La soufflerie

Grâce à un séchoir à cheveux, et à quelques pendules supportant des disques en carton, on peut montrer que la résistance de l’air qui agit sur un objet augmente avec la surface placée devant la veine d’air.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • un séchoir à cheveux

  • un morceau de carton

  • une baguette de bois, une règle (longueur : 30 cm) ou du fil métallique

  • du ruban adhésif

  • un support de laboratoire

  • éventuellement du polystyrène expansé

  • accessoires : des ciseaux ou un couteau

Montage et réalisation

Fixer une tige de laboratoire horizontalement.

Y accrocher une baguette de bois ou une règle en utilisant du ruban adhésif de telle sorte qu’elle puisse pendre et tourner librement autour d’un axe horizontal passant par la tige de laboratoire (voir la figure).

Découper dans un même morceau de carton des disques circulaires de différents diamètres ainsi qu’un rectangle ayant la même surface que l’un des disques.

Accrocher l’un des disques à l’extrémité inférieure de la baguette.

Diriger le jet d’air d’un séchoir à cheveux sur le disque en gardant le flux d’air perpendiculaire au carton : la baguette de bois s’incline.

L’inclinaison atteinte dépend de la taille du disque : la plus grande inclinaison correspond au disque de diamètre le plus large.

Avec la plupart des séchoirs, on a le choix entre deux puissances pour la soufflerie. Avec une soufflerie plus puissante la baguette de bois atteint une plus grande inclinaison. L’inclinaison est plus grande pour le rectangle que pour le disque de surface égale.

Explications

Un objet plongé dans un fluide de masse volumique ρ en écoulement turbulent à la vitesse v est soumis à une force appelée « traînée », de même sens que l’écoulement, et dont la valeur est :

(A : maître couple ou surface efficace, c’est-à-dire projection de la surface dans la direction perpendiculaire à l’écoulement ;
: coefficient de pénétration dépendant entre autres de la forme et de l’état de surface de l’objet).

Lorsque l’objet accroché à l’extrémité de la baguette de longueur L est soumis au courant d’air du séchoir, la baguette s’incline jusqu’à ce que la somme des moments des forces soit nulle.

Si la masse de l’objet accroché est faible devant la masse m de la baguette et peut donc être négligée, le moment du poids s’écrit

et ne dépend pas de l’objet accroché ( : inclinaison de la baguette par rapport à la verticale ; g : intensité de la pesanteur).

Le moment de la traînée s’écrit FL, car le flux d’air est maintenu perpendiculaire à la baguette.

A l’équilibre, on a donc :

On peut mesurer l’angle d’inclinaison en plaçant le dispositif devant un tableau ou devant une feuille de papier et en repérant la position atteinte sur le tableau. Plus la résistance de l’air F est grande, plus l’inclinaison est grande.

Les inclinaisons atteintes augmentent pour des disques de rayons croissants. On montre ainsi que la résistance de l’air augmente avec la surface efficace A. Comme l’inclinaison est plus grande avec la plus grande puissance de soufflerie, on vérifie que la valeur de F augmente lorsque la vitesse v de l’air augmente. Le coefficient traduit l’influence de la forme de l’objet.

Pour étudier expérimentalement l’influence de la forme de l’objet, on peut modifier le dispositif en remplaçant les disques de carton par des objets en polystyrène expansé ayant tous la même surface efficace A. Il est intéressant de prendre des objets dont la face avant et la face arrière ont des formes différentes et de les accrocher tantôt dans un sens, tantôt dans l’autre.

On peut par exemple réaliser les formes de la figure suivante qui ont des effets différents sur les lignes de courant. C’est la sphère creuse qui subit la plus grande inclinaison, viennent ensuite le disque plan puis la sphère et enfin la forme en goutte d’eau . Le coefficient de pénétration dans l’air pour la sphère vaut .

 

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Une réflexion au sujet de « La soufflerie »

  1. FAURIE

    Bonjour.Les études aérodynamiques concernant les formes en contact avec un flux d’air sont partout consultables et calculables.
    Je suis à la recherche d’éléments ou de formules permettant de calculer le flux d’air après contact avec un déflecteur plan suivant les variables suivantes:
    inclinaison du déflecteur – vitesse du flux – hauteur – distance après le déflecteur – angle à cette distance.
    La visualisation en soufflerie avec brin de laine a été faite mais le calcul existe-t-il? ou une approximation?
    Merci d’apporter réponse à mon ignorance.
    Denys

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