Les forces exercées sur l’avion

Pour mieux comprendre l’enjeu des différentes améliorations techniques, étudions les forces s’exerçant sur l’avion. Lorsqu’un avion vole, quatre forces principales s’exercent sur son centre de poussée : le poids, la poussée, la portance et la traînée. Ces quatre forces peuvent être représentées par des vecteurs. Dans un référentiel terrestre considéré Galiléen, d’après la Première loi de Newton, la somme vectorielle de ces quatre forces est nulle si le vecteur vitesse de l’avion ne varie pas, c’est à dire, si l’avion suit une trajectoire rectiligne sans variation d’altitude et adopte une vitesse constante.

 

Forces exercées sur l'avion

 

  • Le poids P  résulte de la gravitation universelle. Il est représenté par un vecteur s’appliquant au centre d’inertie de l’avion, dirigé vers le centre de la terre selon la verticale du lieu et dont la valeur varie en fonction de la masse de l’avion : P=m.g
  • Avec P, le poids en Newton; m, la masse en kg; g, la constante de gravité universelle = 9,81 N.kg-1

 

  • La traction ou poussée T  est fournie par le groupe moto-propulseur (moteur et hélice). Son intensité varie en fonction de la puissance délivrée par le moteur. Elle est représentée par un vecteur dirigé dans le sens du mouvement et parallèlement à celui-ci.

 

  • La portance Rz compense le poids et permet à l’avion de voler. Elle est créée par le vent relatif, c’est à dire l’écoulement de l’air sur la surface de l’aile. Le profil de l’aile a donc beaucoup d’importance. En effet, du fait de sa forme incurvée, la face supérieure de l’aile (extrados) est plus longue que sa face intérieure (intrados).  
Le profil de l'aile

Le profil de l’aile

 

Ainsi, l’air qui passe au dessus de l’aile parcourt une plus longue distance que l’air qui passe en dessous. L’air s’écoule donc plus vite sur l’extrados que sur l’intrados pour arriver en même temps à l’extrémité de l’aile. Les filets d’air qui s’accélèrent et s’étirent sur l’extrados vont créer une diminution de pression (dépression), et les filets d’air qui ralentissent et se compriment sur l’intrados créent une augmentation de pression (surpression). C’est cette différence de pression qui est à l’origine de la portance, l’avion est alors aspiré vers le haut.

Le phénomène de portance

Le phénomène de portance

La portance peut être représentée par un vecteur dont la direction est perpendiculaire au vent relatif. Son intensité s’exprime par la formule : Rz= ½.p.Cz.V².S

Avec p, la masse volumique de l’air en g.m-3. Elle varie selon la température et l’altitude, donc la pression.

V, la vitesse de déplacement en m.s-1

S, la surface de l’aile en m²

Cz, le coefficient de portance, sans unité. Il dépend du profil de l’aile et varie en fonction de l’angle formé par l’axe longitudinal de l’aile et le vent relatif. Cet angle est appelé incidence.

L'importance de l'angle d'incidence.

L’importance de l’angle d’incidence.

  • La traînée Rx est une composante aérodynamique parallèle aux filets d’air du vent relatif. C’est la force opposée au mouvement de l’avion et qui résulte de sa résistance à l’air. La traînée totale peut se décomposer en plusieurs traînées. La traînée de frottement ou forces de frottement représente environ la moitié de la traînée totale et est due à l’avion tout entier. Plus faible, la traînée induite est liée à la portance ; elle compte pour 1/3 de la traînée totale. Elle est due à la différence de pression sur l’extrados et sur l’intrados de l’aile. Ainsi, au cours du vol, le flux d’air en surpression de l’intrados aura tendance à passer sur l’extrados pour combler la dépression. Cela créé des tourbillons marginaux.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Tourbillon_marginal

La traînée induite

La traînée induite

Le tourbillon de Prandtl se replie en bout d’aile.

La traînée s’exprime par la formule  Rx=½.p.Cx.V².S

Avec p, la masse volumique de l’air en g.m-3. Elle varie selon la température et l’altitude (pression)

V, la vitesse de déplacement en m.s-1

S, la surface de l’aile en m²

Cx, le coefficient de traînée, sans unité. Il dépend de la forme de l’avion et de l’angle d’incidence.

Traînée induite par la portance

Traînée induite par la portance

 

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