La Portance et L'avion

La Portance et L'avion

La Portance et L'avion

I) La force de portance, qu'est ce que c'est ? 

A) La Portance et sa définition. 

La portance est, dans le domaine de la mécanique des fluides, la composante de la force subie par un corps qui est en mouvement dans un fluide. Elle s'exerce perpendiculairement à la direction de ce mouvement. 

sac de pilote bandoulière

Qu'est ce que le coefficient de portance ? Elle est tout simplement la valeur numérique de cette force. Par exemple, pour les ailes d'un avion, le coefficient de portance de ces ailes diminue lorsque la vitesse supersonique augmente. Cependant, les fuselages, eux, ont un coefficient de portance qui est invariable quel que soit le nombre de Mach (vitesse d'un avion)

avion qui plane

B) Dans la mécanique des fluides

De fait, il faut savoir qu'un fluide exerce une force sur un objet lorsqu'il circule autour de sa surface. C'est donc cette Portance qui est, comme nous l'avons signalé précédemment, la composante de cette force qui est perpendiculaire à la direction du flux venant en sens inverse. Comme nous l'observerons plus tard dans l'article, la Portance contraste avec la force de traînée (force parallèle à la direction de l'écoulement), mais pas que. 

avion qui plane

Aussi, si le fluide en question qui circule autour de la surface de l'objet est de l'air, alors on va parler de force aérodynamique (avion). Cependant, il existe aussi la force hydrodynamique lorsque le fluide est un liquide (sous-marin). 

C) La portance d'un avion, que faut-il savoir ? 

La vitesse d'un avion ne suffit pas pour qu'un avion puisse voler. C'est ici toute l'utilité de la portance. C'est cette force verticale allant vers le haut pour contrer la gravité et soulever l'avion du sol. Grâce à quoi nous pouvons décoller aussi ? Vous remarquerez que tous les avions ont des ailes. Ce n'est pas pour rien. C'est grâce à elles aussi que l'avion pourra planer et qu'il aura une optimisation de la portance. Par exemple, si vous prenez un oiseau, comment va-t-il planer ? il ouvrira ses ailes et le fera toujours sinon il tombera simplement au sol. 

sac de pilote

Observation de la portance 

Que remarque-t-on dans l'image ci-dessous? Avec l'objet, vous pouvez voir que le vent va être contraint de modifier sa trajectoire mais la force fera que le vent qui se situe au dessus de l'objet modifiera différemment sa trajectoire par rapport au vent qui se situe en dessous de l'objet. L'air qui passe sous l'aile est ralenti par rapport à la vitesse "normale" de l'air. 

portance

Voici deux exemples : un avec et l'autre sans portance. 

sans portance

avec portance

Le vol de l'avion (objet significativement plus lourd que l'air) est alors possible grâce à des phénomènes physiques tels que : la portance, mais aussi la traînée, le poids et la poussée que nous verrons plus tard. Très succinctement, la portance d'un avion se retrouve lors de l'utilisation des ailes, et les moteurs sont utilisés pour la poussée. Aussi, le poids de l'avion est évidemment contrôlé par les matériaux de celui-ci puis la traînée est réduite par l'aspect lisse de l'avion. 

II) La formule de la portance

A) Les facteurs de portance

la traînée et la portance dépendent toutes les deux de plusieurs facteurs qui sont les suivants : 

  • La masse volumique de l'air (ρ)
  • La vitesse du vent (V)
  • L'incidence (α)
  • La surface alaire (S)
  • La forme du profil
  • Les conditions de surface (Rugosité)
  • La compressibilité 

L'équation de la portance est : Rz = 1/2 ρ V2 Cz

Rz va dépendre de :

  • la pression dynamique 1/2 ρ V2
  • la surface alaire S
  • le coefficient de portance Cz

B) Le coefficient de la portance

C'est un nombre qui permet de calculer sa portance. Il fait partie de la famille des coefficients aérodynamiques. Il sera utilisé lorsqu'on veut calculer l'effet de la portance sur un objet lorsqu'il se déplace. Il faudra prendre en compte aussi la forme de l'objet que l'on étudie. Le coefficient de portance sera différent en fonction de l'avion par exemple. Ce coefficient est généralement celui de la portance verticale : Cz (que l'on a vu au dessus). 

sac de pilote en cuir

C) Expérience de portance

Nous allons ensemble simuler la portance pour que cela soit bien clair pour vous. Premièrement, il faut que vous preniez une feuille de papier

Comment faire ? Dans un premier temps, Prenez une feuille A4. Pliez la en deux dans le sens de la longueur. Pliez la en deux de nouveau dans le sens de la longueur. 

portance

Vous obtiendrez une bande de papier. déchirez la en deux pour avoir la moitié. Il vous restera la moitié d'une feuille A4 pliée en 2. Jusque là tout est bon. Prenez ainsi le restant de la feuille et tenez le papier le plus proche possible de vous dans le sens où il faut que le bout de feuille qui est le plus éloigné de vous, pende dans le vide. Mettez alors le bout que vous tenez juste en dessous de vos lèvres et soufflez de manière constante

portance expérience

Quel est le résultat ? Le papier va se soulever et ne pendra plus. En effet l'air va se déplacer différemment au dessus de la surface qui est portée

III) Les Forces permettant à l'avion de voler

A) La traînée

La traînée est la résistance qui apparaît entre l'air et un objet. On a en tête un avion qui peut être ralenti par les flux d'air allant au sens opposé de celui-ci. 

décollage portance

a) traînée de pression

Prenons l'exemple d'un athlète qui court un jour où le vent est présent. Il fait un 400m et il se trouve qu'à un angle du terrain, il a beaucoup de mal à courir car le vent le pousse à l'opposé. Cela s'appelle la traînée de pression

b) traînée visqueuse

Cela existe aussi pour les nageurs. Cela s'appelle la traînée visqueuse (avec l'eau) où les athlètes sont ralentis par l'écoulement de l'eau le long de leur corps.

traînée visqueuse 

La traînée est proportionnelle à la pression dynamique et à la zone sur laquelle elle agit. Contrairement au coefficient de la portance, les ingénieurs conçoivent généralement le coefficient de traînée pour qu'il soit le plus bas possible. Plus le coefficient de traînée est faible, plus l'avion  est apte à aller plus vite car il sera moins ralenti

B) La poussée

La poussée a un lien avec la propulsion. Elle est une force qui peut être décrite par la loi de Newton tout simplement. La forme de cette loi ici serait : F=ma 

loi de newton

La force (F) est égale à la masse (m) multipliée par l'accélération (a). On va noter la poussée (T) qui est produite en accélérant une masse d'air. 

C) Le poids

Le poids, la masse de l'avion est fondamental pour le calcul de la vitesse et de la vitesse maximale de celui-ci. Par exemple, un avion qui est très lourd aura besoin de beaucoup plus de portance pour aller vite qu'un avion plus léger. On peut considérer aussi que la poussée devra être plus importante (d'où le fait que des gros avions aient plusieurs réacteurs) 

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On peut calculer le poids avec une autre forme de la loi de Newton : G=mg

G ici est donc le poids, m est la masse et g est l'accélération qui vient de la gravité sur la planète Terre. 

Loi de Newton