Essais sur les ailes d’avion

En utilisant un avion-jouet, un avion miniature ou la photo d’un avion, revoyez avec les élèves comment les quatre forces du vol agissent sur un avion.

Discussions

Les questions de discussion peuvent inclure :

• « Quelle est la force qui attire un avion vers le sol? » (la gravité)
• « Quelle force un avion doit-il vaincre pour décoller et s’élever dans le ciel? » (le poids)
• « Quelle force est appliquée dans la direction opposée au poids? » (la portance)
• « Quelle est la force qui pousse un avion vers l’avant? » (la poussée)
• « Quelle force agit contre la poussée? » (la traînée)
• « Quelles parties d’un avion participent à la création de la poussée? » (les hélices, les moteurs à réaction)
• « Quelles parties d’un avion participent à la création de la portance? » (les ailes, les rotors)

Langue

Vous pourriez créer un mur de mots ou demander aux élèves de créer un dictionnaire pour les termes importants.

Organisez une activité réfléchir-discuter-partager.

• Réfléchir : Demandez aux élèves de réfléchir aux modifications qu’ils pourraient apporter à leur avion (ou à la photo d’un avion utilisée plus haut), pour que leur avion vole mieux, par exemple : qu’il vole plus loin avec moins de carburant; qu’il décolle plus vite; qu’il vole plus vite, etc.
• Discuter : Demandez aux élèves de former des équipes de deux et d’échanger des idées avec leur partenaire.
• Partager : Demandez aux élèves de partager certaines de leurs idées avec la classe.

Demandez aux élèves de dire pourquoi ils pensent que les modifications suggérées vont améliorer les performances de l’avion.

Dites aux élèves que ce genre de discussion se produit régulièrement dans l’industrie de l’aviation. Par exemple, les compagnies aériennes veulent transporter plus de personnes et plus de marchandises à bord de leurs avions. Elles veulent arriver plus rapidement aux destinations. Elles veulent que leurs avions consomment moins de carburant. Pour atteindre ces objectifs, les compagnies aériennes ont parfois besoin de concevoir et de construire de nouveaux modèles d’avion. C’est pourquoi elles emploient de nombreuses personnes spécialisées dans différents domaines pour concevoir et améliorer leurs avions.

Encouragez les élèves à partager avec la classe ce qu’ils savent sur les métiers et les professions liés à l’industrie de l’aviation, comme l’ingénierie, l’architecture intérieure, l’électricité, et bien d’autres. 

Discussions

Les questions de discussion peuvent inclure :

• « Quelles modifications pourraient être apportées aux ailes? Comment ces modifications vont-elles changer la façon de voler de l’avion? »
• « Quelles modifications pourraient être apportées au corps de l’avion? Comment ces modifications vont-elles changer la façon de voler de l’avion? »
• « Quelles modifications pourraient être apportées aux moteurs de l’avion? Comment ces modifications vont-elles changer la façon de voler de l’avion? »

Liens communautaires

La plupart des élèves ne savent peut-être pas que l’industrie de l’aviation emploie des travailleuses et travailleurs spécialisés dans une foule de domaines. Prenez le temps de leur expliquer qu’en plus des pilotes, du personnel navigant et de l’équipe au sol, il faut des gens de toutes sortes de spécialités pour faire décoller les avions et les faire voler d’un endroit à l’autre. L’industrie de l’aviation offre des emplois dans la conception et la construction d’avions; dans le nettoyage, l’entretien, la réparation et la maintenance des avions; dans le contrôle de la circulation des avions dans le ciel et au sol; au service à la clientèle.

Expliquez aux élèves qu’ils vont maintenant jouer le rôle d’une équipe chargée de trouver la réponse à la question : « Quelle est l’influence de la forme des ailes d’un avion sur la portance? »

Pendant cette activité, les élèves vont créer des modèles d’avion en carton avec lesquels ils feront des essais à l’aide d’un banc d’essais d’ailes qui imite une soufflerie.

Montrez le banc d’essais  pour aider les élèves à visualiser comment leurs ailes seront mises à l’essai. Faites une démonstration avec l’avion que vous avez créé pour montrer comment utiliser le banc d’essais, comme le montre la vidéo accessible via le lien ci-dessous.

Testing an aircraft using the aircraft testing rig (©2022 Let’s Talk Science).

Divisez la classe en groupes de trois ou quatre élèves. Remettez à chaque groupe un exemplaire de la fiche reproductible  Cahier des Concepteurs d'Avions [document Google] [document Word] [PDF], puis demandez-leur de remplir la section Définition du problème sur la première page.

Langue

Au lieu de répondre sur la fiche reproductible, les élèves pourraient répondre aux mêmes questions dans un journal scientifique. S’ils remplissent la fiche reproductible en ligne, vous pourriez installer le tutoriel Google Read and Write pour les aider.

Ensuite, demandez aux élèves de remplir la section Conception de l’expérience sur la deuxième page de la fiche reproductible.

Idée

Les élèves pourraient utiliser une stratégie de remue-méninges comme Remue-méninges en carrousel ou Jeu du 8 pour réfléchir à des façons de concevoir l’expérience.

Demandez aux élèves d’identifier les variables qui seront manipulées (variables indépendantes), les variables qui seront mesurées (variables dépendantes) et les variables qui doivent demeurer constantes (variables contrôlées) pour que les essais soient effectués correctement.

Si les élèves ont besoin de s’entraîner à le faire, révisez avec eux le début des documents d’information Poser des questions sous forme vérifiable et déterminer les variables.

Langue

Vous pourriez afficher les définitions des trois types de variables. Si nécessaire, donnez d’autres exemples de ces types de variables.

Demandez à une ou un membre de chaque groupe de présenter les idées du groupe. Consignez par écrit les idées à mesure qu’elles sont présentées. Demandez aux élèves de préciser ou de développer leur pensée si c’est nécessaire.

Assurez-vous que les élèves comprennent que la variable indépendante est la forme transversale des ailes et que la variable dépendante (ou variable de réponse) est l’ampleur de la portance générée par chaque forme d’aile.

Pour effectuer les essais correctement, les élèves devraient aussi comprendre que certaines variables doivent être maintenues constantes (p. ex. la vitesse du ventilateur, la distance entre le ventilateur et le banc d’essais, l’angle du ventilateur, la taille et le poids de l’avion miniature utilisé).

Demandez aux élèves de décider comment ils vont mesurer la portance générée par chaque forme d’aile.

Par exemple :

• Les élèves pourraient mesurer la hauteur à laquelle l’avion s’élève sur les brochettes (p. ex. en faisant des marques sur les brochettes pour mesurer jusqu’où l’avion s’élève).

  

  Image - Version texte

  Le schéma en couleur ci-dessus montre un petit avion en carton; ses ailes sont transpercées par des brochettes et il flotte au-dessus d’un bloc de styromousse. Une règle mesure la distance entre l’aile droite de l’avion et le bloc.
  
  Chacune des deux longues brochettes passe au travers d’un trou situé à l’extrémité de chaque aile de l’avion et s’enfonce dans le bloc de styromousse. L’avion s’est élevé le long des brochettes, au-dessus des deux petits bouts qui supportaient le milieu des ailes.
  
  À gauche de l’avion, une règle jaune mesure la distance entre une aile et le bloc de styromousse.

• Les élèves pourraient aussi peser la charge qui pourra être soulevée par l’avion (p. ex. en fixant des trombones au fuselage (corps) de l’avion).

  

   
  Image - Version texte

  Le schéma en couleur ci-dessus montre un avion en carton fixé à des brochettes au-dessus d’un bloc de styromousse; deux trombones sont fixés au corps de l’avion. Une règle jaune mesure la distance entre l’aile droite et le bloc.
  
  
  Chacune des deux longues brochettes passe au travers d’un trou situé à l’extrémité de chaque aile de l’avion et s’enfonce dans le bloc de styromousse. Deux trombones ont été ajoutés sur la partie inférieure de l’avion. L’avion s’est élevé le long des brochettes, au-dessus des deux petits bouts de brochette qui supportaient le milieu des ailes.
  
  À gauche de l’avion, une règle jaune mesure la distance entre l’aile droite et le bloc de styromousse. Dans cet exemple, la distance est un peu moins grande que dans le schéma précédent.

• Une combinaison de ces deux méthodes est également possible. 

Discussions

• « Comment faire pour s’assurer que les essais seront effectués correctement? »
• « Quelles variables vont demeurer constantes? Quelle variable va changer? » (La forme des ailes est la variable qui va changer. Tout le reste sera constant.)
• « Comment faire pour mesurer la portance générée par les différentes formes d’ailes? » (Par exemple, quels critères seront utilisés pour déterminer l’influence des modifications apportées à la forme des ailes sur la portance?)

Dites aux élèves qu’ils vont maintenant fabriquer leurs avions miniatures pour faire des essais afin de déterminer l’influence de différentes formes d’ailes sur la portance d’un avion.

Pour aider les élèves à contrôler certaines des variables qu’ils ont énumérées plus tôt, vous leur fournirez un modèle pour le corps (fuselage), les ailes et la queue de l’avion.

Remettez à chaque groupe d’élèves un exemplaire de la fiche reproductible Modèle d’Avion [document Google] [document Word] [PDF].

Avant que les élèves commencent à découper quoi que ce soit, revoyez avec eux les règles de sécurité liées à l’utilisation des ciseaux.

Les groupes devront :

1. Découper les formes sur le modèle en papier.
2. Tracer les formes sur du carton
3. Découper les formes tracées sur le carton.
4. À l’aide du modèle en papier comme guide, faire un trou dans chacune des ailes de l’avion. L’emplacement des trous est indiqué par des cercles noirs.
5. Couper le long du trait continu dans la queue du fuselage.
6. Placer le morceau de carton représentant la queue de l’avion dans la ligne découpée dans le fuselage. La queue de l’avion doit être alignée avec la ligne pointillée qui se trouve au milieu de la queue.
7. Fixer solidement la queue en place avec du ruban adhésif.

Remarque : Les élèves devront découper un nouveau fuselage pour chaque essai, mais ils pourront utiliser les mêmes ailes pour la plupart des essais. Si les ailes sont endommagées, une nouvelle paire d’ailes peut être découpée dans le carton.

Pour insérer les ailes dans le fuselage, les élèves auront besoin de découper des fentes avec une paire de ciseaux ou un couteau tout usage.

C’est la forme des fentes qui déterminera la forme transversale des ailes.

Sécurité

Demandez aux élèves de toujours s’asseoir quand ils utilisent les ciseaux.

Placez une protection sur le bureau ou le dessus de la table pour éviter qu’ils soient endommagés quand les élèves utilisent les ciseaux.

Si les élèves doivent se servir d’un couteau, vous pourriez leur demander de ne l’utiliser que sous votre surveillance.

Langue

Ce serait une bonne occasion pour identifier (ou revoir) les différentes parties d’un avion comme le nez (la partie avant du fuselage), le fuselage (le corps de l’avion), les ailes et la queue.

Idée

Vous pouvez afficher le schéma Banc d’essais d’ailes avec un avion miniature [document Google] [document Word] [PDF] pour aider les apprenants visuels à assembler leur avion. Affichez-le aussi pendant les essais.

Si les élèves ont de la difficulté à décider quelles formes d’ailes essayer, suggérez-leur de faire des essais avec des ailes plates, courbes, en forme de V ou de U. Les élèves peuvent ajouter des trombones à l’avion pour stabiliser ses soubresauts.

Si vous avez l’impression que les élèves ont besoin de conseils supplémentaires, montrez-leur le schéma Idées de placement des ailes [document Google] [document Word] [PDF]. Vous pourriez distribuer cette page aux élèves et leur demander d’encercler les formes d’ailes sur lesquelles ils ont effectué des essais.

Demandez aux membres de chaque groupe pourquoi ils ont choisi telle ou telle forme d’ailes pour faire leurs essais.

Idée

Si le temps est compté, installez au moins deux stations d’essai afin de réduire le temps d’attente.

Ensuite, demandez aux élèves de répondre à la question sur la sécurité qui se trouve en haut de la troisième page du Cahier des Concepteurs d’Avions.

Sécurité

Si vous utilisez un ventilateur comme source de vent, avertissez les élèves de ne pas mettre leurs doigts ou quoi que ce soit d’autre dans les pales du ventilateur lorsqu’il fonctionne.

Si vous utilisez un séchoir à cheveux, évitez les longues rallonges électriques. Installez au moins deux stations munies de prises de courant facilement accessibles pour faire des essais sur les ailes.

Utilisez les séchoirs à cheveux dans un environnement sec et loin d’un évier contenant de l’eau.

Demandez ensuite aux élèves de choisir trois formes d’ailes avec lesquelles ils feront des essais. Si vous avez du temps, permettez aux élèves de faire d’autres essais.

Avant de commencer les essais, demandez aux élèves de :

• remplir la section sur la forme des ailes avec des mots ou une image;
• faire une prédiction sur la portance (avec des chiffres ou des mots).

Demandez aux groupes d’effectuer des essais à tour de rôle sur les formes d’ailes choisies et de noter leurs observations.

Après chaque essai sur une forme d’ailes, demandez aux élèves :

• de noter leurs observations sur la façon dont l’avion s’est comporté pendant l’essai;
• d’ajouter des données sur la portance (en prenant des mesures en centimètres).

Discussions

• « Comment pourriez-vous utiliser la technologie disponible dans notre salle de classe pour enregistrer vos données? »

Quand ils auront terminé leurs essais, les groupes devraient analyser leurs résultats et tirer des conclusions en remplissant la quatrième page de la fiche reproductible Cahier des Concepteurs d’Avions.

Encouragez les groupes à partager leurs observations et conclusions. Utilisez les exemples de questions de discussion donnés dans la colonne de droite pour vérifier la compréhension des élèves.

Remarque : C’est la forme légèrement courbée (au milieu à droite du diagramme d’idées de placement d’ailes, qui générera la plus grande portance.

Discussions

• “Quelles conclusions peut-on tirer au sujet de l’influence de la forme des ailes sur le vol d’un avion? »
• « Tous les groupes sont-ils arrivés à la même conclusion? Comment pourriez-vous expliquer le fait que des groupes sont arrivés à des conclusions différentes? »
• « Si vous pouviez modifier une autre variable que la forme des ailes, que changeriez-vous et pourquoi? À votre avis, que pourrait être l’influence sur le vol si vous apportiez cette modification? »

Idée

Offrez aux élèves la possibilité de partager leurs observations et conclusions en utilisant des plateformes multimédias pour créer une vidéo, une présentation ou une affiche.

Faites le bilan de cette activité en précisant que le type d’expérience qu’ils viennent de faire est de la science appliquée.

La science appliquée utilise les connaissances scientifiques pour résoudre nos problèmes ou répondre à nos besoins. C’est ce que font les ingénieurs. En revanche, la science pure cherche à élargir notre compréhension du monde.

Demandez aux élèves de donner d’autres exemples illustrant comment la science appliquée est utilisée lors de la conception d’un avion (p. ex. connaissances de la résistance des matériaux au moment de choisir le matériau pour fabriquer le fuselage; connaissance des lois physiques du mouvement au moment de concevoir la forme d’un avion, etc.)

Nature de la science

Les scientifiques qui font de la science pure n’essaient pas de résoudre un problème; ils essaient seulement d’expliquer pourquoi un phénomène se produit de telle ou telle manière. Par exemple, le principe de Bernoulli est de la science pure. La façon d’utiliser le principe de Bernoulli pour faire voler les avions est de la science appliquée. L’ingénierie est une science appliquée.