le dessus du cerf-volant pour créer de la portance. Le cerf-volant s’élève de plus en plus haut tant que la force de portance est plus grande que le poids du cerf-volant et que la traînée induite causée par l’angle d’attaque. La portance et la traînée agissent l’une contre l’autre, faisant penser à une partie de souque-à-la-corde. Au bout d’un certain temps, quand l’équilibre est atteint entre la portance et la traînée, le cerf-volant ne monte plus et ne descend pas non plus.
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Illustration montrant comment l’air circule autour d’un cerf-volant en vol, ainsi que les forces qui sont à l’œuvre pour le maintenir dans les airs.
Les lignes bleues représentent le flux d’air, qui devient parallèle quand il se rapproche du cerf-volant. Le cerf-volant dévie l’air à la fois vers le haut et vers le bas, générant ainsi de la portance. La portance est représentée par une flèche verte pointant vers le haut en provenance du cerf-volant. Le poids du cerf-volant est représenté par une flèche rose pointant vers le bas. Derrière le cerf-volant, l’air est perturbé, ce qui crée la traînée. La traînée est représentée par une flèche rose qui pointe vers la droite, en provenance du cerf-volant. Les cordes du cerf-volant sont représentées par des lignes noires. Sur la corde principale du cerf-volant, une flèche indique qu’il y a de la tension dans la direction de la personne qui tient la corde du cerf-volant.
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Estampe en couleur réalisée sur une plaque de bois. Un homme assis par terre regarde le cerf-volant que fait voler un groupe de trois personnes. Juché sur les épaules de l’homme, un enfant regarde vers le cerf-volant. C’est la femme qui fait voler le cerf-volant. Nous le savons parce que la corde du cerf-volant est visible dans ses mains et que la longueur excédentaire de la corde est enroulée autour d’un moulinet, posé à terre, près de ses pieds.
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Photographie en couleur d'un cerf-volant fabriqué à partir de feuilles. Au premier plan, une main s'accroche à l'arrière du cerf-volant. À l'arrière-plan, on voit une colline qui descend vers un océan d'un bleu profond à Tahiti. La partie principale du cerf-volant a la forme d'un diamant. Elle est faite de manches d'arbre à pain séchées et plates. Le cadre et les pièces transversales ressemblent à de fines baguettes. Ils sont fabriqués à partir de nervures de feuilles de cocotier. Une corde est suspendue au cerf-volant. Des touffes d'écorce brune de bananier y sont attachées à intervalles réguliers.
Pour qu’un cerf-volant puisse transporter des humains, il fallait une nouvelle structure. L’explorateur et inventeur australien d’origine britannique, Lawrence Hargrave, a inventé le cerf-volant cellulaire, qui était en fait un cerf-volant en forme de boîte.
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Photographie historique en noir et blanc de deux hommes en train de tendre les cordes d’un cerf-volant cellulaire, entre deux arbres sur un flanc de colline. Les hommes sont en train d’assembler les boîtes de leur cerf-volant cellulaire dans l’espoir de soulever une personne dans les airs.
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Reproduction en noir et blanc d’une aquarelle parue dans l’article du McClure’s Magazine. La peinture représente Lawrence Hargrave alors qu’il planait dans les airs, suspendu à des cerfs-volants en forme de boîte.
Assis sur la plage sablonneuse, un homme tient le moulinet de corde qui relie les cerfs-volants ensemble. Trois paires de cerfs-volants en forme de boîte planent dans le ciel, chaque paire se trouvant à une altitude différente. Les cerfs-volants sont reliés les uns aux autres par une corde. Lawrence Hargrave, l’inventeur, est assis sur une plateforme fixée sous la plus basse paire de cerfs-volants.
Quelques années plus tard, Samuel Franklin Cody a fait breveter une version améliorée du cerf-volant de Lawrence Hargrave. Pour convaincre la Marine et le ministère de la Guerre britanniques d’utiliser son cerf-volant à des fins militaires, il a traversé la Manche dans un bateau tiré par un cerf-volant. Les cerfs-volants de Cody ont été utilisés par les Britanniques au cours de la Première Guerre mondiale pour remplacer les ballons envoyés pour repérer l’artillerie ennemie.
Le savais-tu?
Alexander Graham Bell, un Écossais établi au Canada, a conçu le cerf-volant tétraédrique. C’est lui qui a inventé le téléphone!
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Photographie en noir et blanc prise en 1909 de quelques hommes en train de regarder l’un des grands cerfs-volants tétraédriques conçus par Alexander Graham Bell.
Le cerf-volant ressemble à une grande fractale de Sierpinski en trois dimensions. Autrement dit, il est fabriqué avec de nombreuses sections triangulaires de tailles différentes, disposées pour former un triangle de grande taille. De nombreuses couches de chaque cellule à deux dimensions sont reliées ensemble pour constituer le cerf-volant tridimensionnel.
Plus léger que l’air?
Une fois que les humains ont compris le rôle important de la portance pour le vol, ils se sont mis à explorer d’autres moyens de générer de la portance. Des lanternes volantes, appelées kongming, étaient utilisées dans la Chine ancienne pour envoyer des messages militaires. Le monde occidental a fini par réaliser que des ballons pouvaient être utilisés pour générer de la portance.
Malheureusement, l'utilisation de ballons pour transporter des passagers avait quelques inconvénients :
- Un ballon va là où le vent l’emporte.
- Les passagers n’ont pratiquement aucun contrôle sur la vitesse ou la distance de leur vol. Difficile de faire des plans!
- Il n’y avait aucun moyen de faire aller le ballon dans la direction voulue ni de le diriger.
Les dirigeables et dirigeables à enveloppe souple modernes qui transportent des passagers sont équipés d’hélices, de gouvernails et de gouvernes de profondeur qui facilitent la navigation.
L'arrivée de l'avion
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Photographie en couleur du planeur conçu par George Cayley, exposé au Yorkshire Air Museum. La partie où s’assoit le pilote ressemble un peu au trou d’homme d’un kayak. Il est peint en jaune et en noir. Deux petites roues sont fixées sur chaque côté de l’aéronef. Un poteau en bois d’environ deux mètres de haut sort de l’habitacle. Il supporte une structure faite de toile et de tiges de bois, qui ressemble à un croisement entre un cerf-volant sophistiqué et la voile d’un deltaplane.
Le savais-tu?
Le premier vol enregistré d’un aéronef à voilure fixe transportant un adulte est survenu lorsque George Cayley a réussi à convaincre son cocher, John Appleby, de piloter un planeur qu’il venait de fabriquer. Planant au-dessus d’une vallée, il a couvert une distance de 270 mètres.
Pendant plus de 50 ans, Cayley a apporté plusieurs améliorations à ses planeurs. Il a modifié la forme des ailes pour diminuer la résistance à l’air. Il a ajouté une queue pour améliorer la stabilité. Il a fini par comprendre que pour couvrir de plus longues distances, le planeur devrait être équipé d’un système de propulsion motorisé. Le pionnier allemand de l’aviation, Otto Lilienthal, a lui aussi cherché à inventer des véhicules volants plus lourds que l’air. Les frères Wright ont reconnu s’être inspirés de ses travaux.
Premières réussites
Les frères Wright, Wilbur et Orville, se sont passionnés pour la mécanique de l’aviation dès leur enfance.
En 1900, ils ont voyagé de l’Ohio jusqu’à Kitty Hawk, en Caroline du Nord, pour commencer leurs expériences de vol. Les brises régulières et les surfaces d’atterrissage sablonneuses et lisses faisaient de Kitty Hawk l’endroit idéal pour leurs vols d’essai. Les résultats des premières semaines ont été très décourageants. Mais dès qu’ils ont réalisé que les ailes n’étaient pas assez rigides, ils ont ajouté du tissu pour raidir davantage les ailes de leur machine volante. Et ça a marché… ou, plutôt, volé!
Orville Wright a volé pendant 12 secondes le 17 décembre 1903. Alors que Wilbur le regardait, Orville a parcouru un peu plus de 36 mètres avant d’atterrir. Les deux frères ont piloté leur avion quelques fois de plus avant la fin de la journée. C’était le premier vol d’un aéronef motorisé piloté par un humain.
Le savais-tu?
Comme pour les deltaplanes, les frères Wright étaient couchés sur le ventre pour réduire la traînée.
Comment fonctionnait la machine volante des frères Wright?
Les hélices conçues par les frères Wright convertissaient le mouvement de rotation généré par le moteur en un mouvement vers l’avant. Autrement dit, l’hélice générait une poussée. Le moteur permettait à l’aéronef d’avancer à une plus grande vitesse, ce qui permettait à l’air de circuler plus rapidement par-dessus les ailes. Le flux rapide de l’air créait une portance vers le haut qui compensait le poids de l’aéronef et le maintenait au-dessus du sol. Les frères Wright ont conclu que le moteur fait avancer l’avion, tandis que les ailes le font monter dans les airs.
À l’époque du premier vol des frères Wright, des avions étaient conçus et mis à l’essai partout dans le monde. Des pays comme le Chili, la Nouvelle-Zélande et même le Canada étaient très avancés dans ce domaine.
Nouvelles hauteurs
Comme tu peux le constater, il a fallu un effort collectif de partout dans le monde pour que les humains réalisent leur rêve de voler dans le ciel. Petit à petit, les gens ont de mieux en mieux compris le fonctionnement des forces et le comportement de l’air autour des objets. Toutes ces découvertes allaient ouvrir la voie à l’ère des avions modernes.
En savoir plus
Très Curieux | Les Humains Peuvent-ils Voler? | What If Humans Could Fly ?
Vidéo Youtube (4 min 10s) qui explique à quoi ressemblerait le monde si les humains pouvaient voler comme des oiseaux et la raison pour laquelle ils ne le peuvent pas.
Pourquoi un homme ne peut-il pas voler ?
Article titré qui explique la différence entre l’oiseau et l’homme.
Le cerf-volant
Vidéo Youtube par la chaîne Le blob, l’extra media (1 min 08s) qui donne un bref résumé de l’histoire du cerf-volant.
Comment un avion vole-t-il ?
Article qui explique le phénomène de vol aérien.
Références
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