Le tunnel climatique de Vienne permet aux ingénieurs d'exposer les sujets de test à des températures extrêmes. C'est l'un des seuls tunnels au monde à pouvoir accueillir des wagons pleine grandeur. Avec l'aimable autorisation de RTA L'humanité a toujours envié les oiseaux. Nous pourrions passer sur la partie vermifuge, mais leur maîtrise du vol a contribué à susciter nos envies de monter dans les cieux. À des degrés divers, les gens ont réalisé le rêve de voler. Mais 727s, missiles, navettes spatiales, voitures de course ultra-rapides, hors-bord, les vélos de course et même les types de puces informatiques n'auraient peut-être jamais été réalisés sans un développement technologique connexe - la soufflerie.
Souffleries sont utilisés par les ingénieurs pour tester l'aérodynamique de nombreux objets, des ailes de jet aux pare-brise de voiture. Aérodynamique en tant que science étudie le flux d'air ou de gaz autour d'un objet en mouvement. Avec une meilleure compréhension de la façon dont l'air se déplace autour (ou à travers) les objets, les fabricants peuvent concevoir et créer plus rapidement, plus sûr, des produits de toutes sortes plus fiables et plus efficaces.
De se balancer, brises instables aux souffles de force d'ouragan, Le vent de la Terre Mère est une condition notoirement inconstante, Et ainsi, à peu près sans valeur pour les tests aérodynamiques. Souffleries, d'autre part, fournir un environnement contrôlé pour ce type de test.
Les souffleries sont simplement des tubes creux; d'un bout, ils ont des ventilateurs puissants qui créent un flux d'air à l'intérieur du tunnel. Certains tunnels sont de la taille d'un bureau et ne permettent de tester que de très petits objets. D'autres tunnels sont des structures massives dans lesquelles les ingénieurs testent des avions et des voitures grandeur nature. Bien que les matériaux d'essai restent (généralement) stationnaires, le flux d'air rapide à l'intérieur du tunnel donne l'impression que les objets bougent.
Typiquement, il existe des capteurs et des instruments à l'intérieur des souffleries qui fournissent aux scientifiques des données précises concernant l'interaction d'un objet avec le vent. Et souvent, il y a des fenêtres qui permettent à ces mêmes scientifiques d'observer visuellement les expériences. Avec ces données et observations, les ingénieurs sont aux prises avec des variables aérodynamiques telles que la pression, rapidité, température et densité. Ils jaugent la portance, glisser, les ondes de choc et d'autres conditions qui affectent les avions et autres engins qui accélèrent à travers le vent. En outre, ces tunnels peuvent aider les ingénieurs à comprendre comment le vent interagit avec les objets fixes, comme les bâtiments et les ponts, et trouver des moyens de les rendre plus forts et plus sûrs.
En bref, beaucoup de nos merveilles modernes sont plus avancées grâce aux souffleries. Mais c'est le rêve du vol qui a d'abord donné le souffle à ces machines venteuses. Prochain, vous lirez comment les souffleries sont arrivées sur les lieux et comment elles fonctionnent exactement. Obtenez d'abord une prise à double poing sur votre chapeau, bien que, car c'est un sujet qui pourrait vous épater.
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Les premiers modèles d'avions et de planeurs présentaient de nombreuses caractéristiques ressemblant à des oiseaux. Les souffleries ont prouvé que bon nombre de ces idées étaient plutôt insensées. Stringer/Archives Hulton/Getty Images Dans l'espoir d'emmener les humains au ciel, les premiers ingénieurs de vol ont essayé de suivre l'exemple des oiseaux. Léonard de Vinci, par exemple, a esquissé un soi-disant « ornithoptère » en 1485. Pourtant, nos amis ailés se sont avérés peu utiles lorsqu'il s'agissait de révéler les secrets du vol. De nombreux inventeurs ont fabriqué des machines inspirées des oiseaux, seulement pour les regarder s'effondrer impuissants dans la saleté.
Il est devenu clair que pour que les humains volent, ils avaient besoin d'une meilleure compréhension de l'interaction entre les ailes et les vents. Donc, ces débutants amateurs de vol sont allés à la recherche de sommets, vallées et grottes aux puissantes, vents assez prévisibles. Mais les vents naturels n'ont pas fourni le débit constant qui pourrait offrir un retour d'information utile sur la conception - des vents artificiels étaient nécessaires.
Entrez dans les bras tourbillonnants. En 1746, Benjamin Robins, un mathématicien et scientifique anglais, attaché un bras horizontal à un poteau vertical, qu'il a fait tourner, envoyer le bras tourner en rond. Au bout du bras, il a apposé une variété d'objets et les a soumis aux forces de sa centrifugeuse artisanale. Ses tests ont immédiatement confirmé que la forme des choses avait un effet énorme sur la résistance de l'air (également connue sous le nom de glisser, un élément de force aérodynamique).
D'autres expérimentateurs, comme Sir George Cayley, bientôt construit des bras tourbillonnants. Cayley, en particulier, testé profil aérodynamique formes, qui ressemblait beaucoup à une coupe transversale d'une aile d'avion, étudier les principes de la traînée et ascenseur . La portance est un élément de force qui se déplace perpendiculairement à la direction du mouvement d'un objet.
Le bras rotatif a eu un effet secondaire grave, cependant, en ce qu'il hachait l'air pendant qu'il tournait, créant essentiellement des turbulences infernales qui ont eu un impact considérable sur tous les résultats et observations. Mais le bras a entraîné une percée monumentale :les ingénieurs ont commencé à se rendre compte qu'en propulsant rapidement un objet dans les airs, ils pourraient développer une portance. Cela signifiait qu'il n'était pas nécessaire de construire des ailes battantes pour voler. Au lieu, les humains avaient besoin de suffisamment de puissance et du bon type de construction d'aile. Les scientifiques avaient besoin de meilleurs outils d'investigation pour résoudre ces questions importantes. Les souffleries étaient la réponse.
Sur la page suivante, vous découvrirez comment les bras tournants ont évolué en souffleries -- et vous verrez comment ces tunnels ont joué un rôle déterminant dans l'une des plus grandes réalisations technologiques de l'histoire de l'humanité.
La soufflerie construite par les frères Wright a contribué à changer le cours de l'histoire technologique humaine. Stringer/Archives Hulton/Getty Images Parce que des bras tourbillonnants ont coupé l'air et créé un sillage qui a invalidé de nombreuses expériences, les scientifiques avaient besoin de plus de calme, vents artificiels. Frank H. Wenham, un Anglais actif auprès de l'Aeronautical Society of Great Britain, convaincu l'association de participer au financement de la construction de la première soufflerie, qui a débuté en 1871.
Le tunnel de Wenham mesurait 12 pieds (3,7 mètres) de long et 18 pouces (45,7 centimètres) de côté. Il a produit des vents de 40 milles à l'heure (64 kilomètres à l'heure), grâce à un ventilateur à vapeur au bout du tunnel. Dans son tunnel, Wenham a testé les effets de la portance et de la traînée sur des profils aérodynamiques de différentes formes. Alors qu'il bougeait le bord avant (appelé le bord d'attaque ) de la voilure en haut et en bas, changer ce qu'on appelle le angle d'attaque, il a constaté que certaines formes entraînaient une meilleure portance que prévu. Le vol propulsé par l'homme semblait soudain plus possible que jamais.
Pourtant, la conception approximative du tunnel a créé des vents trop instables pour des résultats de test cohérents. De meilleurs tunnels étaient nécessaires pour des tests systématiques et des résultats fiables. En 1894, L'Anglais Horatio Philips a substitué un système d'injection de vapeur pour les ventilateurs, résultant en plus stable, flux d'air moins turbulent.
De l'autre côté de l'océan Atlantique, en Ohio, Les frères Wright, Orville et Wilbur, suivaient les développements des études aérodynamiques et évoquaient des idées pour la conception de planeurs. Mais les tests en conditions réelles de leurs modèles s'avéraient trop longs; il ne leur a pas non plus fourni suffisamment de données pour améliorer leurs plans.
Ils savaient qu'ils avaient besoin d'une soufflerie. Donc, après un peu de bricolage, ils ont construit un tunnel avec une section d'essai de 16 pouces (40,6 centimètres). Ils ont expérimenté environ 200 types de formes d'ailes différentes en attachant des profils aérodynamiques à deux équilibres - un pour la traînée, et un pour l'ascenseur. Les balances ont converti les performances du profil aérodynamique en action mécanique mesurable que les frères ont utilisée pour effectuer leurs calculs.
Lentement, ils ont travaillé pour trouver la bonne combinaison de traînée et de portance. Ils ont commencé à réaliser que étroit, les ailes longues ont entraîné beaucoup plus de portance que les ailes courtes, ailes épaisses, et en 1903, leurs essais méticuleux en soufflerie ont porté leurs fruits. Les frères Wright ont volé le premier habité, avion propulsé à Kill Devil Hills, N.C. Une nouvelle ère d'innovation technologique avait commencé, en grande partie grâce aux souffleries.
Prochain, vous verrez exactement comment les souffleries opèrent leur magie invisible et aident l'humanité à entrer dans une nouvelle ère technologique.
Voici un schéma pratique pour vous aider à visualiser les éléments constitutifs d'une soufflerie. CommentStuffWorks Les premières souffleries n'étaient que des conduits avec des ventilateurs à une extrémité. Ces tunnels sont agités, air irrégulier, les ingénieurs ont donc constamment travaillé pour améliorer la circulation de l'air en ajustant la disposition des tunnels. Les tunnels modernes offrent un flux d'air beaucoup plus fluide grâce à une conception fondamentale qui intègre cinq sections de base :la chambre de décantation, cône de contraction, section d'essai, diffuseur et section d'entraînement.
L'air est un tourbillon, désordre chaotique à l'entrée du tunnel. Les chambre de décantation fait exactement ce que son nom l'indique :il aide à stabiliser et à redresser l'air, souvent grâce à l'utilisation de panneaux avec des trous en forme de nid d'abeilles ou même d'un tamis à mailles. L'air est alors immédiatement forcé à travers le cône de contraction , un espace restreint qui augmente considérablement la vitesse du flux d'air.
Les ingénieurs placent leurs modèles réduits dans le section d'essai , c'est là que les capteurs enregistrent les données et que les scientifiques font des observations visuelles. L'air s'écoule ensuite dans le diffuseur , qui a une forme conique qui s'élargit, Et ainsi, ralentit en douceur la vitesse de l'air sans provoquer de turbulence dans la section d'essai.
Les section d'entraînement abrite le ventilateur axial qui crée un flux d'air à grande vitesse. Ce ventilateur est toujours placé en aval de la section d'essai, au bout du tunnel, plutôt qu'à l'entrée. Cette configuration permet au ventilateur de tirer l'air dans un flux régulier au lieu de le pousser, ce qui se traduirait par un flux d'air beaucoup plus agité.
La plupart des souffleries sont juste longues, boîtes droites, ou circuit ouvert tunnels (à retour ouvert). Cependant, certains sont intégrés fermé circuits (ou retour fermé), qui sont essentiellement des ovales qui envoient l'air autour et autour du même chemin, comme une piste de course, en utilisant des aubes et des panneaux en nid d'abeille pour guider et diriger avec précision le flux.
Les parois du tunnel sont extrêmement lisses car toute imperfection pourrait agir comme un ralentisseur et provoquer des turbulences. La plupart des souffleries sont également de taille moyenne et suffisamment petites pour tenir dans un laboratoire scientifique universitaire, ce qui signifie que les objets de test doivent être réduits pour s'adapter au tunnel. Ces modèles réduits pourraient être des avions entiers en miniature, construit (à grands frais) avec une précision rigoureuse. Ou ils pourraient simplement être une seule partie d'une aile d'avion ou d'un autre produit.
Les ingénieurs montent des modèles dans la section de test en utilisant différentes méthodes, mais habituellement, les modèles sont maintenus immobiles à l'aide de fils ou de poteaux métalliques, qui sont placés derrière le modèle pour éviter de perturber le flux d'air Ils peuvent attacher des capteurs au modèle qui enregistrent la vitesse du vent, Température, pression atmosphérique et d'autres variables.
Continuez votre lecture pour en savoir plus sur la façon dont les souffleries aident les scientifiques à reconstituer des énigmes aérodynamiques plus complexes et sur la façon dont leurs découvertes stimulent les avancées technologiques.
La fumée fournit une visualisation du flux afin que les scientifiques puissent voir comment l'air se déplace autour de l'objet de test. Bill Pugliano/Actualités/Getty Images La portance et la traînée ne sont que deux éléments des forces aérodynamiques qui entrent en jeu dans une soufflerie. Pour les essais d'avions en particulier, il y a des dizaines de variables (comme le pitch, embardée, rouleau et bien d'autres), qui peuvent affecter le résultat des expériences.
D'autres facteurs entrent également en jeu lors du test, quel que soit le sujet du test. Par exemple, la qualité de l'air dans le tunnel est variable et a une incidence considérable sur les résultats des tests. En plus d'évaluer soigneusement la forme et la vitesse de l'objet (ou le vent soufflant devant l'objet), les testeurs doivent tenir compte de la viscosité (ou collant) et compressibilité (rebondissement) de l'air au cours de leurs expériences.
Vous ne considérez normalement pas l'air comme une substance collante, bien sûr, mais comme l'air se déplace sur un objet, ses molécules frappent sa surface et s'y accrochent, ne serait-ce qu'un instant. Cela crée un couche limite , une couche d'air à côté de l'objet qui affecte le flux d'air, tout comme l'objet lui-même. Altitude, Température, et d'autres variables peuvent affecter la viscosité et la compressibilité, qui à son tour modifie les propriétés de la couche limite et fait glisser, et l'aérodynamique de l'objet d'essai dans son ensemble.
Comprendre comment toutes ces conditions affectent l'objet de test nécessite un système de capteurs et d'ordinateurs pour enregistrer les données des capteurs. tubes de Pitot sont utilisés pour mesurer la vitesse du flux d'air, mais des tunnels avancés se déploient anémomètres laser qui détectent la vitesse du vent en « voyant » les particules en suspension dans le flux d'air. Sondes de pression surveiller la pression atmosphérique et pression de vapeur d'eau des capteurs suivent l'humidité.
En plus des capteurs, les observations visuelles sont également extrêmement utiles, mais pour rendre le flux d'air visible, les scientifiques s'appuient sur divers visualisation de flux technique. Ils peuvent remplir la section d'essai de fumée colorée ou d'un fin brouillard de liquide, comme l'eau, pour voir comment l'air se déplace sur le modèle. Ils peuvent s'appliquer épais, huiles colorées au modèle pour voir comment le vent pousse l'huile le long de la surface du modèle.
Des caméras vidéo à haute vitesse peuvent enregistrer la fumée ou les huiles lorsqu'elles se déplacent pour aider les scientifiques à détecter des indices qui ne sont pas évidents à l'œil nu. Dans certains cas, les lasers sont utilisés pour éclairer la brume ou la fumée et révéler les détails du flux d'air.
Les souffleries offrent des configurations infinies pour tester des idées et des concepts illimités. Continue de lire, et vous verrez les tunnels follement imaginatifs que les ingénieurs construisent lorsqu'ils trouvent l'argent pour transformer une brise d'idée en une tempête technologique à grande échelle.
Les tunnels supersoniques et hypersoniques n'utilisent pas de ventilateurs. Pour générer ces vitesses d'air vertigineuses, les scientifiques utilisent des jets d'air comprimé stocké dans des réservoirs sous pression placés en amont de la section d'essais, c'est pourquoi on les appelle parfois souffler tunnels. De la même manière, les tunnels hypersoniques sont parfois appelés tubes à chocs, une référence aux explosions puissantes mais très brèves qu'ils produisent. Les deux ont d'énormes besoins en énergie, ce qui les rend généralement meilleurs pour les tests courts ou intermittents.
Les capacités de pression atmosphérique différencient également les souffleries. Certains tunnels ont des commandes pour abaisser ou augmenter la pression d'air. Par exemple, en testant des véhicules spatiaux, La NASA pourrait mettre en place un tunnel pour imiter l'atmosphère à basse pression de Mars.
Vous pouvez également classer les tunnels par taille. Certains sont relativement petits, Et ainsi, ne sont utiles que pour tester des modèles réduits ou des sections d'un objet. D'autres sont à grande échelle et suffisamment grands pour tester des véhicules pleine grandeur.
Et certaines souffleries sont juste… eh bien, vraiment gros.
Centre de recherche Ames de la NASA, près de San José, La Californie abrite la plus grande soufflerie au monde. Il mesure environ 180 pieds (54,8 mètres) de haut, plus de 1, 400 pieds (426,7 mètres) de long, avec une section de test de 80 pieds (24 mètres) de haut et 120 pieds (36,5 mètres) de large, assez grand pour accueillir un avion d'une envergure de 100 pieds (30 mètres). Le tunnel en utilise six, fans de quatre étages, chacun entraîné par six 22, Moteurs de 500 chevaux pouvant entraîner des vents allant jusqu'à 115 mph (185 km/h).
La taille n'est pas le seul facteur dans les souffleries extraordinaires. Continue de lire, et vous découvrirez à quel point certains de ces tunnels sont vraiment modernes.
Tourbillons de bricolageLes souffleries ne sont pas réservées aux pros. Vous pouvez trouver des plans en ligne pour construire votre propre soufflerie à la maison, ou même acheter des kits avec toutes les pièces nécessaires incluses. Il existe de nombreux types de souffleries pour toutes sortes d'usages différents. Ces tunnels sont classés selon leurs caractéristiques, comme la vitesse du vent qu'ils génèrent dans la section d'essai.
Subsonique les souffleries testent des objets avec des débits d'air inférieurs à 250 mph (402 km/h). Transonique les tunnels couvrent les tunnels couvrent une plage de vitesse du vent de 250 mph à 760 mph (1, 223 km/h).
Supersonique les tunnels génèrent des vents plus rapides que la vitesse du son (768 mph ou 1, 235,9 km/h). Hypersonique les tunnels créent des rafales de vent effrayantes de 3, 800 mph à 11, 400 mph (6, 115,5 km/h à 18, 346,5 km/h) - ou même plus vite.
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General Motors possède la plus grande soufflerie au monde dédiée aux tests automobiles. Le ventilateur a un diamètre de 43 pieds (13 mètres). Bill Pugliano/Actualités/Getty Images Les ingénieurs doivent souvent tester simultanément plusieurs variables aérodynamiques et environnementales. C'est pourquoi certains tunnels offrent un large éventail de possibilités de test en un seul endroit. La grande soufflerie climatique de Vienne, utilisé principalement pour les essais de véhicules automobiles et ferroviaires, est l'un de ces tunnels. La section d'essai à elle seule mesure 328 pieds (100 mètres) de long, traversé par des vents allant jusqu'à 186 mph (299 km/h).
Les ingénieurs peuvent régler l'humidité relative de 10 à 98 % et pousser les températures de -49 degrés à 140 degrés Fahrenheit (-45 à 60 degrés Celsius). Fidèle à son nom, le tunnel climatique de Vienne est livré avec de la pluie, capacités neige et glace, en plus des simulateurs d'exposition solaire.
Capacité de givrage, en particulier, est un élément essentiel des souffleries depuis des décennies, parce que l'accumulation de glace sur les surfaces des avions peut être désastreuse, provoquant le crash d'un avion. Les tunnels de givrage ont des systèmes de réfrigération qui refroidissent l'air puis pulvérisent de fines gouttelettes d'eau dans le flux d'air, réalisation d'un glacis sur les modèles d'essai. Les ingénieurs peuvent ensuite bricoler des solutions pour contrer l'accumulation de glace, par exemple, en installant des systèmes de chauffage qui réchauffent les surfaces de l'avion.
Il existe de nombreux autres types de tunnels conçus à des fins spécifiques. Certaines conceptions sautent des pôles ou des fils pour sécuriser le modèle et utilisent à la place des aimants puissants qui suspendent les modèles métalliques dans la section d'essai. D'autres fournissent des câbles de télécommande qui permettent aux scientifiques de "faire voler" un modèle réduit d'avion dans la zone de test.
L'Université du Texas au Centre de recherche en aérodynamique d'Arlington possède ce qu'on appelle un tunnel à jet d'arc, qui génère des flux supersoniques de gaz très chauds à des températures allant jusqu'à 8, 540 degrés Fahrenheit (4, 727 degrés Celsius). Ces types de températures sont particulièrement utiles pour la NASA, qui soumet son vaisseau spatial à une chaleur élevée lorsqu'ils rentrent dans l'atmosphère terrestre.
Certains tunnels omettent entièrement l'air et utilisent à la place de l'eau. L'eau coule un peu comme l'air, mais il a une densité plus grande que l'air et est plus visible, trop. Ces propriétés aident les scientifiques à visualiser les modèles d'écoulement autour des sous-marins et des coques de navires, ou encore mieux voir les ondes de choc créées par des avions et des missiles très rapides.
Alors, quel est l'intérêt de souffler tout cet air chaud et frais autour, De toute façon? Ce n'est pas seulement pour que les scientifiques puissent mettre leur geek à l'épreuve - à la page suivante, vous verrez comment les souffleries nous aident à faire bien plus que voler.
Tirants récréatifsLes souffleries verticales (ou VWT) prouvent que les souffleries ne sont pas uniquement destinées au travail. Les VWT permettent aux gens de sauter en parachute à l'intérieur (également appelé voler au corps ), un bon moyen pour les novices et les pros d'apprendre à sauter en parachute en toute sécurité et de s'éclater en même temps.
Souffleries verticales, comme celui-ci en Chine, laissez les parachutistes pratiquer leurs techniques à l'intérieur. Getty Images Actualités/Getty Images Les ingénieurs et les spécialistes de la fabrication utilisent des souffleries pour améliorer non seulement les avions et les engins spatiaux, mais tout un assortiment de produits industriels et de consommation. Constructeurs automobiles, en particulier, dépendent fortement des souffleries.
Le laboratoire d'aérodynamique de General Motors possède la plus grande soufflerie pour étudier l'aérodynamique des voitures. Depuis la construction du tunnel il y a trois décennies, les ingénieurs de l'entreprise ont réduit le coefficient de traînée de leurs véhicules d'environ 25 %. Ce genre d'amélioration augmente l'économie de carburant de deux à trois milles par gallon.
Les constructeurs de voitures de course utilisent les tunnels pour améliorer l'aérodynamisme des voitures, en particulier la rapidité et l'efficacité, pour les aider à obtenir un avantage concurrentiel. Soufflerie AeroDyn, par exemple, est situé en Caroline du Nord et se spécialise dans les tests de voitures de stock NASCAR pleine grandeur et d'autres voitures et camions de course. Une autre compagnie, appelé cisaillement du vent, opère également en Caroline du Nord et possède un tunnel en circuit fermé avancé avec une route roulante intégrée, qui est essentiellement un énorme tapis roulant pour les voitures.
Les ingénieurs en électronique utilisent de petites souffleries pour voir comment le flux d'air affecte l'accumulation de chaleur dans les composants. Ensuite, ils peuvent concevoir des puces informatiques et des cartes mères plus froides qui durent plus longtemps. Les gestionnaires de services publics utilisent des souffleries pour tester les éoliennes utilisées pour produire de l'électricité. Les souffleries contribuent à rendre les turbines et leurs pales plus efficaces, efficace et durable, afin qu'ils puissent résister à une constante, rafales puissantes. Mais les souffleries aident également les ingénieurs à déterminer la disposition des parcs éoliens et l'espacement des turbines, afin de maximiser l'efficacité tout en minimisant les turbulences d'aspiration de puissance.
Les souffleries et les modèles d'essai ne sont pas bon marché à construire. C'est pourquoi de plus en plus d'organisations désactivent leurs souffleries et passent à la modélisation informatique (également appelée Dynamique des fluides computationnelle ), qui est maintenant souvent utilisé à la place des modèles physiques et des tunnels. Quoi de plus, les ordinateurs permettent aux ingénieurs d'ajuster des variables infinies du modèle et de la section d'essai sans travail manuel fastidieux (et coûteux). Les tunnels physiques ne sont parfois utilisés que pour retester les résultats de la modélisation informatique.
Les ingénieurs en construction utilisent la modélisation informatique pour les tests d'ingénierie éolienne afin de les aider à concevoir et à construire des gratte-ciel, ponts et autres structures. Ils étudient l'interaction des formes et des matériaux des bâtiments et du vent pour les rendre plus sûrs et plus solides.
Pour l'instant, bien que, les souffleries sont toujours utilisées dans le monde entier, aider les scientifiques à fabriquer des produits et des véhicules de tous types plus sûrs et plus efficaces. Et même si les nouvelles technologies virtuelles finissent par remplacer les souffleries physiques, ces merveilles d'ingénierie auront toujours une place dans l'histoire du développement de l'humanité.
