L’humain en vol stationnaire

Parlons sciences et Shakib Rahman
Lisibilité
6.60

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Découvre comment une équipe d’ingénieurs canadiens a utilisé le principe de Bernoulli pour concevoir un hélicoptère à propulsion humaine. L’appareil leur a permis d’établir un record du monde en matière de vol stationnaire à propulsion humaine!
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As-tu déjà roulé à vélo? Si oui, alors, tu as conduit un véhicule à propulsion humaine. Certains véhicules, comme les voitures et les autobus, utilisent l’essence ou l’électricité pour avancer. Les véhicules à propulsion humaine, eux, utilisent la force musculaire des humains pour se déplacer.

Peux-tu donner d’autres exemples de véhicules à propulsion humaine qui avancent sur le sol? Ou de véhicules à propulsion humaine qui se déplacent dans l’air?

Cette deuxième question est plus difficile, n’est-ce pas? Le vol à propulsion humaine représente un défi depuis longtemps. Par exemple, le célèbre scientifique Léonard de Vinci a dessiné plusieurs aéronefs à propulsion humaine. C’était au 15e siècle!

Hélicoptère à propulsion humaine dessiné par Léonard de Vinci
Hélicoptère à propulsion humaine dessiné par Léonard de Vinci (Source : Léonard de Vinci [domaine public] par l’intermédiaire de Wikimedia Commons).

Le savais-tu? 

Les ingénieurs qui conçoivent des aéronefs s’appellent des ingénieurs aéronautiques.

Pendant des années, plusieurs scientifiques pensaient qu’il était impossible de concevoir un hélicoptère à propulsion humaine. En 1980, on a annoncé qu’une récompense serait remise à quiconque y parviendrait; cette récompense s’appelle le prix Sikorsky. En 2013, une équipe d’ingénieurs de Toronto a finalement remporté ce prix!

Le savais-tu? 

Le prix Sikorsky a été nommé en l’honneur d’un pilote et ingénieur russo-américain, Igor I. Sikorsky. Il a conçu et piloté le premier gros avion multimoteur au monde. Il a également conçu le premier hélicoptère fabriqué en série.

Les membres de l’équipe gagnante provenaient de l’entreprise AeroVelo. Leur hélicoptère s’appelait Atlas.

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Visionne l’ensemble du vol, du décollage à l’atterrissage, que l’hélicoptère Atlas, conçu par AeroVelo, a réalisé le 13 juin 2013. Il a remporté le prix Sikorsky (1 min 44 s).

Ce n’est pas facile de concevoir un aéronef propulsé et piloté par une personne! C’est encore plus difficile de maintenir cet aéronef en vol stationnaire au-dessus d’un point fixe. Il faut des notions complexes d’ingénierie et de physique pour propulser un appareil et le maintenir en vol.

Le savais-tu? 

AeroVelo a également créé le véhicule à propulsion humaine le plus rapide au monde, l’Eta Speedbike. Il peut atteindre des vitesses de 144 km/h!

Pour se soulever de terre, les hélicoptères ont besoin d’une force qui leur permet de s’élever; cette force s’appelle portance. Ils s’élèvent à l’aide de rotors; ceux sur l’hélicoptère Atlas d’AeroVelo tournent à l’aide de poulies. Les rotors sont des voilures tournantes.

Le principe de Bernoulli permet d’expliquer comment les formes d’un aéronef contribuent à générer une portance. Chaque rotor d’un hélicoptère est une voilure, dont la surface supérieure est courbée. Quand l’air passe au-dessus de la surface supérieure courbée, il se déplace plus rapidement que l’air qui circule en dessous de la voilure. Cela tire l’hélicoptère vers le haut.

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Les rotors qui possèdent une grande superficie peuvent générer une plus grande portance. L’hélicoptère d’AeroVelo a quatre grands rotors. Chaque rotor mesure 20,4 mètres de long.

Tout hélicoptère à propulsion humaine doit être léger. Il faut que la force qui le fait monter vers le haut soit plus grande que le poids qui le tire vers le bas. Le poids correspond à la force que la gravité exerce sur un objet.

Pour construire leur hélicoptère, les ingénieurs d’AeroVelo ont utilisé des matériaux résistants et légers. Ils ont surtout utilisé des tubes en fibre de carbone. Ils ont aussi utilisé un type de bois léger, mais résistant, appelé bois de balsa.

Schéma comparant la taille de l’hélicoptère Atlas (A) à celle d’un Boeing 737 (B) et à celle d’un humain (C)
Schéma comparant la taille de l’hélicoptère Atlas (A) à celle d’un Boeing 737 (B) et à celle d’un humain (C) (© 2019 basé sur un schéma tiré du site d’AeroVelo).

Au total, l’hélicoptère pèse 55 kg. C’est à peu près le même poids qu’une petite femelle golden retriever. Ce poids n’inclut pas la masse du pilote, Todd Reichert. Il était assis sur une selle de bicyclette. Comme tu peux l’imaginer, cette bicyclette a été considérablement modifiée!

M. Reichart et l’hélicoptère d’AeroVelo ont plané à 3,3 mètres au-dessus du sol. C’est un petit peu plus haut qu’un panier de basketball! L’aéronef s’est maintenu à cette hauteur pendant un peu plus d’une minute. Pour être exact, il a plané pendant 64,11 secondes.

M. Reichert a établi un record du monde pour avoir réalisé le plus long vol stationnaire à propulsion humaine. Quelle surprise pour les gens qui avaient dit que c’était impossible!

POINTS DE DÉPART

Connecter et Relier

  • Si tu en avais l’occasion, est-ce que tu essaierais de piloter un aéronef à propulsion humaine? Explique.
  • Aimerais-tu posséder un aéronef à propulsion humaine? Explique.

Connecter et Relier

  • Si tu en avais l’occasion, est-ce que tu essaierais de piloter un aéronef à propulsion humaine? Explique.
  • Aimerais-tu posséder un aéronef à propulsion humaine? Explique.

Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement

  • Penses-tu que l’on doit remettre des prix pour la création de nouvelles technologies? Explique.
  • Penses-tu que les aéronefs à propulsion humaine vont un jour faire partie de la vie quotidienne? Pourquoi ou pourquoi pas?

Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement

  • Penses-tu que l’on doit remettre des prix pour la création de nouvelles technologies? Explique.
  • Penses-tu que les aéronefs à propulsion humaine vont un jour faire partie de la vie quotidienne? Pourquoi ou pourquoi pas?

Explorer les Concepts

  • Explique le principe de Bernoulli dans tes propres mots.
  • Pourquoi est-ce difficile pour les humains de générer suffisamment de portance pour faire décoller un aéronef?
  • Quel est le rôle de la « courbe » sur une voilure?
  • Comment la conception d’un aéronef à propulsion humaine et les matériaux utilisés pour le construire peuvent-ils aider l’appareil à voler?

Explorer les Concepts

  • Explique le principe de Bernoulli dans tes propres mots.
  • Pourquoi est-ce difficile pour les humains de générer suffisamment de portance pour faire décoller un aéronef?
  • Quel est le rôle de la « courbe » sur une voilure?
  • Comment la conception d’un aéronef à propulsion humaine et les matériaux utilisés pour le construire peuvent-ils aider l’appareil à voler?

Nature de la Science / Nature de la Technologie

  • Quelles innovations dans le domaine des matériaux de construction ont aidé les ingénieurs à fabriquer leur hélicoptère Atlas? Explique.
  • De quelle façon la conception d’un aéronef comme Atlas montre-t-elle la relation entre les sciences et les technologies? Explique.

Nature de la Science / Nature de la Technologie

  • Quelles innovations dans le domaine des matériaux de construction ont aidé les ingénieurs à fabriquer leur hélicoptère Atlas? Explique.
  • De quelle façon la conception d’un aéronef comme Atlas montre-t-elle la relation entre les sciences et les technologies? Explique.

Littératie Médiatique

  • As-tu déjà vu un aéronef à propulsion humaine à la télévision ou dans un film? Si oui, comment est-ce qu’il fonctionnait?

Littératie Médiatique

  • As-tu déjà vu un aéronef à propulsion humaine à la télévision ou dans un film? Si oui, comment est-ce qu’il fonctionnait?

Suggestions d'enseignement

  • Cet article et la vidéo intégrée peuvent être utilisés pour soutenir l’enseignement et l’apprentissage en ingénierie et technologie, en mathématiques et en physique, en ce qui concerne le vol, l’ingénierie et la conception, les forces qui s’appliquent au vol et le principe de Bernoulli. Cela inclut les concepts suivants : aéronef, ingénieurs aéronautiques, rotors pour le vol, voilures, portance, principe de Bernoulli, poids et superficie.
  • Avant ou après la lecture de cet article, les enseignants pourraient demander à leurs élèves de réaliser une activité scientifique pratique, comme la construction et l’essai de rotors en papier. La conception et la fabrication pourraient être suivies d’une discussion sur les propriétés des rotors qui ont eu une incidence sur leur vol.
  • De plus, avant la lecture de l’article et le visionnement de la vidéo, les enseignants pourraient montrer aux élèves des exemples de machines volantes du passé. On peut trouver des exemples en ligne (p. ex., les 11 machines volantes qui ont précédé les frères Wright).
  • Après avoir lu l’article et visionner la vidéo, les enseignants pourraient demander à leurs élèves de remplir une toile de définition du concept afin de consolider leur compréhension du principe de Bernoulli. Des fiches reproductibles prêtes à l’emploi de la stratégie d’apprentissage Toile de définition du concept sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Pour consolider l’apprentissage, les enseignants pourraient remettre un billet de sortie aux élèves. À titre de stratégie d’apprentissage pour cet article, vous pouvez télécharger des fiches reproductibles prêtes à l’emploi d’un billet de sortie en formats [Google doc] et [.pdf].

Suggestions d'enseignement

  • Cet article et la vidéo intégrée peuvent être utilisés pour soutenir l’enseignement et l’apprentissage en ingénierie et technologie, en mathématiques et en physique, en ce qui concerne le vol, l’ingénierie et la conception, les forces qui s’appliquent au vol et le principe de Bernoulli. Cela inclut les concepts suivants : aéronef, ingénieurs aéronautiques, rotors pour le vol, voilures, portance, principe de Bernoulli, poids et superficie.
  • Avant ou après la lecture de cet article, les enseignants pourraient demander à leurs élèves de réaliser une activité scientifique pratique, comme la construction et l’essai de rotors en papier. La conception et la fabrication pourraient être suivies d’une discussion sur les propriétés des rotors qui ont eu une incidence sur leur vol.
  • De plus, avant la lecture de l’article et le visionnement de la vidéo, les enseignants pourraient montrer aux élèves des exemples de machines volantes du passé. On peut trouver des exemples en ligne (p. ex., les 11 machines volantes qui ont précédé les frères Wright).
  • Après avoir lu l’article et visionner la vidéo, les enseignants pourraient demander à leurs élèves de remplir une toile de définition du concept afin de consolider leur compréhension du principe de Bernoulli. Des fiches reproductibles prêtes à l’emploi de la stratégie d’apprentissage Toile de définition du concept sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Pour consolider l’apprentissage, les enseignants pourraient remettre un billet de sortie aux élèves. À titre de stratégie d’apprentissage pour cet article, vous pouvez télécharger des fiches reproductibles prêtes à l’emploi d’un billet de sortie en formats [Google doc] et [.pdf].

En savoir plus

Vol record d'un hélicoptère propulsé à la force des muscles - Le Figaro (journal francais) (2013) Un bref historique des tentatives de gagner le prix depuis qu'il a été annoncé en 1980

Un sport planant - Parlons sciences (2019) -  nous donnons plus d'informations sur la façon dont les choses peuvent voler grâce à l’explication de comment faire du vol en wingsuit .

Références

Robertson, C. D., & Reichert, T. M. (2015). Design and development of the atlas human-powered helicopter. Journal of the American Helicopter Society60(1), 1–15. DOI: 10.4050/jahs.60.011006