D14 Mesure des forces aérodynamiques

Topique

La force aérodynamique générée par l'aile d'un insecte en vol peut être mesurée directement grâce à une balance de force de haute précision, constituée de jauges de contrainte ou de capteurs piézoélectriques, fixée directement sous l'insecte en vol.

La principale difficulté de cette mesure réside dans le fait que, chez les petits insectes, la force aérodynamique générée par l'aile est du même ordre de grandeur que les forces d'inertie générées par l'accélération de l'aile lors de son mouvement. Par conséquent, la balance enregistre la somme des deux forces ; les séparer nécessite l'application d'une correction inertielle précise avant que la force mesurée puisse être attribuée uniquement à l'aérodynamisme.

Avant que cette correction inertielle soit pertinente, la balance de force elle-même doit être calibrée à l'aide de sa propre matrice d'étalonnage, qui convertit les signaux électriques bruts produits par les capteurs en valeurs réelles de force et de couple pour les six degrés de liberté de mouvement possibles.

Une fois calibrée et corrigée de cette manière, la force aérodynamique totale mesurée par la balance ne permet toujours pas de distinguer la part de portance de celle de traînée. Pour décomposer la portance et la traînée en deux composantes, il est nécessaire de connaître les angles d'orientation relatifs entre la direction de vol de l'insecte et l'axe de mesure. Ces angles sont obtenus indépendamment par l'analyse cinématique 3D du mouvement de l'aile.

Une fois décomposées en portance et traînée, chacune de ces forces peut être normalisée en la divisant par la pression dynamique de l'air. On obtient ainsi deux coefficients sans dimension permettant de comparer les résultats de portance et de traînée entre différentes espèces d'insectes et dans différentes conditions de vol, sans que la taille ou la vitesse de vol de l'insecte ne fausse la comparaison.

En multipliant la force aérodynamique de l'aile par sa vitesse à un instant donné, on obtient la puissance aérodynamique instantanée, c'est-à-dire le travail utile que l'aile effectue sur l'écoulement de l'air à chaque cycle de vol. En comparant cette puissance aérodynamique à la puissance musculaire totale que l'insecte investit pour déplacer l'aile, on peut finalement déterminer l'efficacité aéromécanique de l'ensemble du vol de l'insecte : quelle fraction de l'énergie dépensée par les muscles de l'insecte finit par être convertie en travail utile sur l'air.

ID:2576