la mécanique des fluides
DIVERS
+ DE 2 ANS
Le 02/02/2019 à 11h40
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Question d'origine :
Bonjour,
nous faisons un TPE sur le biomimétisme. Dans une des nos parties, nous parlons des nageoires des baleines à bosses qui ont inspiré des pâles d'éoliennes.
Les tubercules présentes sur les nageoires des baleines à bosses permettent d'améliorer leurs aérodynamismes. Des ingénieurs ont donc recopié ses tubercules sur les pâle d'éoliennes afin de produire plus d'électricité. Cependant ils sont inspirés de d'un animal aquatique. Or les éoliennes sont sur terre donc dans l'air. Notre professeur nous a conseillé de travailler sur la mécanique des fluides.
Notre question est donc: les tubercules ont-elles pu être copiées car les deux fluides sont des fluides newtoniens ou y a t-il une autre raison?
Merci de votre réponse
Réponse du Guichet
gds_et
- Département : Équipe du Guichet du Savoir
Le 05/02/2019 à 08h43
Bonjour,
N’étant que bibliothécaires et non des ingénieurs ou des physiciens, nous sommes bien mal outillés pour apporter une réponse précise à votre interrogation sur les propriétés communes de l’eau et de l’air. Malgré tout nous pouvons au moins confirmer que votre professeur a raison quand il insiste sur le rôle central de la mécanique des fluides dans les travaux de Franck Fish et Philip Watts :
«Un biologiste intrigué
Frank Fish était perplexe. La baleine à bosse est une nageuse émérite qui, malgré ses 40 tonnes, effectue d'habiles manoeuvres pour attraper ses proies et se projeter hors de l'eau dans de spectaculaires sauts. Or, la partie avant de ses nageoires est pleine de petites bosses, appelées tubercules. « D'après ce que je savais de la mécanique des fluides, ça n'avait aucun sens », a dit le biologiste new-yorkais dans une vidéo dévoilée récemment par l'Office européen des brevets. Quand ils conçoivent des ailes d'avion ou des pales d'hélice, les ingénieurs s'assurent en effet de les faire bien lisses pour briser la résistance de l'air ou de l'eau. L'évolution se serait-elle trompée ? Frank Fish ne parvenait pas à y croire.
Un ingénieur à la rescousse
Frank Fish a parlé de ses interrogations à bien des gens au fil des ans, mais personne n'était vraiment intéressé par ses lubies de nageoires de baleine. Il a fini par publier un article scientifique sur ses questionnements. Celui-ci est tombé dans les mains de Philip Watts, un ingénieur américain spécialisé dans les éoliennes. L'homme a tout de suite compris que les observations de Frank Fish étaient importantes. Sur ordinateur, il a fait des simulations de dynamique des fluides et découvert que les tubercules des nageoires permettent à la fois d'augmenter la portance des baleines et de diminuer la résistance à l'eau. Les deux hommes ont décidé d'unir leurs efforts pour transférer ces principes au monde technologique. »
Source : Des pales d'éoliennes inspirées des nageoires de baleine, lapresse.ca
«La nature comme source d'inspiration
Intéressée par la relation entre biologie et technologie, l'équipe formée par Stephen Dewar, Philip Watts et Frank Fish s'est inspirée des bosselures situées sur le bord antérieur des nageoires pectorales des baleines à bosses pour concevoir ses pales de turbine. Malgré un poids d'environ 30 tonnes, ces baleines font preuve d'une agilité surprenante et son capables de point de vitesse de 15 nœuds approchant les 25 km/h. Fasciné par leur efficacité, le biologiste Frank Fish a présumé que celle-ci était due aux protubérances ou tubercules présentes sur leurs nageoires. « Contrairement à d'autres baleines, la baleine à bosse se déplace rapidement pour capturer ses proies. Les tubercules sur ses longues nageoires permettent un meilleur écoulement de l'eau lui offrant ainsi plus de portance et réduisant la trainée », explique Frank Fish.
Après plusieurs calculs confirmant ses observations, Frank Fish a publié un article scientifique qui a retenu l'attention de l'ingénieur aéronautique Philip Watts. Ils se sont alors associés pour étudier plus en détail le phénomène et évaluer de possibles applications pratiques. Outre la découverte que les tubercules amélioraient de manière significative l'hydrodynamisme des nageoires, ils ont constaté que les nageoires de la baleine à bosse avaient un profil spécifique permettant de minimiser les turbulences génératrices de bruit. La nageoire à bord lisse se comportant approximativement comme une aile d'avion, les inventeurs ont supposé que leur découverte pourrait avoir des applications intéressantes en aéronautique et notamment pour les pales des turbines et des hélices.
« Les tests effectués ont tout de suite produit des résultats aux données impressionnantes », souligne Philip Watts. « Il s'agissait ensuite d'appliquer ces résultats au monde réel et de développer de nouveaux concepts. Le nombre d'applications a dépassé ce qu'on pouvait imaginer et continue de nous étonner encore aujourd'hui. »
Entre la phase de conception et les premiers prototypes, Frank Fish et Philip Watts ont établi que l'introduction de bosses inspirées de celles des baleines, arrondies et optimisées, pouvait augmenter la portance maximale d'une pale et réduisait l'angle d'attaque jusqu'à 40 %. Ainsi, une éolienne munie de pales à tubercules s'est révélée être presque 20% plus efficace. »
Source : European Patent Office
Des calculs théoriques aussi bien que des tests pratiques ont été menés afin de transposer le principe des nageoires de baleines à bosses aux pales d’éoliennes, ventilateurs, etc. Malheureusement ces travaux sont publiés en anglais, et ils ne s’adressent pas à des lycéens. Peut-être pourrez-vous compter sur l’aide de votre professeur pour les déchiffrer et y puiser des informations utiles pour votre travail ?
Voici les références que nous trouvons :
- The Tubercles on Humpback Whales' Flippers: Application of Bio-Inspired Technology, Frank E. Fish Paul W. Weber Mark M. Murray Laurens E. Howle, Integrative and Comparative Biology, Volume 51, Issue 1, 1 July 2011, Pages 203–213
- Whale-Inspired Wind Turbines : Mimicking the bumps on humpback-whale fins could lead to more efficient wind turbines, by Tyler Hamilton, March 6, 2008, MIT Technology Review
- How Bumps on Whale Flippers Delay Stall: An Aerodynamic Model, Ernst A. van Nierop, Silas Alben, and Michael P. Brenner, Physical Review Letters 100, 054502 – Published 7 February 2008
Références citées par le JNCC :
- D. S. Miklosovic et al. (2004) Leading-edge tubercles delay stall on humpback whale (Megaptera novaeangliae) flippers. Physics of Fluids 16 doi:10.1063/1.1688341
- Derrick Custodio et al. (2006) Separation Control on a Hydrofoil Using Leading Edge Protuberances. Bulletin of the American Physical Society, 59th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics.
Concernant la mécanique des fluides en général, et les propriétés de l’eau et de l’air en particulier, peut-être trouverez-vous aussi des informations intéressantes dans ces ressources, sachant que celles-ci restent de niveau universitaire :
- L'air et l'eau : alizés, cyclones, Gulf Stream, tsunamis et tant d'autres curiosités naturelles, René Moreau
- Mécanique des fluides, MOOC de physique
- Dynamique des fluides appliquée : applications à l'aérodynamique, Thierry Faure
- Une introduction à la dynamique des fluides : manuel de cours, Michel Rieutord
- Ce que disent les fluides : la science des écoulements en images, Etienne Guyon, Jean-Pierre Hulin et Luc Petit
- Guide de mécanique : statique, cinématique, dynamique, résistance des matériaux, analyse des contraintes, mécanique des fluides Jean-Louis Fanchon
Bonne journée.
N’étant que bibliothécaires et non des ingénieurs ou des physiciens, nous sommes bien mal outillés pour apporter une réponse précise à votre interrogation sur les propriétés communes de l’eau et de l’air. Malgré tout nous pouvons au moins confirmer que votre professeur a raison quand il insiste sur le rôle central de la mécanique des fluides dans les travaux de Franck Fish et Philip Watts :
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Frank Fish était perplexe. La baleine à bosse est une nageuse émérite qui, malgré ses 40 tonnes, effectue d'habiles manoeuvres pour attraper ses proies et se projeter hors de l'eau dans de spectaculaires sauts. Or, la partie avant de ses nageoires est pleine de petites bosses, appelées tubercules. « D'après ce que je savais de la mécanique des fluides, ça n'avait aucun sens », a dit le biologiste new-yorkais dans une vidéo dévoilée récemment par l'Office européen des brevets. Quand ils conçoivent des ailes d'avion ou des pales d'hélice, les ingénieurs s'assurent en effet de les faire bien lisses pour briser la résistance de l'air ou de l'eau. L'évolution se serait-elle trompée ? Frank Fish ne parvenait pas à y croire.
Frank Fish a parlé de ses interrogations à bien des gens au fil des ans, mais personne n'était vraiment intéressé par ses lubies de nageoires de baleine. Il a fini par publier un article scientifique sur ses questionnements. Celui-ci est tombé dans les mains de Philip Watts, un ingénieur américain spécialisé dans les éoliennes. L'homme a tout de suite compris que les observations de Frank Fish étaient importantes. Sur ordinateur, il a fait des simulations de dynamique des fluides et découvert que les tubercules des nageoires permettent à la fois d'augmenter la portance des baleines et de diminuer la résistance à l'eau. Les deux hommes ont décidé d'unir leurs efforts pour transférer ces principes au monde technologique. »
Source : Des pales d'éoliennes inspirées des nageoires de baleine, lapresse.ca
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Intéressée par la relation entre biologie et technologie, l'équipe formée par Stephen Dewar, Philip Watts et Frank Fish s'est inspirée des bosselures situées sur le bord antérieur des nageoires pectorales des baleines à bosses pour concevoir ses pales de turbine. Malgré un poids d'environ 30 tonnes, ces baleines font preuve d'une agilité surprenante et son capables de point de vitesse de 15 nœuds approchant les 25 km/h. Fasciné par leur efficacité, le biologiste Frank Fish a présumé que celle-ci était due aux protubérances ou tubercules présentes sur leurs nageoires. « Contrairement à d'autres baleines, la baleine à bosse se déplace rapidement pour capturer ses proies. Les tubercules sur ses longues nageoires permettent un meilleur écoulement de l'eau lui offrant ainsi plus de portance et réduisant la trainée », explique Frank Fish.
Après plusieurs calculs confirmant ses observations, Frank Fish a publié un article scientifique qui a retenu l'attention de l'ingénieur aéronautique Philip Watts. Ils se sont alors associés pour étudier plus en détail le phénomène et évaluer de possibles applications pratiques. Outre la découverte que les tubercules amélioraient de manière significative l'hydrodynamisme des nageoires, ils ont constaté que les nageoires de la baleine à bosse avaient un profil spécifique permettant de minimiser les turbulences génératrices de bruit. La nageoire à bord lisse se comportant approximativement comme une aile d'avion, les inventeurs ont supposé que leur découverte pourrait avoir des applications intéressantes en aéronautique et notamment pour les pales des turbines et des hélices.
« Les tests effectués ont tout de suite produit des résultats aux données impressionnantes », souligne Philip Watts. « Il s'agissait ensuite d'appliquer ces résultats au monde réel et de développer de nouveaux concepts. Le nombre d'applications a dépassé ce qu'on pouvait imaginer et continue de nous étonner encore aujourd'hui. »
Entre la phase de conception et les premiers prototypes, Frank Fish et Philip Watts ont établi que l'introduction de bosses inspirées de celles des baleines, arrondies et optimisées, pouvait augmenter la portance maximale d'une pale et réduisait l'angle d'attaque jusqu'à 40 %. Ainsi, une éolienne munie de pales à tubercules s'est révélée être presque 20% plus efficace. »
Source : European Patent Office
Des calculs théoriques aussi bien que des tests pratiques ont été menés afin de transposer le principe des nageoires de baleines à bosses aux pales d’éoliennes, ventilateurs, etc. Malheureusement ces travaux sont publiés en anglais, et ils ne s’adressent pas à des lycéens. Peut-être pourrez-vous compter sur l’aide de votre professeur pour les déchiffrer et y puiser des informations utiles pour votre travail ?
Voici les références que nous trouvons :
- The Tubercles on Humpback Whales' Flippers: Application of Bio-Inspired Technology, Frank E. Fish Paul W. Weber Mark M. Murray Laurens E. Howle, Integrative and Comparative Biology, Volume 51, Issue 1, 1 July 2011, Pages 203–213
- Whale-Inspired Wind Turbines : Mimicking the bumps on humpback-whale fins could lead to more efficient wind turbines, by Tyler Hamilton, March 6, 2008, MIT Technology Review
- How Bumps on Whale Flippers Delay Stall: An Aerodynamic Model, Ernst A. van Nierop, Silas Alben, and Michael P. Brenner, Physical Review Letters 100, 054502 – Published 7 February 2008
Références citées par le JNCC :
- D. S. Miklosovic et al. (2004) Leading-edge tubercles delay stall on humpback whale (Megaptera novaeangliae) flippers. Physics of Fluids 16 doi:10.1063/1.1688341
- Derrick Custodio et al. (2006) Separation Control on a Hydrofoil Using Leading Edge Protuberances. Bulletin of the American Physical Society, 59th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics.
Concernant la mécanique des fluides en général, et les propriétés de l’eau et de l’air en particulier, peut-être trouverez-vous aussi des informations intéressantes dans ces ressources, sachant que celles-ci restent de niveau universitaire :
- L'air et l'eau : alizés, cyclones, Gulf Stream, tsunamis et tant d'autres curiosités naturelles, René Moreau
- Mécanique des fluides, MOOC de physique
- Dynamique des fluides appliquée : applications à l'aérodynamique, Thierry Faure
- Une introduction à la dynamique des fluides : manuel de cours, Michel Rieutord
- Ce que disent les fluides : la science des écoulements en images, Etienne Guyon, Jean-Pierre Hulin et Luc Petit
- Guide de mécanique : statique, cinématique, dynamique, résistance des matériaux, analyse des contraintes, mécanique des fluides Jean-Louis Fanchon
Bonne journée.
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