Aérodynamique cours n°1 la force aérodynamique et ses composantes

23 01 2009

Aérodynamique : Partie de la physique qui étudie les effets de l’air et des gaz sur les déplacements des corps solides

Mécanique du vol : l’étude des forces s’exerçant lors du vol de l’aéronef.

I-                    LA FORCE AERODYNAMIQUE ET SES COMPOSANTES

La force (ou résultante) aérodynamique (Fa) : c’est la force générée par l’ensemble des surpressions de l’intrados et des dépressions de l’extrados. Elle augmente avec la vitesse et l’angle d’incidence. L’angle d’incidence : c’est l’angle formé entre la corde de l’aile et la trajectoire du vent relatif.

Le centre d’application de la force aérodynamique s’appelle le centre de poussée.

Formule Fa : ½ ? S V² Ca

La force aérodynamique se décompose en deux forces.

Composantes de la force aérodynamique

La portance (Fz) est la composante aérodynamique perpendiculaire aux filets d’air du vent relatif. C’est une force, aussi appelée sustentation, dirigée du bas vers le haut, et qui a son centre en un point de l’aile: le centre de poussée. Elle est opposée au poids de l’avion et doit lui être au moins égale pour que l’avion s’élève. Elle résulte de la pénétration dans l’air de l’aile.

Formule : Fz= ½ ? V² S Cz

le vent relatif passe sur l’extrados de l’aile et sur son intrados. Il en résulte une dépression sur l’extrados et une surpression sur l’intrados, en vertu du principe de Bernoulli, qui montre que la vitesse du fluide (l’air) augmente lorsque la pression exercée sur le fluide diminue.

L’addition de la surpression et de la dépression donne alors une force appelée portance qui aspire l’aile et donc l’avion vers le haut.

La traînée (Fx) est la composante aérodynamique parallèle aux filets d’air du vent relatif.

C’est la force opposée au déplacement de l’avion et qui résulte de sa résistance à l’air . C’est la résistance à l’avancement, on cherche donc à la réduire au maximum.

Formule : Fx= ½ ? V² S Cx

L’aile est en effet un obstacle pour l’air et elle le freine car elle s’oppose au déplacement de l’air. Cette force est représentée par un vecteur parallèle au vent relatif et partant de l’aile.

Si notre avion n’était soumis qu’à ces deux forces, il reculerait et monterait sans arrêt !!!
Il nous manque le poids de l’avion (qui s’oppose à la portance) et la force de traction créée par notre hélice et son moteur (qui s’oppose à la traînée). Voici le schéma complet des forces :

Le centre de poussée est le point d’application des forces aérodynamiques. Il se déplace suivant l’angle d’incidence, Il n’est donc pas fixe.

Le foyer est le point d’application des variations de portance. Il est fixe. Il correspond au centre de gravité aérodynamique d’un profil.

Les coefficients Cz et Cx sont respectivement les coefficients de portance et de trainée. Ils varient en fonction :

–          De la forme du profil

–          De l’angle d’incidence

Cz est le coefficient de portance. Il est en quelque sorte l’aptitude à transformer le courant d’air en portance.

Cx est la caractérisation d’un défaut qui est de fabriquer de la traînée avec le même courant d’air.

Les facteurs qui influent sur la résultante aérodynamique :

1- La surface alaire, c’est-à-dire la surface totale sur laquelle sont appliquées les forces. Plus la surface offerte au courant d’air est grande plus Fa est importante.

La surface alaire d’un avion est la surface totale de la voilure, y compris celle qui traverse le fuselage.

2-  La vitesse de déplacement : l’intensité de la Fa augmente avec le carré de la vitesse de l’avion.

3-      La masse volumique de l’air : l’air dans lequel évolue l’avion est pesant et possède une masse volumique ?. Plus l’air est dense, plus la résultante est grande. la masse volumique de l’air est de 1,225 gr/m3 au niveau de la mer et diminue avec l’altitude.

4-      La forme de l’aile (profil et allongement). La forme de l’aile selon son profil (en coupe) et son allongement (rapport entre sa longueur et sa largeur) influe sur Fa. Un profil fortement cambré possède un bon rendement aux vitesses faibles (60 à 100 km/h), alors qu’un profil peu cambré convient mieux aux vitesses élevées. Sur un grand nombre d’avions modernes, il est possible de modifier la courbure du profil en vol grâce à un système dénommé volets de courbure.

Un grand allongement est plus favorable aux faibles vitesses alors qu’un faible allongement convient aux vitesses élevées. Un des autres avantages d’un grand allongement est de diminuer les tourbillons en bout d’aile. En effet, au bout de l’aile, la depression de l’extrados et la surpression de l’intrados se rejoignent  créant des tourbillons dénommés vortex.

5-      La position de l’aile par rapport au vent relatif.

Le vent relatif est le vent ressenti à bord de l’avion du fait du déplacement de celui-ci, le vent relatif souffle donc toujours suivant la trajectoire de l’avion.

Pour repérer l’orientation de l’avion par rapport au vent relatif on définit un angle : l’angle d’incidence ? entre l’axe longitudinal de l’avion t la direction du vent relatif ou entre l’axe longitudinal de l’avion et sa trajectoire.

Lorsque l’incidence de l’aile augmente, l’intensité de la résultante aérodynamique (Fa) augmente, passe par un maximum pour un angle d’incidence compris entre 15° et 18°, puis décroit brusquement. On dit que l’aile décroche.

6-      L’état de surface des ailes : les salissures (insectes) et le givrage des ailes provoquent des décollements des filets d’air pouvant entrainer un angle d’incidence de décrochage plus faible

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