Le vol des « plus lourds que l’air » L’homme volant Société, Culture et Techniques Lycée Roosevelt de Reims

Les éléments de l’équation du vol Une complexification de l’approche portance poussée poids trainée poussée poids

Les conditions du vol du « plus lourd que l’air » 3 « solutions techniques »… Machine à vapeur L’hélice échec La poussée Le moteur à explosion L’avion L’hélice du bateau La portance L’automobile Les ailes Les ailes du moulin

Les 3 problèmes à résoudre Qui nécessitent de comprendre (sciences), d’imaginer et mettre en œuvre des solutions (techniques) Sustenter Zone d’étude Portance Propulser AVION Poussée Diriger Stabiliser Empennage Stabilisateurs Dérive, Gouvernes

Les principes physiques mis en jeu Une complexité beaucoup plus grande Mécanique des fluides Bernoulli Reynolds Mécanique Newtonienne Action-Réaction Quantité de mouvement Aile poussée Gaz parfaits Archimède portance Hélice Ballon trainée poussée poids Gravitation Moteur poids Thermodynamique Gravitation

Le poids Le poids P = m . g avec g = 9,81 m/s²

L’air et l’aile : « mouvement » La portance Portance dynamique (par opposition à la portance aérostatique d'Archimède des ballons et dirigeables) : il faut éjecter en permanence un débit massique de fluide vers le bas (éjection d'une certaine quantité de mouvement), en échange de quoi, d'après une loi de Newton, on récupère une force vers le haut.

Vitesse, Pression La portance L’air est freiné sur le profil inférieur (intrados), la vitesse baisse et la pression augmente (« Théorème de Bernoulli » : p  V). L’angle d’incidence provoque une chute de pression au dessus de l’aile (extrados), l’air est attiré par le profil supérieur, et la vitesse augmente (« Théorème de Bernoulli » : p  V). L’air tend par ailleurs à suivre le profil convexe de l’extrados du fait de sa viscosité, ce qui contribue à dévier le flux vers le bas (« Effet Coanda »).

Quantité de mouvement La portance L’aile « prend » de l'air en avant de l'avion et défléchit cet air en le rejetant vers l'arrière et vers le bas. L’air est « dévié » vers le bas, l’action de l’aile sur l’air implique celle de l’air sur l’aile 1° loi de Newton « Tout corps persévère dans l'état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite dans lequel il se trouve, à moins que quelque force n'agisse sur lui, et ne le contraigne à changer d'état. » 3° loi de Newton « 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 » Réaction Action

La traînée (composantes) la traînée parasite : une traînée de frottement (résistance à l’écoulement tangentiel en couche limite, échauffement) une traînée de forme (air à déplacer « à l’avant », dépression « à l’arrière ») une traînée d'interférence (rencontre d’écoulements de directions et/ou de vitesses différentes) la traînée induite par la portance L'air en surpression aux extrémités des ailes tend à s'écouler de l'intrados vers l'extrados en contournant les bouts d'ailes et en créant deux tourbillons appelés tourbillons « marginaux » (vortex) L’air tend par ailleurs à glisser vers l’extérieur sur l’extrados (la pression étant plus faible à l’extérieur en bout d’aile), vers l’intérieur sur l’intrados (la pression étant plus forte à l’extérieur en bout d’aile) : l’entrecroisement au bord de fuite crée des tourbillons « élémentaires » la traînée de compressibilité (ondes de choc)

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Résultante Aérodynamique Portance Traînée

Coefficients de Portance et de Trainée Traînée Coefficients (ou )

Les conditions du vol du « plus lourd que l’air » portance poussée poids trainée Poussée > trainée Portance > poids

Résultante et Moment Aérodynamique Portance Traînée Ox portant la vitesse de l’avion - Résultante… La traînée : Rx projection de R sur Ox La dérive : Ry projection de R sur Oy La portance: Rz projection de R sur Oz Ox1 étant l’axe de référence de l’avion - Moment… Le roulis Mx1 composante de M sur Ox1 Le tangage My1 composante de M sur Oy1 Le lacet Mz1 composante de M sur Oz1 Remarque : la stabilité en tangage dépend de la position du Foyer Aérodynamique / Centre de Gravité

Résultante et Moment Aérodynamique Portance Traînée

Pb des points d’application : foyer aérodynamique, centre de poussée, centre de gravité Pb des moments Pb des efforts latéraux

Le vol des « plus lourds que l’air » L’homme volant Société, Culture et Techniques Lycée Roosevelt de Reims

L’hélice : comme une aile La poussée Les hélices d'avion agissent comme de petites ailes en rotation, dont l'effet ascensionnel tire l'avion vers l'avant (force de traction = poussée) Dépression à l’avant… Aspiration… Quantité de mouvement de l’air augmenté… Action, Réaction…

L’hélice : le pas, le diamètre La poussée a 1 a 2 a 3 Le pas géométrique est la distance théorique que l'hélice parcourt en faisant un tour, sans "glisser": p = 2.P.r.tan(Cr) (le pas effectif de l'hélice est en fait plus faible que le pas géométrique) Pour un fonctionnement optimum, le pas doit être constant sur toute la hauteur d’une pale => Cr diminue quand r augmente.

L’hélice : le pas, le diamètre La poussée La variation de l’angle en fonction du diamètre : la pale est vrillée

L’hélice : le pas, la vitesse La poussée La variation de pas (pas réglable, manuel, automatique, à commande régulée)

Le vol des « plus lourds que l’air » L’homme volant Société, Culture et Techniques Lycée Roosevelt de Reims

Le moteur à explosion 3: Combustion 4: Echappement 2: Compression La poussée 3: Combustion 4: Echappement 2: Compression 1: Admission Les 4 temps du moteur

Le moteur à explosion La poussée Les moteurs à piston comprennent en général de 4 à 8 cylindres (jusqu’à 24). Ils sont disposés en ligne, en V, à plat ou en étoile. Moteur 7 cylindres en étoile. Moteur à 4 cylindres à plat.

Étude thermodynamique : du moteur à explosion La poussée Le moteur 4 temps à essence Le cycle de Beau de Rochas Alphonse de Beau de Rochas, Ingénieur français (1815-1908)  Alors que Lenoir avait construit le premier moteur à explosion à gaz (1859), il établit le cycle thermodynamique idéal des moteurs à explosion à quatre temps (1862), à allumage extérieur. Ses idées furent appliquées et développées par Otto (1876).   Une querelle d'antériorité eut d'ailleurs lieu . Copyright© 2001 Matthieu MORICE

1er temps Admission des gaz Le cycle théorique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

1er temps Admission des gaz Le cycle théorique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

1er temps Admission des gaz Le cycle théorique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

1er temps Admission des gaz Le cycle théorique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

Fin de l’admission des gaz 1er temps Fin de l’admission des gaz Le cycle théorique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

Début de la phase de compression 2ème temps Début de la phase de compression compression adiabatique (sans échange de chaleur) Le cycle théorique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

2ème temps Compression des gaz Le cycle théorique compression adiabatique (sans échange de chaleur) Le cycle théorique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

2ème temps Explosion des gaz Le cycle théorique combustion isochore (à volume constant) : c'est la phase de combustion, assez rapide pour supposer que le piston est au point mort haut Le cycle théorique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

3ème temps Détente Le cycle théorique détente adiabatique : sous l'effet de la pression, le piston est repoussé jusqu'au point mort bas Le cycle théorique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

3ème temps Détente Le cycle théorique détente adiabatique : sous l'effet de la pression, le piston est repoussé jusqu'au point mort bas Le cycle théorique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

3ème temps Fin de détente Le cycle théorique détente adiabatique : sous l'effet de la pression, le piston est repoussé jusqu'au point mort bas Le cycle théorique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

Début de l’échappement des gaz brûlés 4ème temps Début de l’échappement des gaz brûlés Détente isochore : ouverture de la soupape d'échappement Le cycle théorique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

Échappement des gaz brûlés 4ème temps Échappement des gaz brûlés Le cycle théorique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

Échappement des gaz brûlés 4ème temps Échappement des gaz brûlés Le cycle théorique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

Étude énergétique Cette aire correspond à l’Énergie théorique fournie par kg de gaz pour un cycle de 4 temps moteurs. Copyright© 2001 Matthieu MORICE

Étude dimensionnelle : analyse de l’homogénéité des formules Cette aire correspond à l’Énergie théorique fournie par kg de gaz pour un cycle de 4 temps moteurs. Énergie = travail en N*m = kg*m²/s² Aire de cette courbe : Pression en Pa = N/m² = kg/s²/m Volume en m3 Donc l’aire est exprimé en pression * volume = kg*m²/s² = travail Copyright© 2001 Matthieu MORICE

1er temps Admission des gaz Le cycle pratique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

1er temps Admission des gaz Le cycle pratique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

1er temps Admission des gaz Le cycle pratique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

1er temps Admission des gaz Le cycle pratique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

Fin de l’admission des gaz 1er temps Fin de l’admission des gaz Le cycle pratique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

Début de la phase de compression 2ème temps Début de la phase de compression Le cycle pratique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

2ème temps Admission des gaz Le cycle pratique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

2ème temps Explosion des gaz Le cycle pratique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

3ème temps Détente Le cycle pratique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

3ème temps Détente Le cycle pratique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

3ème temps Fin de détente Le cycle pratique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

Début de l’échappement des gaz brûlés 4ème temps Début de l’échappement des gaz brûlés Le cycle pratique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

Échappement des gaz brûlés 4ème temps Échappement des gaz brûlés Le cycle pratique Copyright© 2001 Matthieu MORICE

Échappement des gaz brûlés 4ème temps Échappement des gaz brûlés Le cycle pratique Copyright© 2001 Matthieu MORICE