Mécanique du vol Pour comprendre comment vole un avion, nous allons étudier les phénomènes physiques qui permettent ce « petit miracle »

La masse d’un corps Un corps qui chute voit sa vitesse augmenter selon une certaine accélération, due à l’attraction terrestre. Le produit de sa masse « m » par l’accélération de la pesanteur « g » représente cette force due à l’attraction terrestre. Cette force s’exprime en newtons et on l’exprime par: P = m.g A nos latitudes moyennes: g = 9,81 m / s²

Je ferai mieux la prochaine fois La masse Les avions sont soumis à cette même loi ! Le pilote devra faire en sorte que le retour de l’avion au sol (avec ses occupants) se fasse de la manière la plus douce possible ! Je ferai mieux la prochaine fois

Notion de mouvement Lorsque un objet se déplace on dit qu’il y a mouvement. Un mouvement se caractérise à un instant donné par: Une vitesse Une direction de déplacement Si le mouvement ne varie ni en vitesse ni en direction, on dit que l’objet est en équilibre. Si la vitesse, la direction ou les 2 varient, il y a déséquilibre. Le maintien d’un mouvement est un équilibre Une mise en mouvement est un déséquilibre L’arrêt d’un mouvement est un déséquilibre Une changement de trajectoire est un déséquilibre

Notion de stabilité et d’instabilité Un objet est en équilibre lorsque toutes les forces qui lui sont appliquées s’équilibrent entre elles. On dit alors que leur résultante est nulle Inversement lorsque les forces qui s’appliquent sur un objet ne s’équilibrent pas, leur résultante n’est pas nulle, il y a déséquilibre. Pour un avion on parlera d’équilibre et de déséquilibre mais aussi de stabilité et d’instabilité. La notion de stabilité et d’instabilité n’existe que pour les objets en équilibre.

L’air c’est le milieu dans lequel évolue l’avion. L’avion et son milieu L’air c’est le milieu dans lequel évolue l’avion. Propriétés physiques: 1 expansible 2 compressible 3 élastique 4 pesant 1.225 g/litre au niveau de la mer 5 visqueux L’air expansible et pesant exerce une pression perpendiculaire à toutes les surfaces avec lesquelles il est en contact. Expansible: occupe tout l’espace qui lui est offert Compressible: on peut réduire le volume qu’il occupe en le comprimant Élastique: résulte des 2 précédentes, propriété de revenir à l’état initial après une compression ou une détente Pesant: ce poids (démontré par Galilée) diminue avec l’augmentation de l’altitude. C’est cette propriété qui permet le vol. Visqueux: caractérise la cohésion interne d’un fluide. C’est la viscosité qui est responsable des tourbillons dans l’air perturbé par un objet en mouvement. On parle aussi plus couramment de fluidité.

L’avion et son milieu L’air est un fluide et comme tel son mouvement est appelé écoulement. Cet écoulement peut être: 1 laminaire 2 turbulent Il existe un cas particulier d’écoulement turbulent: le régime tourbillonnaire

9.L’avion et son milieu La résistance de l’air Tout objet en mouvement dans l’air est soumis de la part de celui-ci à une résistance qui tend à s’opposer à ce mouvement. Cette résistance a son origine dans les propriétés d’inertie, de viscosité et de compressibilité mais dépend aussi de la forme et de l’état de cet objet Cette action se traduit par 2 forces: 1 une force élémentaire de pression 2 une force élémentaire de frottement

L’avion et son milieu Pression élémentaire Frottement élémentaire Les forces de pression dépendent de la forme de l’objet et de la disposition que celui-ci occupe par rapport à la direction de la vitesse relative. Les forces de frottement dues à la viscosité de l’air, ont un effet directement en rapport avec l’étendue de la surface de l’objet mais aussi de l’état de cette surface.

100 % Si l’on place une plaque perpendiculairement à un écoulement d’air, initialement laminaire, cet écoulement est perturbé. La résistance à l’écoulement est de 100%

50% Si l’on remplace la plaque par une sphère de même maître-couple, la résistance à l’écoulement est diminuée de 50%

15% Si l’on modifie le profil arrière de la sphère, la résistance n’est plus que de 15%

5% Elle passe à 5% si l’on allonge encore le profil arrière.

b a 1/3 2/3 Les formes fuselées qui présentent en subsonique la moindre résistance ont une épaisseur relative b / a comprise entre 1/3 et 1/4. Vent relatif matérialise la vitesse et la direction du courant d’air du au déplacement de l’avion. Angle d’incidence angle entre la corde de référence et la direction du vent relatif La valeur maxi de « b » se situant au 1/3 de « a »

Principe du mouvement relatif Par mouvement relatif il faut entendre indifféremment: 1 déplacement du corps dans l’air 2 déplacement de l’air autour d’un corps Le courant d’air baignant le corps en mouvement relatif est nommé vent relatif. Note: Déplacement du corps dans l’air ( corps en chute, planeur ) Déplacement de l’air autour du corps ( ex Vent sur avion au sol )

Le profil de l’aile Profil de l’aile: caractéristique essentielle qui influe sur ses qualités aérodynamiques. Le choix du profil dépend de l’usage auquel les avions sont destinés.

Le profil de l’aile Epaisseur Extrados Ligne moyenne Intrados Ligne moyenne ligne dont tous les points sont équidistants de l’intrados et de l’extrados. Intrados Corde de référence

L’angle d’incidence a VENT RELATIF Vent relatif matérialise la vitesse et la direction du courant d’air du au déplacement de l’avion. Angle d’incidence angle entre la corde de référence et la direction du vent relatif Le vent relatif est le flux d’air engendré par le déplacement de l’avion

L’incidence alpha (a) Angle entre l’axe longitudinal de l’avion et le vent relatif. C’est à travers la modification de cet angle d’incidence en modifiant l’assiette que vous allez agir sur les différentes force qui sont appliquées à l’avion. Une autre possibilité sera la modification du profil aérodynamique par l’intermédiaire des dispositifs hypersustentateurs Axe longitudinal a Vent relatif

15. Origine de la sustentation Région non perturbée Vitesse augmentée un volume d’air important est perturbé par la présence de l’aile les filets d’air sont d’autant plus déformés qu’ils sont voisins de la surface de l’aile; ils sont plus perturbés sur l’extrados que sur l’intrados Les filets d’air convergent et sont plus proches les uns des autres Région non perturbée

Relation entre la section et la vitesse d’un fluide en mouvement V3=V1 V2 V1 Section S2 Section S1 Section S3 Lorsque on diminue la section offerte à l’écoulement d’un fluide, la vitesse de ce fluide augmente.

La pression est identique en chaque point du tube Relation entre la pression et la vitesse d’un fluide en mouvement 1er cas: pas de vent relatif P0 P0 P0 P0 Loi de Bernouilli l’air reste soumis à ces lois tant que sa vitesse est largement inférieure à 340 m/s et peut être de ce fait, considéré comme incompressible. Po La pression est identique en chaque point du tube

Relation entre la pression et la vitesse d’un fluide en mouvement 2ème cas création d’un flux d’air V3=V1 V2 V1 P1 P2 P3 P0 P0 P0 P0 – P1 P0 – P2 Po – P3 Une augmentation de vitesse s’accompagne d’une diminution de pression et inversement.

Pression atmosphérique Effet résultant Pression réduite Pression atmosphérique

Pas de vent relatif, portance nulle Ex: avion au sol sans vent Pas de vent relatif, portance nulle

Vent relatif 75% de la portance est assurée par la dépression liée à l’extrados de l’aile, alors que la surpression liée à l’intrados y participe à hauteur de 25%.

16. Résultante aérodynamique Ra un volume d’air important est perturbé par la présence de l’aile les filets d’air sont d’autant plus déformés qu’ils sont voisins de la surface de l’aile; ils sont plus perturbés sur l’extrados que sur l’intrados Les filets d’air convergent et sont plus proches les uns des autres Centre de poussée Le centre de poussée est le point où s’applique la résultante aérodynamique

Ra est la composante de 2 forces: Rz et Rx 17. Portance et traînée Rz Ra Vent relatif Rx Ra est la composante de 2 forces: Rz et Rx

. La PORTANCE : composante perpendiculaire au vent relatif, c’est à dire à la trajectoire . La TRAINEE : composante parallèle au vent relatif, c’est à dire à la trajectoire et qui s’oppose à l’avancement. PORTANCE: Rz Trajectoire TRAINEE : Rx VENT RELATIF

Portance et traînée Rz Ra Vent relatif Rx La portance Rz est toujours perpendiculaire au vent relatif La traînée Rx est toujours parallèle au vent relatif

Bilan des forces

Les facteurs qui influent sur la portance et la traînée. L’angle d’incidence a La forme du profil La forme et l’allongement de l’aile La vitesse relative La surface de l’aile La densité de l’air Plus la surface offerte au courant d’air est grande, plus la résultante est grande. La résultante aérodynamique Ra augmente avec le carré de la vitesse: si la vitesse double, la résultante quadruple (à incidence identique), si la vitesse triple, la Ra est multipliée par 9. Plus l’air est dense (r élevé) plus Ra est élevé. r au niveau de la mer est de 1,225 kg/m3 et diminue avec l’altitude. L’état de surface de l’aile joue aussi un rôle important.

1er cas: Profil symétrique incidence nulle Portance nulle Traînée Vent relatif A une incidence faible, voisine de 0° les filets d’air sont peu perturbés, on note une légère turbulence au voisinage du bord de fuite On note une dépression peu marquée sur l’extrados et une autre encore plus faible sous l’intrados. Le bord d’attaque est le siège d’une surpression localisée

2eme cas: Profil disymétrique incidence faible Portance Traînée Vent relatif A une incidence faible, voisine de 0° les filets d’air sont peu perturbés, on note une légère turbulence au voisinage du bord de fuite On note une dépression peu marquée sur l’extrados et une autre encore plus faible sous l’intrados. Le bord d’attaque est le siège d’une surpression localisée

3ème cas: profil disymetrique incidence forte Portance Traînée Vent relatif

L’aile décroche 4ème cas: l’incidence atteint une valeur critique Vent relatif Le décrochage n’est donc pas du à la vitesse trop faible mais à l’angle d’incidence trop fort. Il se produit pour un angle compris entre 15 et 18°. Portance en brusque décroissance Traînée forte L’aile décroche

En vol normal, l’incidence a est faible les filets d’air, matérialisés par les brins de laine collent au profil.

L’angle d’incidence a à augmenté, les filets d’air proches du bord de fuite, commencent à être perturbés et se décollent de l’aile

La zone de perturbation, au fur et à mesure que l’incidence croit, s’amplifie vers l’avant et gagne du terrain en direction du bord d’attaque

On remarque que les filets d’air sont d’autant plus perturbés qu’ils sont proches de l’emplanture de l’aile…(plus proches du fuselage)

Même remarque…

Les 2/3 de l’aile sont concernés… De plus, on peut observer qu’une partie des filets d’air en provenance de l’intrados revient sur l’extrados par le bord de fuite, on voit que certains brins de laine sont dirigés cette fois vers l’avant.

Le décrochage n’est plus très loin… Notez l’angle formé par la corde de l’aile et l’horizon. Corde Horizon

Dépression à l’intrados et à l’extrados 5ème cas: l’incidence négative: portance nulle Vent relatif L’angle varie de 0° à -12° et est plus généralement voisin de -5° Dépression à l’intrados et à l’extrados La résultante aérodynamique se résume à la traînée

Angle d’incidence et centre de poussée Rz Ra Vent relatif Rx Cp A chaque angle d’incidence correspond une position du centre de poussée Cp

20. Angle d’incidence et centre de poussée Rz Ra Vent relatif Rx a = 2° 47% Cp Pour un angle d’incidence de 2°, Cp est à environ 47% de la corde

Angle d’incidence et centre de poussée Rz Ra Lorsque l’angle d’incidence a croit, le centre de poussée avance Rx a=15° 30% Vent relatif Lorsque l’angle d’incidence croit, le centre de poussée avance. Si l’angle d’incidence arrive à la valeur de celui correspondant au décrochage, le centre de poussée recule brusquement; L’équilibre et la stabilité de l’aile sont directement liés à ces déplacements. L’amplitude de ces déplacements dépend de la forme du profil. Cp Pour un angle d’incidence de 15°, Cp est à environ 30% de la corde

La finesse Définition: H D Définition: c’est l’aptitude d’un avion à «transformer» en vol plané une hauteur H en distance D. Rz et Rx sont exprimés en Newtons, N. 1 N = 1 kg . g Pour un avion de 800 kg dont la traînée est de 500 Newtons on aura donc une finesse de: 800 x 9,81 / 500 = 16 La finesse varie donc avec le poids de l’avion mais aussi avec l’angle d’incidence. Si D = 10 H, on dit que la finesse de l’avion est de 10

La finesse f = Rz / Rx Rz Ra Vent relatif Rx Rz et Rx sont exprimés en Newtons, N. 1 N = 1 kg . g Pour un avion de 800 kg dont la traînée est de 500 Newtons on aura donc une finesse de: 800 x 9,81 / 500 = 16 Mais c’est aussi le rapport entre la Portance Rz et la traînée Rx: f = Rz / Rx

La finesse Rz Ra Vent relatif Rx Rz et Rx sont exprimés en Newtons, N. 1 N = 1 kg . g Pour un avion de 800 kg dont la traînée est de 500 Newtons on aura donc une finesse de: 800 x 9,81 / 500 = 16 La finesse varie donc en fonction de l’angle d’incidence.