Des modèles d'avions en papier pour les ingénieurs en herbe...

Cette activité se déroule en trois étapes qui permettront aux élèves de réaliser et de tester des avions en papier. Ils étudieront et tenteront d'optimiser les différents paramètres qui interviennent dans le vol de ces avions.

Chaque groupe d'élèves apporte des modifications à l'avion sélectionné de manière à le faire planer le plus longtemps possible. Différents éléments pourront être changés un à un. Dans chaque cas, les élèves auront à chronométrer le temps de vol de leur avion.

L'épaisseur du papier : Pour se rendre compte de l'influence de la masse, proposez à vos élèves de fabriquer leur avion avec des papiers de différents grammages. Note : inciter les élèves à relever les problèmes liés au pliage, à la rigidité des ailes et au surpoids.

La taille de l'avion : les élèves pourront fabriquer leur avion avec des feuilles de différents formats (A3, A4 et A5) et identifier celle qui produit le meilleur résultat. En se faisant, ils modifient la surface portante de l'avion.

La taille des ailles et du fuselage : on peut jouer soit sur la surface des ailes et celle du fuselage, soit sur la forme du fuselage ( ouvert ou fermé) soit sur l'inclinaison des ailes par rapport au fuselage.

Les ailerons : Les ailerons contribuent à la stabilité de l'appareil. Les élèves pourront observer leurs effets sur le vol en jouant sur leur taille, leur orientation (vers le bas, vers le haut) et leur symétrie (une dérive vers le bas et une vers le haut, puis on inverse)

La place du centre de masse : Les élèves pourront tester ce paramètre en ajoutant une charge à l'avant ou à l'arrière de leur appareil (par exemple des trombones). Ils doivent veiller à ne pas déséquilibrer l'avion. Si on alourdit l'arrière, l'avion est déséquilibré. Par contre, si on alourdit l'avant, le centre de masse est déplacé vers l'avant et l'avion est plus stable.

La technique du lancer : Faut-il lâcher l'avion ou le lancer ? le lancer fort ou doucement ? vers le haut ou vers la bas? Aux élèves d'attraper le coup de main qui permettra à leur avion de voler le plus longtemps possible.

Chaque groupe rassemble le résultat de ses investigations dans un tableau. Les résultats sont ensuite comparés pour déterminer la configuration "idéale".

Comment ça vole ?

Dans cette dernière partie, vous allez reprendre avec vos élèves les différents paramètres étudiés dans l'activité précédente pour approcher et étudier les notions scientifiques sous-jacentes.

Pour cela, vous pouvez vous appuyer sur le texte de Jean Cousteix " Un avion , comment ça vole ?" disponible sur le site Internet de la main à la pâte. Des liens vous seront proposés dans le texte qui suit.

La portance ( http://www.inrp.fr/lamap/activites/projet/croisiere/avion2.htm )
cf également les pages sur la notion de force et de pression :
http://www.inrp.fr/lamap/activites/projet/croisiere/avion3.htm
http://www.inrp.fr/lamap/activites/projet/croisiere/avion4.htm

Et Comment fonctionne une aile d'avion ?:
http://www.inrp.fr/lamap/activites/projet/croisiere/avion6.htm

Montrez aux élèves un profil d'aile et demandez leur de le comparer avec celui des avions qu'ils ont sélectionnés à l'issue de l'activité précédente.

Ils pourront ainsi noter qu'à l'inverse de leur avion en papier l'aile d' un avion occupe un certain volume. Sa face supérieure ( le dos de l'aile) est bossue alors que la face du bas ( le ventre) est presque plate. C'est grâce à cette forme particulière que l'avion peut se maintenir en l'air. Pour le vérifier, réalisez les expériences suggérées par Jean Cousteix.

http://www.inrp.fr/lamap/activites/projet/croisiere/avion5.htm

Pour aller plus loin, vous pouvez étudier la portance de l'aile dans une soufflerie !

Les avions sont en effet testés dans des souffleries. Quand un corps se déplace à vitesse constante dans de l'air immobile, il se crée auprès du corps des mouvements d'air que l'on appelle écoulement. Un principe physique veut qu'étudier le déplacement dans l'air d'un corps à vitesse contante équivaut à étudier l'écoulement de l'air autour du corps immobile.
Ce principe est utilisé dans les souffleries, dont l'objet est précisément les études aérodynamiques. Une soufflerie est une conduite dans laquelle l'air circule autour d'une maquette. D'après le principe de mouvement relatif, les forces qui s'exercent sur la maquette sont les mêmes que celles qu'on aurait si la maquette se déplaçait dans l'air, c'est à dire dans les conditions de vol d'un avion.

Construire une"mini-souflerie" ( Note : Cette activité peut s'avérer difficile pour des élèves de primaire car il important qu'ils comprennent au préalable le principe de relativité énoncé ci-dessus)

Fabriquez tout d'abord un "prototype" d'aile avec une 1/2 feuille de papier A4 coupée dans le sens de la longueur. Pliez la en deux de manière à lui donner le profil de l'aile présentée ci-dessus.

Une boîte cartonnée sans fond nous permettra de tendre 4 fils parallèles deux à deux ( on utilisera le même fil que l'on fera passer d'un côté à l'autre des montants supérieur et inférieur du cadre). Ces fils guideront les mouvements de l'aile de haut en bas.

Lorsque vous accrochez le fil aux montants du cadre, prenez soin de le faire passer dans l'aile de manière à ce que celle-ci puisse glisser facilement dans le cadre en carton. Pour réduire les frottements, il est pratique de faire passer ce fil dans des morceaux de paille collés à l'avant et à l'arrière de l'aile en papier.

Votre soufflerie est maintenant prête, reste à placer un ventilateur ou un sèche-cheveux en face de l'aile et à observer son effet : l'aile en papier se soulève doucement !
En augmentant la vitesse de circulation de l'air ( si le ventilateur ou le sèche-cheveux le permettent) , les élèves pourront constater que plus l'air va vite, plus l'aile est entraînée vers le haut. Vous pouvez également modifier la forme de l'aile pour améliorer l'efficacité de ce dispositif.

Qu'en est-il des avions en papier ? Les ailes de l'avion en papier sont planes. Avec un vent de face et des ailes horizontales, les ailes ne sont soumises à aucune force de portance, ce qui n'est plus le cas lorsque l'aile devient légèrement inclinée. Vous pouvez tester cet effet dans la soufflerie en utilisant une feuille plane.

La stabilité de l'avion
Lors de leurs investigations , les élèves ont pu étudier l'influence du centre de gravité sur la stabilité de leur avion. Vous pouvez reprendre cette notion en mettant en place les activités suggérées par Jean Cousteix.

http://www.inrp.fr/lamap/activites/projet/croisiere/avion8.htm

Le lancer de l'avion :
Lancer un avion en papier n'est pas simple :
si on le lance trop doucement, la résistance de l'air est faible et la portance pas suffisante pour le soutenir, l'avion tombe alors, prend de la vitesse et donc de la portance, ce qui a tendance à le reéquilibrer. L'avion peut alors voler correctement.
Si on le lance trop fort, la portance est trop forte , l'avion monte vers le haut ce qui a pour effet de le ralentir, il se met donc à tomber comme lorsqu'on le lance trop doucement. On revient au cas précédent.

Voir également le texte de Jean Cousteix : comment est propulsé un avion ? :
http://www.inrp.fr/lamap/activites/projet/croisiere/avion7.htm

Faire tourner l'avion :

En ajoutant et modifiant des dérives , les élèves ont pu "manoeuvrer" leur avion. Les dérives jouent un peu le rôle de la quille d'un bateau. Lorsqu'elles sont verticales, la pression est négligeable sur la tranche et s'équilibre sur les côtés. Dès que l'avion penche d'un côté, les dérives deviennent inclinées par rapport au mouvement et la résistance de l'air les remet dans la bonne direction.
En inclinant les dérives arrières vers la droite ou vers la gauche, on peut faire tourner volontairement d'un côté l'avion ou corriger sa tendance à tourner à gauche ou à droite.... En les inclinant vers le haut ou vers le bas, on peut redresser ou abaisser le nez de l'appareil.

Voir également le texte de Jean Cousteix : comment est manoeuvré un avion ?

http://www.inrp.fr/lamap/activites/projet/croisiere/avion9.htm