Pourquoi l'élasticité est la clé du vol battant

Battez vos bras pendant un moment et vous remarquerez bientôt que le cycle constant d'accélération et de décélération nécessite et gaspille même d'énormes quantités d'énergie. Et pourtant, pour les oiseaux, le battement d'ailes est un moyen de propulsion très efficace. Une question qui intrigue encore les aérodynamiciens est de savoir comment les oiseaux sont capables de minimiser les coûts énergétiques impliqués dans le vol tout en générant des forces aérodynamiques utiles.

Les ingénieurs ont compris depuis longtemps que l'élasticité d'une aile battante fait partie de la réponse, mais n'ont guère plus que des arguments en agitant la main pour expliquer pourquoi. L'idée est que l'aile stocke l'énergie potentielle élastique lorsqu'elle se plie et la libère plus tard dans une partie favorable du cycle de battement. Mais l'absence de bonnes preuves expérimentales pour quantifier ce processus signifie que la compréhension est encore fragmentaire.

L'un des problèmes est la difficulté d'étudier l'interaction complexe entre les machines à battement et l'air. Diverses expériences ont mesuré les forces qu'une aile subit lorsqu'elle bat dans le flux d'air généré dans une soufflerie. Mais il s'agit d'une situation hautement artificielle dans laquelle le mouvement de l'air est entièrement séparé du mouvement de battement de l'aile. Il semble clair qu'en vol réel, la nature de l'interaction entre l'aile et l'air est cruciale et pourtant personne n'a étudié cela en détail.

Jusqu'à aujourd'hui. Benjamin Thiria et Ramiro Godoy-Diana à l'Université Denis Diderot à Paris ont construit une aile battante automotrice et ont étudié les forces à l'œuvre lors de son déplacement dans l'air et comment cela déforme l'aile, qui est attachée à un manège donc il tourne en rond en battant (voir ci-dessus).

Les résultats fournissent un aperçu important de la mécanique du vol battant. Ils disent : l'effet de la flexibilité des ailes sur l'efficacité des voltigeurs peut être considéré comme un processus en deux étapes : un problème de mécanique des solides, où l'équilibre entre les forces d'inertie et élastiques détermine la forme instantanée des ailes flexibles, suivi d'un problème de dynamique des fluides, où les conditions aux limites fixées par l'étape précédente régissent la distribution des forces aérodynamiques.

Par conséquent, le rapport des forces d'inertie déformant l'aile aux forces élastiques lui restituant sa forme est un paramètre structurel important. Ils appellent ce rapport le nombre élasto-inertiel.

Comprendre ce rapport, qui peut changer dans différentes parties d'une aile, pourrait s'avérer être une partie cruciale du casse-tête pour les ingénieurs qui tentent de concevoir et de construire de meilleurs voltigeurs : le point à retenir est que la flexibilité des ailes est importante.

Il a également des implications importantes pour l'efficacité du vol. Thiria et Godoy-Diana disent : Nos mesures montrent que la nature élastique des ailes peut conduire non seulement à une réduction substantielle de la puissance consommée, mais aussi à une augmentation de la force de propulsion. Ce qui confirme enfin les soupçons des ingénieurs sur le stockage et la libération d'énergie élastique.

Réf : arxiv.org/abs/1002.4890 : Se pencher pour voler

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