Définition de l'aérodynamisme et étude de l'air

Définition de l'aérodynamisme et étude de l'air

L'aérodynamique est l'étude des forces exercées par l'air sur un objet. Nous prendrons ici comme objet un avion bien entendu, cependant, l'aérodynamique est applicable sur d’autres mobiles en déplacement dans l’air, comme les voitures. Un avion est une machine assez spéciale, elle doit être le plus aérodynamique possible afin d’atteindre de hautes vitesses, mais elle doit également subir des forces suffisantes pour se maintenir en l’air, et pour être maniable.

L’air qui nous entoure est un fluide, comme n’importe quel gaz ou liquide. Trois critères permettent de le définir : La masse volumique (exprimée en kilogrammes par mètre cube), la pression (exprimée en pascal), et la température (exprimée en kelvins). Il est important de tenir compte de ces trois paramètres car l’air s’écoule différemment sur une surface selon leur valeur. Pour les schémas que vous allez pouvoir observer dans cette partie, l’air a été assimilé à des particules, dont la trajectoire indique celle de l’air, c’est la trajectoire qu’emprunte chaque atome d’air lors de son écoulement sur une surface. Autre chose encore, le point de vue adopté lors des analyses est à l’intérieur de l’avion, c’est à dire que l’on considèrera que l’avion est fixe, et que c’est l’air qui se déplace.

On peut distinguer plusieurs types d’écoulement sur une aile d’avion, de ces types d’écoulement dépend la qualité de vol de l’appareil. L’écoulement est laminaire lorsque les particules d’air suivent des trajectoires rectilignes et parallèles, l’écoulement est turbulent lorsque ces particules, tout en ayant des trajectoires parallèles, ne suivent plus une trajectoire rectiligne, mais en forme de vague. Enfin, l’écoulement est tourbillonnaire lorsque les particules d’air n’en font qu’à leur tête, les trajectoires ne sont ni rectilignes, ni parallèles entre elles, mais totalement désordonnées.

Exemple :

A l’approche d’une surface solide, l’air à la propriété de freiner, plus la particule d’air se rapproche de la surface, plus elle va ralentir, la zone ou l’air est ralenti se nomme la couche limite. Cette couche limite est responsable de la résistance de l’air, pour mettre en évidence la résistance de l’air, il suffit de tenir une surface plane verticalement, et d’exercer un fort vent dessus, plus le vent sera violent, plus on aura de difficulté à maintenir la planche. En chemin, l’écoulement de l’air est laminaire, à l’arrivée sur la plaque, il devient turbulent, et derrière la plaque, il est tourbillonnaire, créant ainsi une dépression qui aura tendance à aspirer la plaque vers l’arrière. La résistance de l’air est assimilée à l’aspiration créée par cette dépression, c’est elle qui crée la force qui pèse sur la plaque. Attention à ne pas assimiler la résistance de l’air à la poussée des particules d’air sur la plaque ! Il est important de bien connaître la résistance de l’air pour comprendre comment un avion vole, et comment il peut se diriger en l’air.

Une grande partie du travail des ingénieurs aéronautique consiste à concevoir des formes d’avion telles que la résistance de l’air sera faible. On a vu comment s'exercait la résistance de l’air sur une surface plane, mais d’autres formes existent permettant de réduire cette force.

Dans le cas d’une demie-sphère, la résistance de l’air est légèrement moindre car les particules d’air contournent plus facilement la surface, cependant, la dépression est encore très forte à l’arrière de la demie-sphère. Si on prend maintenant une sphère entière, par exemple un ballon, l’écoulement de l’air se fera beaucoup plus facilement, cependant, une légère dépression subsiste à l’arrière de la sphère, ce n’est donc pas la forme aérodynamique parfaite. Il n’y a en réalité aucune forme aérodynamique parfaite, cependant, on peut déformer cette sphère de manière à obtenir une forme biseautée , de cette manière, la résistance de l’air est la plus faible.

Demie sphère Sphère Forme biseautée

La résistance de l’air peut se mesurer sur n’importe quel solide, pour cela, une formule à été établie. Soit R la résistance de l’air en Newton : R=K.p.V².S

K est un coefficient qui concerne la forme et la surface du solide, il n’a pas d’unité, p est la masse volumique de l’air en kilogrammes par mètre cube, V est la vitesse des particules d’air, elle est exprimée en mètres par seconde, enfin, S est l’aire de la surface, exprimée en mètres carrés.

La grande difficulté pour concevoir un avion, est qu’il doit être assez profilé pour garder de bonnes performances aérodynamiques, mais il doit aussi avoir la forme adéquate pour son type d’usage. Dans le cas d’un gros porteur, tous les passagers et les systèmes doivent trouver leur place.

Forces s'exerçant sur un avion

En vol, un avion subit quatre grandes forces, il en subit en réalité bien plus en raison des facteurs météorologiques, mais nous nous intéresserons à ces quatre forces principales. Il faut d’ores et déjà préciser que ces forces s’exercent sur le centre de gravité de l’avion.

Enumérons ces forces : il y a tout d’abord la pesanteur, qui tend à faire tomber l’avion, et la portance, qui tend au contraire à le faire monter. En vol horizontal à une vitesse constante, la portance équilibre la force exercée par la pesanteur. Ces deux forces s’exercent verticalement sur l’avion. Voyons maintenant les forces qui s’exercent horizontalement sur l’avion : il y a tout d’abord la traînée, que nous avons vu précédemment, mais aussi la force qui permet à l’avion de se mouvoir, c’est à dire soit la traction de l’hélice, soit la poussée des réacteurs. En vol horizontal à vitesse constante, la traction, ou la poussée, équilibre la traînée.

Nous savons comment s’exerce le poids et la traînée, pour comprendre comment s’exerce la poussée, je vous invite à consulter le chapitre sur les moteurs. Nous allons voir ici comment s’exerce la portance, autrement dit, comment un avion vole.

Si on reprend l’expérience de la planche tenue verticalement dans un filet d’air,

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