Mécanique du vol

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Mécanique du vol
Pour comprendre comment vole un
avion, nous allons étudier les
phénomènes physiques qui
permettent ce « petit miracle »
1
La masse d’un corps
Un corps qui chute voit sa vitesse augmenter selon une
certaine accélération, due à l’attraction terrestre.
Le produit de sa masse « m »
par l’accélération de la
pesanteur « g » représente
cette force due à l’attraction
terrestre.
Cette force s’exprime en
newtons et on l’exprime par:
P = m.g
A nos latitudes moyennes:
g = 9,81 m / s²
2
La masse
Les avions sont soumis à cette même loi !
Le pilote devra faire en sorte que
le retour de l’avion au sol (avec
ses occupants) se fasse de la
manière la plus douce possible !
Je ferai
mieux la
prochaine
fois
3
Notion de mouvement
Lorsque un objet se déplace on dit qu’il y a mouvement.
Un mouvement se caractérise à un instant donné par:
1. Une vitesse
2. Une direction de déplacement
Si le mouvement ne varie ni en vitesse ni en direction, on dit
que l’objet est en équilibre.
Si la vitesse, la direction ou les 2 varient, il y a déséquilibre.
Le maintien d’un mouvement est un équilibre
Une mise en mouvement est un déséquilibre
L’arrêt d’un mouvement est un déséquilibre
Une changement de trajectoire est un déséquilibre
4
Notion de stabilité et d’instabilité
•
Un objet est en équilibre lorsque toutes les forces qui lui
sont appliquées s’équilibrent entre elles.
On dit alors que leur résultante est nulle
•
Inversement lorsque les forces qui s’appliquent sur un
objet ne s’équilibrent pas, leur résultante n’est pas nulle,
il y a déséquilibre.
•
Pour un avion on parlera d’équilibre et de déséquilibre
mais aussi de stabilité et d’instabilité.
La notion de stabilité et d’instabilité n’existe que pour les
objets en équilibre.
5
L’avion et son milieu
L’air c’est le milieu dans lequel évolue l’avion.
Propriétés physiques:
1
2
3
4
5
expansible
compressible
élastique
pesant
1.225 g/litre au niveau de la mer
visqueux
L’air expansible et pesant exerce une pression
perpendiculaire à toutes les surfaces avec lesquelles il est en
contact.
6
L’avion et son milieu
L’air est un fluide et comme tel son mouvement est
appelé écoulement.
Cet écoulement peut être:
1
laminaire
2
turbulent
7
9.L’avion
et son milieu
La résistance de l’air
Tout objet en mouvement dans l’air est soumis de la part de
celui-ci à une résistance qui tend à s’opposer à ce
mouvement.
Cette résistance a son origine dans les propriétés d’inertie,
de viscosité et de compressibilité mais dépend aussi de la
forme et de l’état de cet objet
Cette action se traduit par 2 forces:
1
une force élémentaire de pression
2
une force élémentaire de frottement
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L’avion et son milieu
Pression élémentaire
Frottement élémentaire
9
100 %
Si l’on place une plaque perpendiculairement à un écoulement
d’air, initialement laminaire, cet écoulement est perturbé.
La résistance à l’écoulement est de 100%
10
50%
Si l’on remplace la plaque par une sphère de même maîtrecouple, la résistance à l’écoulement est diminuée de 50%
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15%
Si l’on modifie le profil arrière de la sphère, la résistance
n’est plus que de 15%
12
5%
Elle passe à 5% si l’on allonge encore le profil arrière.
13
b
1/3
2/3
a
Les formes fuselées qui présentent en subsonique la moindre
résistance ont une épaisseur relative b / a comprise entre 1/3 et
1/4.
La valeur maxi de « b » se situant au 1/3 de « a »
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Principe du mouvement relatif
Par mouvement relatif il faut entendre
indifféremment:
1
déplacement du corps dans l’air
2
déplacement de l’air autour d’un corps
Le courant d’air baignant le corps en mouvement
relatif est nommé vent relatif.
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Le profil de l’aile
16
Le profil de l’aile
Epaisseur
Extrados
Ligne moyenne
Intrados
Corde de référence
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L’angle d’incidence
a
VENT RELATIF
Le vent relatif est le flux d’air engendré par le déplacement de
l’avion
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L’incidence alpha (a)
Angle entre l’axe longitudinal de l’avion et le vent relatif.
C’est à travers la modification de cet angle d’incidence en modifiant
l’assiette que vous allez agir sur les différentes force qui sont
appliquées à l’avion.
Une autre possibilité sera la modification du profil aérodynamique par
l’intermédiaire des dispositifs hypersustentateurs
a
Axe longitudinal
19
15.
Origine de la sustentation
Région non perturbée
Région non perturbée
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Relation entre la section et la vitesse d’un
fluide en mouvement
V2
V1
V3=V1
Section S2
Section S1
Section S3
Lorsque on diminue la section offerte à l’écoulement d’un fluide, la
vitesse de ce fluide augmente.
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Relation entre la pression et la vitesse d’un
fluide en mouvement
1er cas: pas de vent relatif
P0
P0
P0
P0
Po
La pression est identique en chaque point du tube
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Relation entre la pression et la vitesse d’un
fluide en mouvement
2ème cas création d’un flux d’air
P1
V3=V1
V2
V1
P3
P2
P0
P0
P0 – P1
P0
P0 – P2
Po – P3
Une augmentation de vitesse s’accompagne d’une diminution de
pression et inversement.
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Effet résultant
Pression atmosphérique
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Pas de vent relatif, portance nulle
25
Vent relatif
75% de la portance est assurée par la dépression liée à
l’extrados de l’aile, alors que la surpression liée à l’intrados y
participe à hauteur de 25%.
26
16.
Résultante aérodynamique
Ra
Centre de poussée
Le centre de poussée est le point où s’applique la résultante
aérodynamique
27
17.
Portance et traînée
Rz
Ra
Vent relatif
Rx
Ra est la composante de 2 forces: Rz et Rx
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. La PORTANCE : composante perpendiculaire au vent
relatif, c’est à dire à la trajectoire
. La TRAINEE : composante parallèle au vent relatif, c’est
à dire à la trajectoire et qui s’oppose à l’avancement.
PORTANCE: Rz
VENT RELATIF
TRAINEE : Rx
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Portance et traînée
Rz
Ra
Rx
La portance Rz est toujours perpendiculaire au vent
relatif
La traînée Rx est toujours parallèle au vent relatif
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Bilan des forces
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Les facteurs qui influent sur la portance et la traînée.
1. L’angle d’incidence a
2. La forme du profil
3. La forme et l’allongement de l’aile
4. La vitesse relative
5. La surface de l’aile
6. La densité de l’air
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1er cas: Profil symétrique incidence nulle
Portance nulle
Traînée
Vent relatif
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2eme cas: Profil disymétrique incidence faible
Portance
Traînée
Vent relatif
34
3ème cas: profil disymetrique incidence forte
Portance
Traînée
Vent relatif
35
4ème cas: l’incidence atteint une valeur critique
Vent relatif
1. Portance en brusque décroissance
2. Traînée forte
L’aile décroche
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En vol normal, l’incidence a est faible les filets d’air,
matérialisés par les brins de laine collent au profil.
37
L’angle d’incidence a à augmenté, les filets d’air proches du
bord de fuite, commencent à être perturbés et se décollent
de l’aile
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La zone de perturbation, au fur et à mesure que l’incidence
croit, s’amplifie vers l’avant et gagne du terrain en direction
du bord d’attaque
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On remarque que les filets d’air sont d’autant plus perturbés
qu’ils sont proches de l’emplanture de l’aile…(plus proches du
fuselage)
40
Même remarque…
41
Les 2/3 de l’aile sont concernés…
De plus, on peut observer qu’une partie des filets d’air en
provenance de l’intrados revient sur l’extrados par le bord
de fuite, on voit que certains brins de laine sont dirigés
cette fois vers l’avant.
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Le décrochage n’est plus très loin…
Notez l’angle formé par la corde de l’aile et l’horizon.
Corde
43
5ème cas: l’incidence négative: portance nulle
Vent relatif
Dépression à l’intrados et à l’extrados
La résultante aérodynamique se résume à la
traînée
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Angle d’incidence et centre de poussée
Rz
Ra
Vent relatif
Rx
Cp
A chaque angle d’incidence correspond une position du
centre de poussée Cp
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20.
Angle d’incidence et centre de poussée
Rz
Ra
Vent relatif
a = 2°
Rx
Pour un angle d’incidence de 2°, Cp est à environ 47% de la
corde
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Angle d’incidence et centre de poussée
Rz
Ra
Lorsque l’angle d’incidence a croit,
le centre de poussée avance
Rx
a=15°
Vent relatif
Pour un angle d’incidence de 15°, Cp est à environ 30% de la corde
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La finesse
Définition:
c’est l’aptitude d’un avion à
«transformer» en vol plané une hauteur
H en distance D.
H
D
Si D = 10 H, on dit que la finesse de l’avion est de 10
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La finesse
Rz
Ra
Vent relatif
Rx
Mais c’est aussi le rapport entre la Portance Rz et la traînée
Rx:
f = Rz / Rx
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La finesse
Rz
Ra
Vent relatif
Rx
La finesse varie donc en fonction de l’angle d’incidence.
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