EXPÉRIENCES SUR LE VOL MÉCANIQUE

par Victor TATIN.

Nous essayerons d'imiter la nature et nous ver nuis, une l'ois de plus, que c'est en s'inspirant d'elle qu'on a le plus de chance de résoudre les problèmes qu'elle a résolus.

Marey. — La Machine animale'.— Introduction.

Avant d'exposer les résultats des expériences que j'ai faites dans son laboratoire, M. Marey me prie de raconter sommairement les recherches que j'avais entreprises depuis l'année 187-4. Il tient à montrer un expérimentateur aux prises avec des difficultés sans cesse renaissantes, et pense que, de cette façon, on suit mieux l'idée générale qui a présidé à la recherche. Je me conformerai à ce plan et passerai en revue les. expériences que j'ai tentées pendant ces trois dernières années.

Année 1874. — J'avais toujours regardé la solution du problème du vol mécanique comme une utopie, mais j'appris avec intérêt que plusieurs expérimentateurs étaient arrivés à quelques résultats, sinon tout à fait satisfaisants, au moins encourageants. Après avoir entendu souvent parler de ces expériences, je pensai qu'en essayant des recherches sur ce sujet j'obtiendrais peut-être aussi quelque succès.

Je me mis alors à construire moi-même un oiseau mécanique en mettant à profit l'emploi du ressort de caoutchouc tendu par torsion et déjà employé par MM. Penaud et Hureau de Villeneuve pour le même objet (1).

(1) Mon appareil est très-petit et se compose d'un bâti en bois à l'uvanl duquel est placée une petite machine destinée à transformer le mouvement circulaire du ressort en deux mouvements latéraux de va-et-vient.

A cet effet, une manivelle reçoit l'efforl du caoutchouc et commande une

Les essais faits au moyen de cet oiseau ont été très-satisfaisants ; il prenait son vol sans aucune impulsion au départ et parcourait à peu près 15 à 20 mètres.

Malheureusement, ces petits appareils sont peu propres à faire des expériences concluantes à cause de leur petitesse et partant de l'impossibilité de saisir leurs mouvements et surtout de chiffrer leur dépense de force. Le caoutchouc se prête du reste difficilement à ces mesures, à cause de la grande inconstance de son rendement.

Jusque-là, je m'étais peu occupé du parti qu'on pouvait tirer de mes expériences et je pensais à en rester là, mais quelques personnes, des plus avancées en aviation, ayant vu fonctionner mon petit appareil, m'engagèrent vivement à continuer ces expériences, qui leur semblaient avoir déjà réalisé un progrès notable sur ce qui avait été fait précédemment. C'est à cette époque que j'eus connaissance des travaux de M. Marey sur cette intéressante question ; ils me parurent très-clairs et m'ouvrirent des vues nouvelles me donnant un vif désir de faire, moi aussi, des recherches sur ce sujet.

Une des premières idées que je cherchai à vérifier fut la suivante : Il me semblait que l'oiseau, en abaissant ses ailes, n'utilise pas d'une façon complète la force qu'il dépense; que peut-être un effet de force centrifuge rejetait en dehors une partie de l'air frappé, sans profit pour la sustension.

bielle articulée sur un guide glissant entre deux colonnes; ce guide transmet son mouvement d'élévation et d'abaissement a. deux petits humérus d'acier mobiles autour d'un axe horizontal commun, au moyen de deux petites bielles. A l'arrière du bâti se trouve un crochet à cliquet qui permet de remonter le ressort sans aucun mouvement de la machine. Les ailes sont faites d'une côte de plume ébarbée et repliée en forme de raquette ; le voile de l'aile est en baudruche. Cette matière légère et solide me paraît devoir être utilisée de préférence aux papiers ou étoffes que l'on avait employés jusque-là. Ces ailes sont montées sur l'appareil au moyen d'un petit tube métallique fixé à la partie forte de la plume et dans lequel pénètre l'humérus d'acier qui est cylindrique, ce qui permet un mouvement de rotation du voile autour de l'axe de l'humérus et facilite ainsi les changements d'inclinaison du plan. Un fil partant de la nervure principale de l'aile, passant par-dessus le voile et fixé à l'arrière, accompagne l'aile dans son mouvement et en maintient le plan voisin de l'horizontale pendant l'abaissée ; le voile est tout à fait libre pendant la remontée. Une plume de queue de paon, coupée près de l'œil, est placée à l'arrière et sert de queue. Le tout pèse 5sr,15 dans lesquels sont compris lsr,50 de ressort; l'envergure est de O"1,^.

Pour vérifier cette supposition, je construisis un appareil dans lequel deux ailes placées sur le prolongement d'une même tige pourraient s'élever et s'abaisser au-dessus du corps, en n'ayant qu'un mouvement de rotation autour de l'axe de la nervure principale , afin de pouvoir opérer les changements de plan (1). Cet appareil ne donna pas de bons résultats.

Revenant alors à mon premier type d'oiseau artificiel, je voulus me rendre compte d'un point intéressant : savoir si les bons résultats obtenus avec un petit appareil peuvent aussi être obtenus avec un grand. Je construisis, à cet effet, un oiseau dont les dimensions linéaires étaient doubles environ de celles du premier, me proposant de réaliser après celui-là d'autres appareils de plus en plus grands. Je voulais, en même temps, m' assurer s'il n'y avait pas avantage à diminuer le plus possible l'amplitude des battements, afin d'éviter l'effet de force centrifuge dont j'ai parlé plus haut, si, toutefois, cet effet se produit à un degré nuisible clans le vol des oiseaux.

Pour diminuer l'amplitude, je donnai un peu plus de longueur relative au bras de levier de la puissance et crus pouvoir employer une surface alaire plus grande; au lieu de 0m,48 qu'il devait avoir, je donnai au nouvel oiseau 0rn,75 d'enver-gure. J'échouai complètement dans cette tentative; l'inertie de l'aile paraissait en alourdir les mouvements, et je fus obligé, pour faire voler l'appareil, de réduire l'envergure à 0m,55. J'avais utilisé un système de machine déjà employé avant moi par M. Penaud, et qui a l'avantage de pouvoir être construit assez rapidement, mais qui donne des battements un peu inégaux. Je n'ai pu obtenir, avec cet appareil, que des résultats médiocres, quoique j'aie installé mes ailes de la même

(1) Je construisis à cet effet une machine au moyen de laquelle les deux ailes, réunies en une seule, pouvaient s'élever et s'abaisser ensemble tout en conservant l'horizontalité de leur grande nervure. Je nomme cet appareil : oiseau à une seule aile. Il n'a donné aucun résultat qui mérite d'être relaté, quoique j'en aie changé plusieurs fois l'aile et modifié quelques dispositions secondaires. Je pense, cependant, qu'il sera bon de ne pas l'oublier complètement. Il me semble qu'il y a là un bon principe, et peut-élre y reviendronsnous.

façon que dans mon premier essai. Je n'obtins qu'une. douzaine de mètres environ de translation dans les meilleures expériences. Aussi abandonnai-je la construction de ces petits mécanismes, pour entreprendre immédiatement celle d'un appareil qui me semblait plus important : un oiseau mécanique portant en lui un générateur de travail.

Année 1875. — Dans les appareils construits l'année précédente, la force dépensée m'avait paru être de 3 kilogrammètres environ par seconde et par kilogramme d'appareil. En supposant exacte cette donnée, qui en vérité n'est qu'approximative, je fis le plan d'un grand oiseau qui devait peser un kilogramme, et qui serait mù par une petite machine à vapeur. Je construisis, à cet effet, une petite chaudière au moyen de cinq tubes en acier (1).

(Il Ces tubes sans assemblage sont disposés verticalement les uns devant les autres comme des quilles alignées ; le tube du milieu, plus haut que les autres, servait de dôme ; les bouts des tubes étaient foncés d'une rondelle en acier sertie; ils étaient reliés entre eux par deux tubes horizontaux de plus petit diamètre et qui traversaient le tout, en haut et en bas. Une soupape de sûreté avec levier et ressort était au centre du dôme, et près d'elle se trouvait la prise de vapeur.

Cette chaudière était enfermée dans une enveloppe de tôle, à une distance convenable pour permettre la circulation des flammes et des gaz chauds. En avant se trouvait le foyer et en arrière une cheminée en mica.

J'éprouvai alors cette chaudière et, la trouvant suffisamment résistante, je m'occupai de la construction du reste de l'appareil.

La machine se compose d'un cylindre à simple effet, en acier, dans lequel se meut 'verticalement un piston fixé par sa tige à un guide sur lequel sont articulées à droite et à gauche deux pièces d'acier qui seront les humérus de l'oiseau. Sous chacun d'eux s'articule une bielle dont l'autre extrémité est reliée à un bâti placé sous le cylindre. Au-devant de cet ensemble est placé un petit manomètre indicateur de la pression dans la chaudière et pouvant indiquer jusqu'à 30 kilogrammes. Derrière le cylindre se trouve la distribution qui consiste en un robinet à trois voies ; la vapeur peut ainsi arriver sur le piston et produire l'abaissée des ailes. A la fin de chaque course, le robinet est tourné de 90 degrés par une tige mise en mouvement par le guide, et la vapeur qui vient de travailler peut ainsi s'échapper pendant le mouvement inverse du piston qui s'opère aussitôt que le robinet a changé de position sous la commande de la tige disposée à cet effet.

La vapeur ne devant agir que d'un seul côté du piston, le cylindre est ouvert par en haut, et la relevée des ailes se fait au moyen d'un ressort placé au-dessus de la machine.

Ce ressort est en caoutchouc; il est fixé en haut à un petit matereau et en bas à l'extrémité extérieure de l'humérus ; il est tendu par chaque abaissée

Le chauffage de la machine présenta de grandes difficultés : j'ai dû essayer successivement toutes sortes de combustibles, tels que : bois résineux, charbon de bois ou coke imbibés de liquides inflammables, mèches de coton également imbibées et jusqu'à une lampe à alcool à deux becs. C'est avec l'essence minérale et surtout "avec l'éther que j'ai obtenu les moins mauvais résultats.

La surface du piston et sa course étant calculées de telle façon qu'une révolution complète des ailes correspondît à un kilogrammètre par dizaine de kilogr. de pression, je comptais donner un battement et demi par seconde à 20 kilogr. de pression, ce qui représentait les 3 kilogrammêtres que j'avais jugés nécessaires.

Après bien des essais, bien des modifications plus ou moins importantes, je n'eus à constater qu'un échec complet. Je n'ai jamais pu faire produire à ma machine qu'un kilogrammètre et demi à peine.

Une plus grande production de vapeur au moyen d'une chaudière dont la surface de chauffe serait plus considérable me donnerait certainement plus de force, mais en augmentant le poids de l'appareil, de sorte que je serais toujours dans d'aussi mauvaises conditions.

J'avoue .que cet échec me refroidit un peu; ma positionne me permettant pas de me livrer à ces études autant que je le désirais, je suspendis ces travaux. Mais je ne pus m'empècher de songer à différentes combinaisons mécaniques grâce auxquelles la machine me semblait devoir voler. Ce fut bientôt une véritable obsession. « Il faut que cette machine vole, » me disais-je, et, prêt à de nouveaux sacrifices, je me remis à l'œuvre. C'était au mois de mars, et j'étais bien.loin de croire que, quinze mois, plus tard, après avoir surmonté bien

des ailes et produit la relevée en revenant sur lui-même, à la fin de chaque course ascendante du piston qu'il fait ainsi redescendre. Les ailes se composent d'une nervure principale en roseau et d'un voile formé d'une étoffe de coton très-légère maintenue tendue, dans le sens de sa largeur, par des côtes en bois léger. Une queue de même étoffe que les ailes est placée à l'arrière.

J'ai disposé dans cet appareil un ressort sous chaque aile afin de rappeler toujours en avant la face inférieure du voile cl pour produire , pendant la rrmonlée de l'aile, cet effet de cerf-volant qui a été souvent signale déjà.

des difficultés, je n'aurais pas encore atteint le but désiré.

Il me sembla que, pour alléger la machine, il y avait avantage à remplacer la vapeur d'eau par un gaz comprimé. Je rejetai l'emploi de l'acide carbonique et Celui de l'hydrogène, redoutant, dans le premier cas, l'entraînement de vapeurs acides qui eussent altéré les organes de la machine, dans le second, une complication et une cherté excessives du mécanisme à établir. Je m'arrêtai à l'emploi de l'air comprimé, non pas que je prétende que ce système de moteur doive être adopté pour une grande machine, mais il me semble préférable, sous bien des rapports, pour des essais en petit.

La chaudière est donc supprimée et remplacée par un récipient en tôle d'acier de même poids, je la raccorde à ma machine et je me sers du même manomètre qui existait dans ma machine à vapeur. Au-devant du récipient qui est cylindrique, avec fonds bombés, se trouve une soupape s'ouvrant de dehors en dedans et pouvant recevoir le tube qui amène l'air. Une pompe dont je dois le modèle à la complaisance de M. Paul Giffard me sert à refouler l'air clans le récipient jusqu'à 30 kilogr. de pression au besoin (1).

Comptant alors être dans les meilleures conditions possibles, je transportai le tout à la campagne, où je me proposais de faire voler mon oiseau en plein air. Espoir déçu : la machine ne vole pas ; elle va tomber assez lourdement à quelques mètres.

Cependant je modifiais toujours quelque détail: entre autres, je dois signaler la substitution de la soie au coton que j'avais employé dans la construction des ailes; je gagnais ainsi quelques grammes, ce que je considère comme important, vu l'inconvénient qui doit résulter de l'inertie d'une aile trop lourde. Je renouvelai souvent les mêmes expériences, et à chaque fois, l'appareil en tombant se brisait quelque pièce; il me fallait, chaque jour, faire à Paris des réparations dans la journée, et à la campagne, le soir, des expériences presque désespérantes. Enfin je vois arriver la mauvaise saison sans avoir obtenu encore de résultats satisfaisants.

(1) Pour ma sécurité, j'ai fait soumettre préalablement le récipient à 70 kilogr. de pression ; il a résisté à cet essai.

Je trouve cependant à Paris un hangar à fourrages qui est assez gracieusement mis à ma disposition et je puis encore faire quelques essais. Enfin, après avoir changé plusieurs fois la forme et la grandeur des ailes,, après avoir fait fonctionner mon appareil à des pressions diverses, lui avoir fait dépenser jusqu'à 7 ou 8 kilogrammetr.es par seconde, je conclus que quelque grossière défectuosité doit m'échapper, le meilleur résultat m'ayant donné à peine 10 mètres de chute oblique.

M. Marey, au courant de mes essais, mit alors à ma disposition son laboratoire, ses appareils enregistreurs et enfin ses profondes connaissances sur tout ce qui touche ta la question du vol et à la fonction des divers organes des oiseaux. J'acceptai avec un grand plaisir: j'allais avoir sous les yeux les intéressants graphiques obtenus avec des oiseaux vivants; je pourrais les comparer à ceux que j'obtiendrais avec mon appareil.

« Certainement, me disais-je, on doit trouver le défaut des appareils mécaniques, » et je ne doutais pas d'arriver enfin au résultat depuis si longtemps poursuivi.

Année 1876. — Expériences faites dans le Laboratoire de physiologie de M. Marey (Collège de France).

Mon premier soin fut d'installer au centre du laboratoire un manège du plus grand rayon possible. J'employai à cet effet un lourd pied fixe, déjà disposé pour un usage analogue, et sur lequel peut s'adapter une grande pièce centrale s' embrochant sur un arbre vertical autour duquel elle peut tourner en portant, sur une plate-forme, un cylindre à enregistrer et des tambours à levier.

Je fis alors un long bras se terminant à son extrémité libre par une sorte de grande fourche dont les deux dents étaient solidement reliées entre elles, à leur pointe, par une traverse sur laquelle on peut fixer l'appareil volant au moyen d'une courroie de cuir; cette disposition permet à l'aile qui est tournée vers le centre du manège de s'élever et de s'abaisser au-dessus et au-dessous de l'horizon sans rien heurter. Ce bras est mobile, dans le sens vertical, autour d'un axe placé sur la pièce centrale du manège, ce qui permet de le descendre jusqu'à terre en cas de besoin; il petit aussi cire

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élevé à une hauteur variable selon la nécessité, au moyen d'un cordage passant sur une poulie à émérillon suspendue au plafond, au centre de la salle. L'ensemble de cet appareil étant ainsi disposé, on descend l'oiseau, on -le met sous pression, puis, après l'avoir remonté à une hauteur convenable, on ouvre le robinet d'admission. Aussitôt la machine est en mouvement.

La puissance du vol est suffisante pour entraîner le manège, qui cependant est très-lourd, et l'oiseau fait ainsi dix à onze tours dans la salle. On peut alors observer à loisir les mouvements de la machine. Le manège a environ 20 mètres de circonférence, ce qui donne, pour le parcours effectué, une longueur d'au moins 200 mètres. Plusieurs expériences ont été faites ainsi, chaque jour apportant quelque modification nouvelle.

Fig. 34. — Courbes des mouvements d'élévation et d'abaissement de l'aile.

1. Courbe recueillie sur le pigeon par M. Marey. - ± Courbe d'un oiseau mécanique à ressort de caoutcliouc.

3. Courbes des mouvements de l'aile de l'appareil mécanique à air comprimé.

On remarque l'analogie de celte dernière avec celle obtenue sur la nature.

J'appliquai les appareils enregistreurs pour déterminer les

mouvements de l'aile de l'oiseau mécanique et je vis (fig. 34) que les mouvements de mon appareil ont beaucoup d'analogie avec ceux de l'oiseau naturel. Ces expériences ne révèlent aucun défaut qui explique pourquoi l'appareil ne peut voler lorsqu'il est libre.

Une considération m'a frappé déjà l'année dernière et me revient alors à l'esprit. Il est bien reconnu aujourd'hui que l'oiseau ne trouve à employer utilement la force qu'il déploie qu'autant qu'il agit sur des couches d'air sans cesse nouvelles, c'est-à-dire que, plus il a de vitesse, plus l'air offre de résistance sous son aile, et, par conséquent, plus le point d'appui est solide.

Or, je me souvins que cette vitesse si nécessaire manquait précisément à mon appareil, chaque fois que je le làchais en plein air, de sorte que sa course ne répondait pas au nombre des battements. « C'est à cela que tiennent tous mes échecs. Que j'obtienne la translation rapide et j'aurai le succès! » Mais comment obtenir cette rapidité de translation?

Je repassai dans mon esprit les travaux de M. Marey, ceux de Wenham, que je ne connais pas complètement, puis l'idée si intéressante de Henson qui entraîne, au moyen d'hélices, un cerf- volant très-large et très-court ou aéroplane. Cet ingénieur n'a cherché qu'à donner la vitesse à son appareil; quand celle-ci est suffisante, la sustension doit s'en suivre passivement. Henson a échoué, il est vrai, mais le point de départ de ses expériences était bon ; son idée a été reprise en France, depuis quelques années, et les expériences sur l'aéroplane sont conduites avec une habileté qui nous permet d'espérer un succès. Mais je ne pouvais me décider à m' écarter du plan de la nature et à munir mon appareil ailé d'un propulseur à hélice. C'est ailleurs qu'il fallait chercher le moyen d'augmenter la vitesse de translation de l'appareil.

Je crus enfin avoir trouvé le moyen d'obtenir cette vitesse horizontale. En faisant des expériences avec ces petits appareils planeurs, aujourd'hui bien connus, et faits d'une feuille de papier découpée en forme d'oiseau ou de toute autre forme et [esteeâu moyen d'une épingle ou d'un peu de cire, oncoiistate que ces appareils peuvent avoir une vitesse de translation toute passive cl qui ralentisse considérablement lcurchule ; il suffit,

pour cela, de placer le lest en avant du centre de sustension sur l'air. Si on place le lest trop en avant, il devient nécessaire de retrousser légèrement la queue, mais la vitesse de translation augmente ; cette vitesse est nulle, au contraire, si le centre de gravité est le même que le centre de sustension : dans ces conditions, la chute est plus rapide.

Je pensai alors à construire un petit appareil d'essai pour m'assurer du parti qu'on peut tirer de ces positions variées du centre de gravité. J'examinai aussi quelques oiseaux et je constatai que, s'il est vrai que l'articulation scapulo-humérale soit placée en avant du corps, il est bon de tenir compte de la largeur du voile emplumé, et l'on peut voir alors que le centre de sustension est , chez tous les oiseaux (ceux que j'ai pu observer du moins), placé sensiblement en arrière du centre de gravité.

C'estlà, medisais-je, qu'est le nœud de la question. Le vol de l'oiseau se compose d'un seul mouvement commandé : celui de l'aile clans le sens vertical ; c'est sans doute le seul acte que l'oiseau puisse faire volontairement, le reste est passif; l'inclinaison plus ou moins grande du plan de l'aile par rapport à l'horizon est due à la puissance avec laquelle l'oiseau abaisse ses ailes ; les plumes, flexibles elles-mêmes, sont implantées de façon à laisser fléchir leurs gaines par l'élasticité du tissu dont elles sont formées ; cette souplesse de l'organe est plus ou moins grande aux points où il doit plus ou moins fléchir. L'oiseau qui veut voler vite agite vigoureusement ses ailes; sa translation et sa sustension augmentent ensemble: c'est ce qui doit arriver lorsque l'oiseau est effrayé et qu'il veut fuir, ou encore au moment du départ, quand la vitesse normale n'est pas encore acquise ; mais en plein vol, il suffit sans doute à l'oiseau d'un effort bien faible pour se soutenir, puisqu'il n'a pas à ramer dans l'air pour acquérir sa vitesse; les couches d'air inertes se présentent d'elles-mêmes sous ses ailes, et il peut s'y appuyer presque comme sur un solide. La relevée même de l'aile est peut-être passive ; en effet, puisque le voile de l'aile arrivée en bas de la course a sa face inférieure tournée en avant, on comprend aisément que la vitesse acquise de l'oiseau puisse alors, dans une certaine mesure, faire remonter l'aile. Quant aux mouvements

de l'aile d'avant en arrière, je démontre encore qu'il est aussi tout à fait passif.

M. Marey a obtenu, avec divers oiseaux, la trajectoire de la pointe d'aile, sous forme d'une courbe elliptique dont le grand axe est oblique de haut en bas et d'arrière en avant. J'ai construit un appareil clans lequel les humérus sont formés d'une lamelle d'acier, flexible clans le sens horizontal ; cet appareil ne vole pas, mais lorsqu'on fait battre ses ailes sous l'action d'un ressort, on distingue parfaitement à FceiJ la ligure décrite par la pointe de l'aile ; cette ligure est une ellipse dont le grand axe présente à peu près la môme inclinaison que clans la figure obtenue par M. Marey. Le petit axe est plus court : cela tient évidemment à ce que, clans l'oiseau vivant, le dessous du voile est toujours tourné en avant pendant la remontée, ce qui, par suite de la translation, rejette l'ensemble de l'aile plus en arrière ; tandis que clans mon appareil l'aile remontait librement, en s'effaçant derrière sa grande nervure. C'est donc à cause de la pression de l'air sous l'aile que celle-ci est projetée en avant pendant l'abaissée et en arrière pendant la remontée, par conséquent je considère ce mouvement comme passif. M. Marey avait déjà exprimé l'opinion que ces divers mouvements devaient être passifs, et je suis heureux aujourd'hui de voir mes expériences corroborer les opinions de ce physiologiste.

L'oiseau paraît aussi pouvoir, pendant le vol, accélérer sa vitesse en repliant un peu en arrière la main de l'aile pendant la remontée, ce qui reporte un peu plus en arrière le centre de sustension : la vitesse de translation augmente alors pour la mènie raison que clans le petit planeur en papier dont j'ai parlé plus haut. Pendant le plein vol, l'oiseau doit donc regagner, par les réactions verticales de son corps, la chute qu'il ferait s'il se laissait aller en planant seulement. C'est en m'appuyaiil sur ces diverses considérations que j'ai construit un appareil (I) représenté figure 35.

(1) Un petit bâti en bois léger est destiné à maintenir les deux extrémités du ressort, qui est toujours formé d'un ou plusieurs fils de caoutchouc tordus sur eux-mêmes. A l'avant se trouve un arbre coude et contre-coudé de façon ii faire deux manivelles en vitlebrequin à il) degrés l'une de l'autre ; éetle qui es! le plus en avant actionne doux bielles qui commandent chacune un humé-