Précisions : Forces aéronautiques
Avant toute chose, il faut savoir pourquoi et comment un avion vole.
Un avion fonctionne grâce aux différentes forces aérodynamiques qui lui permettent de voler. Nous allons expliquer brièvement le principe de ces forces, afin de vous mettre dans le contexte.
Le poids
Le poids résulte de la gravité terrestre et entraine donc l'avion vers le sol. On le représente par une flèche (un vecteur) dirigée vers le bas verticalement.
Le poids peut se calculer par la formule suivante :
P = m.g
P est exprimé en Newton (N), m est la masse de l'avion en Kg et g est la constante de la gravité ~ 9.81 N/Kg
La trainée
La trainée résulte des frottements de l'air sur l'avion lors de sa pénétration dans l'air et cause un ralentissement de l'avion.
Il existe 3 types de trainées :
> La trainée parasitaire : elle dépend de la géométrie de l'appareil, de ses ailes...
> La trainée induite : elle est due aux tourbillons qui se forment autour des ailes lorsqu'un avion vole, les vortex. (photo)
> La trainée d'onde, due en grand partie aux ondes de choc causées par le vol supersonique
La formule permettant de calculer la trainée est :
Ft = 1/2 . ρ . S . Cx . V²
p représente la masse volumique de l'air (kg/m3), S la surface alaire de l'appareil en question (m²) , Cx le coefficient de trainée, variable selon les appareils et V la vitesse de l'avion à un instant précis : la vitesse relative (m/s). (pour les calculs ci-dessous, nous utliserons la vitesse de croisière de l'avion).
La traction
La traction, aussi appelée poussée, est la force qui propulse l'avion vers l'avant. Elle est due pour un avion à ses réacteurs ou hélices. On la représente par un vecteur dirigé dans le sens du mouvement de l'avion. Elle s'oppose à la trainée.
La portance
La portance est la force qui permet à un avion de voler. Elle s'exerce au niveau des ailes, de manière perpendiculaire à ces dernières, quelle que soit leur position spatiale.
La formule permettant de calculer la portance est semblable à celle de la trainée, si ce n'est que le coefficient de trainée Cx est remplacé par le coefficient de portance Cz
Rt = 1/2 . ρ . S . Cz . V2
Les ailes de tous les avions ont toujours été bombées, sinon, l'avion ne pourrait pas voler. En effet, la forme arrondie du dessus de l'aile "oblige" l'air s'écoulant à sa surface à accélérer par rapport à l'air s'écoulant sur le dessous de l'aile, l'intrados (schéma) . Cette accélération crée une dépression au dessus de l'aile. La pression étant plus forte sous l'aile que sur, l'aile est maintenue en suspension, compensant ainsi le poids et la trainée et permettant à l'avion de voler.
EXEMPLES :
Nous allons calculer pour le Boeing 787 la valeur de ces forces
Données
- Surface alaire S = 541,5 m²,
- Vitesse de croisière V = 902 km/h = 250.6 m/s
- Coefficient de trainée Cx = 0.01
- Coefficient de portance Cz = 0.7
- Masse volumique de l'air p =1,2 kg/m3
Poids : P= m.g
= 220t * 9.81
= 2.2 x 10^6 N
Portance : Rt = 1/2 . ρ . S . Cz . V2
= 1/2 . 1,2 . 541,5 . 0,7 . (250.6)²
= 1.4 x 10^7 N
Traînée : Ft = 1/2 . ρ . S . Cx . V²
= 1/2 . 1,2 . 541,5 . 0,01 . (250.6)²
= 2.0 x 10^5 N