Comment un avion vole-t-il ?

Photo de parapente prise au Mont Rose à Marseille

Photo de parapente prise au Mont Rose à Marseille

Comment un parapente vole-t-il ? Ou bien comment un avion vole-t-il ? Ou bien comment un deltaplane vole-t-il ?

Ces questions se ressemblent et ont les mêmes réponses.

Un avion ou un parapente se déplace dans un fluide. On appelle fluide, de l’eau mais aussi de l’air. Aussi nous ferons quelles comparaisons avec l’eau car ce fluide est visible, à l’inverse de l’air.

• Le théorème de Bernoulli (loi de conservation de l’énergie) :

Mise en évidence :

Le tuyau est fermé. Une pression s’exerce sur ses parois : c’est la pression statique. On  peut l’évaluer en perçant le tuyau. La  hauteur du jet s’écoulant par la fuite ainsi créée donnera une indication de sa valeur.

Le tuyau est ouvert. La pression statique diminue (Le jet sortant de la fuite est moins important). Au contraire, à l’embouchure du tuyau, c’est l’abondance. La pression  dynamique est matérialisée par le jet sortant du robinet.

On en conclut que la pression dynamique augmente lorsque la pression statique diminue et inversement.

Le théorème de Bernoulli affirme que :

Pression dynamique + Pression statique = Pression totale (constante)

• L’effet Venturi :

L'effet Venturi est le nom donné à un phénomène où la pression d'un fluide diminue lorsque la vitesse de son écoulement augmente.

L’écoulement d’un fluide dans un tube à étranglement est particulier. Le débit à l’entrée est égal au débit de sortie. On en conclut que, dans l’étranglement, il y a accélération du fluide.

V1 = V3 < V2

La vitesse du fluide en 1 est égal à celle en 3 et inférieure à la vitesse en 2.

Ces deux lois expliquent la création des forces aérodynamique et hydrodynamique qui vont suivre.

 

 

 

• Notion de PROFIL :

Que ce soit un delta ou un parapente, on parle d’aile car ces deux aéronefs utilisent un  profil qui a la forme d’une aile d’avion, pour créer une force de portance par déplacement dans la masse d’air. Ce profil est le contour de la coupe transversale de l’aile dans un fluide en mouvement relatif.

Profil en trois dimensions :

Profil en deux dimensions :

Le bord d’attaque est la première partie qui est en contact avec le vent.

Le bord de fuite est la dernière partie en contact avec le vent.

L’intrados est la partie supérieure du profil. En fait c’est la face de l’aile qui se situe du côté de la cambrure donc du côté de la dépression, donc de la portance.

L’extrados est la partie inférieure du profil. En fait c’est la face de l’aile qui se situe du côté opposé à la cambrure donc du côté opposé à la portance.

Angle d’incidence α : c’est l’angle entre la direction du vent et la ligne de corde (ou corde).

Notion d’écoulement du vent sur ce profil :

Écoulement laminaire :

Se dit d’un écoulement de fluide qui, au voisinage d’une paroi, suit les formes de celle-ci.

Écoulement laminaire :

 

Exemple : au vent arrière, la voilure interrompt brutalement le flux. L’écoulement est turbulent.

Nous allons, pour la suite de ce chapitre, ne considérer que les écoulements laminaires.

• La force aérodynamique (et hydrodynamique) :

Grâce aux moteurs, l’avion prend de la vitesse. Ce déplacement entraîne l’apparition d’une force de portance sur la surface des ailes qui compense le poids de l’avion et c’est ce qui va lui permettre de décoller et de se maintenir en l’air.

Pour comprendre cette force de portance, nous allons examiner le profil de l’aile.

→ Explications :

L’aile d’un avion est plus bombée au dessus, c’est l’extrados. La partie  inférieure est plate, c’est l’intrados.

La molécule d’air A passe d’une surface élevée à une surface plus faible, ce qui accélère sa vitesse. La molécule d’air B a une vitesse plus faible.

Ainsi, sur l’extrados de l’aile, la pression est faible et sur l’intrados de l’aile, la pression est forte. Il existe donc une force d’aspiration de la pression forte vers la pression faible, que l’on appelle la force aérodynamique : FA (sur le schéma).

La force aérodynamique est représentée par un vecteur (FA) peut être décomposée en une portance (P) (perpendiculaire à la direction du flux, sur l’axe des Y) et une traînée (Tr) (parallèle à la direction du flux et de même sens, sur l’axe des X).

→ La portance (P) :

C’est cette force qui permet à l’avion de se maintenir en l’air car elle compense de poids de l’avion.

Caractéristiques de la portance :

- Point d’application : Sur l’extrados de l’aile

- Direction : Verticale

- Sens : Vers le haut

- Norme : P = 1/2 × S × ρ × V² × Cz

Avec :

- ρ : masse volumique de l’air en kg/m3

- V : vitesse en m/s

- S : surface en m²

- Cz : coefficient de portance ( sans unités )

- Portance : force en N (Newton)

 

→ La traînée (Tr) :

 La traînée est la force qui s’oppose à l’avancement de l’avion, c’est une force résistante.

Caractéristiques de la traînée :

- Point d’application : Sur l’extrados de l’aile

- Direction : Horizontale

- Sens : Opposé au sens de déplacement de l’avion

- Norme : Tr = 1/2 × S × ρ × V² × Cx

Avec :

- ρ : masse volumique de l’air en kg/m3

- V : vitesse en m/s

- S : surface en m²

- Cx : coefficient de traînée ( sans unités )

- Trainée : force en N (Newton)

 

→ Le poids de l’avion (P) :

Caractéristiques du poids :

- Point d’application : Centre de gravité de l’avion

- Direction : Verticale

- Sens : Vers le bas

- Norme : P = m × g

Avec :

- m : masse de l’avion en kg

- g : intensité de pesanteur 9.81N/kg

- Poids : force en N (Newton)

Pour marque-pages : permalien.

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