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L’objectif, dans cette partie, est de répondre à la question suivante : comment un avion vole-t-il ? Afin de comprendre comment un avion vole, il faut étudier les forces qui s’appliquent à un appareil en vol (force de traction, traînée, poids et portance). Nous viendrons illustrer ces forces à l’aide de schémas. Enfin, nous verrons comment améliorer la résultante aérodynamique, plus grossièrement, comment faire pour qu’un avion vole correctement.

Les forces

Définition de la notion de force

Tout d’abord, qu’est ce qu’une force ? Une force est une action mécanique exercée par un objet A sur un objet B.

Une force est représentée par un vecteur et est caractérisée par son point d’application (à quel endroit la force s’applique sur l’objet), sa direction (la droite d’action), son sens et son intensité (aussi appelée norme, c’est une valeur en Newton).

Une force se traduit toujours par des effets de déformation et de modification du mouvement de l’objet sur lequel s’applique la force. Les effets de déformation sont visibles ou non comme par exemple la flexion d’une aile. Les effets de modification d’un mouvement peuvent se traduire par exemple par l’accélération ou le ralentissement de l’objet.

Il y a 2 types de forces : les forces à distance qui peuvent être d’origine gravitationnelle, électrique, magnétique, électronucléaire (la seule force à distance qui nous intéresse ici est la force gravitationnelle) et les forces de contact, c’est à dire là où il y a « contact »(attention : le contact peut ne pas être visible, ex avec l’air). Si on définit l’avion comme notre « système à étudier », celui-ci sera en contact avec l’air (en vol) mais aussi parfois avec le sol (atterrissage, décollage).

L’avion, en lui-même est un objet, et lorsqu’il est en vol, 4 forces s’appliquent sur celui-ci :

2. La traction

C’est le mouvement en avant de l’avion. Cette force résulte, pour un avion à réaction, des moteurs. Appliquée aux moteurs, elle a pour direction l’axe des moteurs et est dirigée vers l’avant.

La formule de la traction est : T = m*(V² air sortie moteurs – V² air entrée moteurs) avec m la masse (en kg) et V la vitesse (en m/s).

Dans cette formule, on remarque que la vitesse d’écoulement de l’air en sortie moteur doit être supérieure à la vitesse d’écoulement de l’air en entrée moteur sinon la force de traction serait négative (en réalité elle sera nulle car cela voudrait dire que les moteurs ne fonctionnent pas et donc les 2 valeurs de la vitesse seraient nulles et par conséquent la force de traction aussi). Les moteurs ont donc pour but d’accélérer l’air entre l’entrée et la sortie du moteur.

3. La traînée

La traînée est la force en réaction de la traction, elle est opposée au mouvement de l’appareil. Cette force est dûe à la pression de l’air, c’est-à-dire les frottements de l’air sur l’avion en vol. Quand un corps est en mouvement dans l’air, on observe alors que l’on doit produire un effort, d’une part lors de son accélération, et d’autre part pour maintenir sa vitesse. On peut donc dire que l’air a tendance à freiner un corps pour le ramener à une vitesse nulle.

Par exemple, lorsque l’on passe notre main par la fenêtre d’une voiture en mouvement, on sent une force qui pousse notre main vers l’arrière, cette force : c’est la traînée

Formule de la traînée : T = ½.ρ.V².S.Cx (avec T la traînée (en N), Rho la masse volumique du fluide en (kg/m³), V la vitesse (m/s), S la surface de référence (m²) et Cx le coefficient de traînée (pas d’unité))

Afin d’illustrer rapidement cette formule, on peut reprendre l’exemple évoqué précédemment. Lorsque l’on passe notre main par la fenêtre d’une voiture en mouvement, si la voiture accélère, on ressent que la force de traînée augmente alors que si la voiture ralentit, on ressent que la force de traînée diminue. La vitesse de déplacement a donc une influence sur la traînée.

Pareillement, si je place ma main à la verticale au lieu de horizontalement, je vais ressentir une force de traînée plus importante . La forme de l’objet a donc également une influence sur la traînée.

Enfin, il est important de savoir que plusieurs types de forces de traînées s’appliquent à un avion en vol. Il y a la traînée de profil, la traînée parasite et la traînée induite.

4. Le poids

Le poids est la force qui attire l’avion vers le sol, elle est liée à la masse de l’appareil et à la pesanteur. Elle est appliquée au centre de gravité de l’avion. Elle est dirigée vers le bas et sa direction est le centre de la Terre.

La formule du poids en N (Newton) est : p=m.g, avec m la masse de l’objet (en kg) et g l’accélération de la pesanteur (en m/s²). L’accélération de la pesanteur g est une constante, sur la Terre elle est égale à 9.81 m.s^-2. Dans cette formule p =m.g, le seul paramètre qui influe sur le poids est donc la masse de l’objet considéré. Plus la masse de l’objet est importante, plus le poids le sera également (un objet d’une tonne est donc davantage attiré vers le sol qu’un objet de 200kg).

5. La portance

Cette force est celle qui nous intéresse car c’est celle qui permet de faire voler un avion.

Bernoulli vs Newton :

2 modèles d’interprétations pour expliquer la naissance d’une force de portance:

Le modèle de Bernoulli permet également d’expliquer le phénomène de portance:

“Dans le flux d’un fluide, une accélération se produit simultanément avec la diminution de pression c’est à dire que si la vitesse de l’air augmente, la pression diminue”

expérience : Principe de sustentation

Lorsque l’avion vole, le flux d’air se sépare au niveau du bord d’attaque de l’aile. Une partie du flux d’air passe par le dessus de l’aile (extrados) et une autre partie par de dessous de l’aile (intrados).

Les flux d’air doivent se rejoindre en sortie de l’aile (principe de transition des temps égaux).

Comme l’aire est bombée au-dessus, le flux d’aire parcourant l’extrados parcours une plus grande distance que celui de l’intrados. Ainsi l’air du dessus est accéléré (vitesse augmente) et il en résulte une dépression (principe de Bernoulli) et donc une force de portance.

Mais ce modèle reste incomplet et partiellement exacte:

aujourd’hui rien ne prouve que les flux d’air doivent absolument se rejoindre en même temps
impossibilité du vol-inversé
impossibilité de vol des avions avec des profils d’aile symétriques

Le modèle de Newton correspond à la troisième loi de Newton, le principe des actions réciproques (action-réaction):

“Tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d’intensité égale, de même direction mais de sens opposé, exercée par le corps B”

expérience : Principe des actions réciproques

expérience: maquette de portance

L’aile par sa forme dévie l’air vers le bas comme, en réaction, l’air exerce sur l’aile une force de portance vers le haut (l’air comme tout fluide suit la courbure de profil d’aile: effet Coandă)

effet de Coandă

Expression analytique de la force de portance:

Rz = 12.Cz.S.v² . On a donc : Rz = K(forme).S.v²

Ainsi, notre force de portance Fz dépend de la vitesse du fluide, de la surface de l’aile et d’un coefficient K qui dépend de la forme du profil d’aile.

Coefficient de portance Cz :

Représente l’intensité de la portance sur une aile de même profil que l’aile considérée, de surface 1 mètre carré et placée dans une veine d’air de pression dynamique de 1 N / m² .

Diagramme avion-forces

Les quatres forces: de portance, de pesanteur, de traînée, de traction sont schématisé ci dessus. Ainsi pour qu’un avion vol, il faut que la portance soit supérieure à la force de pesanteur (Rz>P) et que la force motrice soit supérieur à la traînée ( Rx<T).

Comment améliorer la résultante aérodynamique?

Pour améliorer la résultante aérodynamique (la rendre la plus verticale possible), il faut réduire les forces de traînées tout en augmentant la force de portance.

influence de la surface S

sur la force de portance

La surface d’aile intervient dans l’équation suivante: Rz=K(forme)Sv2. Pour améliorer Rz, on peut augmenter la surface alaire S (en m2).

sur les forces de traînées

Les trois forces de traînée: traînée de profil, traînée parasite, traînée induite dépendent de la vitesse de l’avion et de la surface d’aile.

En général, plus la surface d’aile est importante, plus les forces de traînée augmentent. Mais le coefficient Cxi de la traînée induite est réduite si l’allongement de l’aile est grand.

Plus l’aile est longue, plus la traînée induite diminue!

Pour limiter au maximum les autres traînées, il faut:

traînée de profil: réduire le “bombage d’aile”
traîné parasite: rendre l’aile lisse et sans sections cassantes

En bref, il faut rendre l’aile aérodynamique tout en augmentant les surfaces de portance!

influence des géométries d’aile

notion de profil d’aile (aérodynamique)

Biconvexe symétrique

Ces profils sont utilisés pour les empennages verticaux et horizontaux.

Biconvexe dissymétrique

Ces profils sont les plus employés pour les ailes d’avion de loisir.

Plan convexe

Double courbure

La seconde courbure de la ligne moyenne confère des qualités de stabilité d’où le qualificatif d’Autostable.

Ce profil peu répandu est surtout utilisé pour les ailes volantes. Ce profil était utilisé par le concorde.

notion de géométrie d’aile:

L’aile rectangulaire ( ou droite )

Cette aile est facile à construire (économique), facile à piloter et par conséquent plus sûre. Néanmoins ne permet pas d’atteindre des vitesses très élevées c’est pour cela qu’elle sera remplacée par l’aile en flèche.

Cessna caravan 1984

L’aile trapézoïdale en flèche

Avec l’apparition des avions à réaction, il a fallu trouver des ailes permettant d’atteindre de grande vitesse. Petit à petit la solution sélectionnée a été l’aile en flèche puisque celle-ci permet une plus grande stabilité malgré les fortes vitesses.

Super-étendard 1974 de la marine de Dassault

L’aile en elliptique

Elle présente des propriétés de vol intéressantes. En effet, cette configuration améliore considérablement la finesse de l’aile lorsqu’on augmente son allongement. De plus, elle permet un écoulement de l’air plus fluide sur l’aile. Néanmoins, elles sont relativement longues à construire c’est pour cela que de nos jours on en rencontre pas beaucoup.

Supermarine Spitfire 1936

L’aile delta

Cette forme est adaptée au vol de grande vitesse car elle entraîne une traînée relativement faible et réduit les remous de l’appareil. Il est encore utilisé de nos jours pour des avions supersoniques.

Mirage 2000 de Dassault

L’aile gothique

L’aile gothique est en réalité une aile delta quelque peu modifiée. En effet, on observe une modification du bord d’attaque, au lieu d’être droite elle est plutôt en vague. Cela permet d’accroître la portance.