2° Portance et Trainée

2°Portance et traînée

 

 En aéronautique, l'air est un fluide semblable à l'eau. Mis à part sa compressibilité, ses propriétés sont voisines. La forme d'une aile planeur, appelée surface portante, est spécialement conçue pour produire une certaine sustentation, c'est-à-dire une force qui rend possible le vol d'engins plus lourds que l'air. Si l'on observe la surface supérieure d'une aile, on s'aperçoit que celle-ci est courbe (figure ci-dessous), alors que sa surface inférieure, au contraire, est rectiligne. L'air arrivant face au planeur se divise pour envelopper l'aile, il lui faut se déplacer plus vite le long de la surface courbe que le long de la surface rectiligne, puisque la distance à parcourir est plus importante. Nous développerons ce phénomène dans une autre partie. Cependant, ce phénomène induit plusieurs conséquences que nous allons expliqués.

 

Un corps placé dans un écoulement d’air subit plusieurs forces aérodynamiques, en effet plusieurs composantes en découlent:

1°La portance

 

 

Cette portance est égale à la modification de la quantité de mouvement de l’air qu’elle dévie vers le bas. La quantité de mouvement d'un point matériel de masse m animé d'une vitesse V

est définie comme produit de la masse et de la vitesse. La portance d’une aile est donc proportionnelle à la quantité d’air déviée vers le bas multipliée par la vitesse verticale de cet air.

P=Mg

L’unité SI de la quantité de mouvement est le kg.m.s-1

La force de la portance dans un fluide réel et connue, est principalement nommé Fz. La portance Fz en Newton(N) d’une aile vaut:

Portance= 1/2*p*S*V²*Cz*

p est la masse volumique de l’air

V est la vitesse de déplacement en m/s

Cz est le coefficient de la portance

S est la surface en m²

On remarque que cette force est pratiquement identique à celle de la force aérodynamique, seul le coefficient aérodynamique change.

 

Le coefficient de la portance dépend d’autres paramètres physiques. En effet, le profil de l’aile est une des caractéristiques du coefficient de la portance. En générale, la portance est perpendiculaire à l’écoulement relatif de l’air, c’est-à-dire qu’elle dépend peu des frottements et de la turbulence, ce qui conduit en logique à ignorer le nombre de Reynolds (caractéristique d’un écoulement, en particulier la nature de son régime: laminaire, transitoire, ou turbulent).

 

Donc les différents phénomènes vue précédemment dans « l’aérodynamisme » qui conduisent à la sustentation de l’aéronef sont généralisés avec la portance.

2° La traînée

La traînée aérodynamique est une force qui s’oppose au mouvement d’un mobile dans un gaz : c’est la résistance à l’avancement. Elle s’exerce dans la direction opposée à la vitesse du mobile et s’accroît avec le carré de la vitesse. La traînée aérodynamique dépend de la finesse(voir plus bas) et est dite totale. Mais elle dépend également de l’énergie potentielle de pesanteur (l’énergie potentielle de pesanteur d'un solide S de masse m situé à l'altitude z la quantité).

Epp= Mgz

A vitesse constante, la traînée est équilibrée par une force propulsive (avion a moteur) ou par une perte d’énergie potentielle de pesanteur (perte d’altitude dans le cas d’un planeur). Ainsi le coefficient directeur de traînée est le rapport de la traînée d’un objet étudier à celui d’un corps de même surface qui aurait un coefficient de traînée (Cx) de 1.

 

Formule de la traînée:  1/2*p*S*V²*Cx

On retrouve la force d’aérodynamique, avec le coefficient de traînée Cx.

La traînée de l'aile est proportionnelle à son incidence : plus l'incidence est forte, plus la traînée est importante, il faut donc ajouter de la puissance moteur pour maintenir une altitude constante.

Il existe 3 traînées :

la traînée de forme, elle dépend de la surface de l'avion, en effet elle représente l’essentiel de la traînée d’un obstacle mince. Suivant l’épaisseur d’une aile, la traînée de forme se crée ou disparaît.

la traînée de frottement, elle dépend des différences de vitesse entre les écoulements de l’air. En effet, si la vitesse de l’air s‘écoulant autour de l’aile est transsonique ( c’est-à-dire lorsque la vitesse est supérieur à celle du son, soit 340 m/s) il se produit une onde de choc qui dissipe l’énergie mécanique est crée des turbulences.

Des tourbillons marginaux se sont créés aux extrémités des ailes ( ci-dessus)

 

 

la traînée induite, elle est générée par la différence de pression entre l'intrados et l'extrados : l'air en surpression du dessous de l'aile passe au-dessus, créant une rotation des filets d'air. Il s'ensuit une rotation des filets d'air au niveau des bords de fuite et aux extrémités de chaque aile. Des tourbillons se forment alors : tourbillons libres aux bords de fuite et tourbillons marginaux aux extrémités des ailes ( voir ci-dessus)

Ainsi, la somme de ces traînées forme la traînée totale.

 Pour un aéronef donné, la finesse varie en fonction de l'incidence de l'aile. Cependant, comme le coefficient de portance varie aussi avec l'angle incidence, pour obtenir une portance équivalente au poids, il faut adapter la vitesse.

On parle également de finesse le rapport Cz/Cx.

C'est pourquoi la finesse varie avec la vitesse.

Définition:

Planeur: avion sans moteur

Newton:

Angle d’incidence:

angle entre la normale et le sens du mouvement
Unité de force en physique

 

 

 

 

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