La physique du vol

La physique du vol prend en compte 4 forces qui s’opposent deux à deux :

 

Pour simplifier, on admettra que les 4 forces s’opposent en un même point : le centre de gravité. La portance s’oppose au poids et la traction (ou la poussée selon le type de propulsion) s’oppose à la trainée. On remarque donc que les forces s’opposent deux à deux.

A.   Le poids 

Le poids d'un objet dépend de sa masse et de la force avec laquelle il est attiré vers le centre de la Terre (Gravité). Le poids d’un objet varie dans l’espace et dépend de l’astre où il se trouve.

 Le poids est mesuré en Newton. L’unité de mesure porte le nom de newton car Isaac Newton s’est aperçu que la Terre attirait tous les objets vers elle.

Lors d’un virage le poids intervient dans la relation du facteur de charge :

Le poids apparent est égal et opposé à la portance et en virage est supérieur au poids réel. Dans un virage incliné à 60°, les personnes à bord de l’avion subissent un facteur de charge de 2 G, c'est-à-dire que les passagers subissent deux fois leur poids et l’avion aussi.

Exemple: Un avion pesant 872 kg, son poids apparent mais effectif pour la structure passera à 1744 kg  dans un virage d’inclinaison 60°. Il faut donc que la résistance de l’avion soit calculée pour résister à ces efforts (1744kg et pas 872 kg).

B.  La portance

La portance est la force qui permet à un avion de voler.  La portance est une force perpendiculaire au déplacement du vent relatif. Elle est créée par l'aspiration dans une zone de dépression formée sur le dessus de l’aile (extrados). Elle est notée Fz et s’exprime en newton. Cette force est calculée d'après :

  1. Le  coefficient de portance noté Cz
  2. La surface des ailes notées S en m²
  3. La vitesse de l’avion en m/s
  4. La densité de l’air en kg/m³

On obtient la relation : 

Le coefficient de portance Cz fait intervenir la forme du profil d’aile et l’angle d’incidence.

La Portance est la force qui s’oppose au poids et donc elle empêche l’avion de tomber. La portance  d’un avion peut être diminuée par la création de tourbillons marginaux qui sont dus à la différence de pressions entre le dessus de l’aile, l’extrados et le dessous de l’aile, l’intrados.

Pour que l’avion vole, il faut que la portance existe, ce qui signifie que l’aile de l’avion présente un profil dissymétrique et/ou ait un angle d’incidence (angle entre l’aile et la direction du vent relatif)

Remarque : On peut remarquer que sur tous les avions, les ailes sont plus ou moins inclinées pour permettre à l’avion de voler. Pour ce qui est de la performance recherchée, l’aérodynamisme est essentiellement travaillé sur le profil d’aile.

En aéronautique, il est possible qu’il y ait une perte brutale de portance, on appelle ce phénomène le décrochage. L’avion n’est plus sustenté par l’air et tombe. Le décrochage est dû à un angle trop important entre la surface des ailes et la direction du vent relatif.

C.   La traînée 

La traînée est la force de résistance qu'exerce l’air  sur l’aile de  l’avion (et même tout l’avion) lorsque  l’air ou l'avion sont en mouvement l'un par rapport à l'autre. Cette force est parallèle à la trajectoire de l’avion, elle s'oppose à l'avancement de l'avion si celui-ci est en mouvement dans l’air. On la note Fx et elle s’exprime en newton.

La traînée se calcule d’après :

  • Le coefficient de trainée appelé Cx
  • la vitesse de l’avion en m/s
  • la densité de l’air noté ρ en kg/m³
  • la surface des ailes notée S en m²

On obtient la relation :

Le coefficient de trainée Cx caractérise l'importance de la force de frottement qui s'exerce sur l’aile de l’avion, donc dépend de la forme, l’état de surface et l’incidence.

En vérité, la trainée est la somme de  plusieurs  types de trainée :

-La trainée de frottement : Dans l'écoulement de l’air  autour de l’avion un phénomène d'adhérence de l’air au fuselage se produit. On constate qu'il existe, le long de la surface, une mince couche d’environ dix millimètres dans laquelle la vitesse de l'écoulement de l’air est freinée. Cette couche s'appelle la couche limite. Les molécules d'air en contact avec la surface d'un profil sont freinées par les forces de frottement. Ces forces sont telles que la vitesse des filets d'air est nulle au contact du profil. Ce n'est qu'à une certaine distance de l’aile que la vitesse des filets devient constante. Cette force de frottement engendre donc une perte d’énergie qui doit être compensé par l’énergie produite par la force de poussée. Elle augmente avec le carré de la vitesse de l'avion. Si la vitesse double, la traînée parasite quadruple.

 L'image ci-dessous met en évidence la traînée de frottement :

Ici, le piano est en contact avec le sol (non lisse), on remarque bien que le pousseur représentant la poussée est en difficulté car le piano est ralenti par le sol.

-La trainée de Forme : Elle dépend de la forme de l’objet, de l’aile, de la forme de l’avion, on obtient alors des turbulences, proportionnellement importantes au changement de courbure, qui en est responsable. Ce type de trainée est très recherché en aérospatial car il permet de ralentir considérablement les engins lors de leur entrée dans l’atmosphère.

On observe bien les différentes trainées en fonction des différentes formes d’objets.

La trainée induite : Elle est due à la différence de pression entre extrados et intrados.

On voit la trainée induite qui est représentée par des spirales en mouvement contrarotatifs  appelées tourbillons marginaux.

 

D. La poussée ou la traction

La poussée est la force exercée par l'accélération de l’air grâce à un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.

La traction est une force créée par une hélice placée devant l’avion, la poussée est fournie par un réacteur placé sur l’avion. Ainsi, par la loi du mouvement de Newton basé essentiellement sur 2 principes :

« Un corps demeure dans son état de repos ou de mouvement uniforme à moins qu’une force externe en déséquilibre n’agisse dessus. »

« L’effet d’une force dépend de sa grandeur et de sa direction. Donc, la force est une quantité vectorielle. »

On peut donc en déduire que l'air pousse l’avion vers l’avant. Cette force  s’oppose à la trainée.

On voit bien ci-dessus que les réacteurs aspirent l’air qui va ensuite pousser l’avion vers l’avant comme l’indique la flèche.

 

La poussée est très importante pour déterminer les capacités ascensionnelles d’un avion, la vitesse ascensionnelle maximum est déterminée par la quantité d’énergie  fournie par le réacteur de l’avion.

C’est pour cela que dans l’aéronautique moderne, les réacteurs sont les plus utilisés car ils sont plus performants que les moteurs à hélice. 

 

On distingue trois catégories de propulseurs :


Le groupe des motopropulseurs :


 

Les motopropulseurs sont des moteurs dits à piston, c'est-à-dire que la combustion est interne et le moteur à essence est couplé à une hélice propulsive ou tractive. Ces moteurs sont adaptés aux vols en basse altitude et utilisés en aviation légère et sportive.

 

Le groupe des turbopropulseurs :

 

Les turbopropulseurs sont des moteurs appelés aussi turbomachines fonctionnant au kérosène et couplés à une hélice tractive ou propulsive. Ces moteurs sont adaptés aux vitesses moyennes, on les utilise pour des voyages moyens courriers et pour des transports militaires.


Le groupe des turboréacteurs :

 

 

Les turboréacteurs sont des moteurs fonctionnant au kérosène et adaptés aux vols longs et moyens courriers et pouvant aller à des vitesses très importantes, jusqu’à vitesses supersoniques (selon le types d’avion). Ces moteurs sont installés sur des avions de ligne mais aussi des avions militaires comme le Rafale où la vitesse est importante pour l’utilisation de l’avion : 


 

Par exemple, le porte-avions permet le décollage d'avions Rafale de masse 20 tonnes, effectué par des réacteurs exerçant une poussée totale de valeur F=75000 Newtons.  Pour assurer une sécurité optimale, les avions de chasses décollent du porte-avions avec une post-combustion.
La post-combustion est l’ajout de kérosène dans la tuyère après la turbine, ce qui donne une deuxième combustion. 

 

L’étude de la mécanique du vol va nous permettre de comprendre les évolutions de l’appareil en vol.


Commentaires (3)

1. Jhean (site web) 04/10/2018

Quand on copie sur word ca met en noir le texte. De la vrai merde

2. 1ere S 25/02/2018

Bonjour,
merci bcp vous avez eu cb ?

3. élève de 1ère S SI 14/03/2016

Merci pour votre TPE, il est bien développé et bien illustré, clair et net. Je vais essayer de prendre note sur le votre pour terminer le miens, notamment la partie sur les moteurs qui est un point important mais peu dévelloppé dans les TPE sur les avions :)

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