L'aérodynamique

      L'aérodynamique est une science issue de la dynamique des fluides qui porte sur l'étude des forces exercées par l'air sur un objet. Elle s'applique aux véhicules en mouvement dans l'air et aux installations fixes subissant ainsi les effets et les frottements du vent. L'étude des moyens de transports terrestres et aériens est donc directement dépendante de cette science qui précise les lois de la nature dans ce domaine.

L'air qui nous entoure est un fluide. Il est défini par trois critères aux valeurs variables :

- la masse volumique notée ρ (ou rho) en kg.m-3 (ρ varie avec la température et la pression) ;

- la pression exprimée en Pascal ;

-  la température exprimée en Kelvin.

      Ces trois paramètres sont importants car l'air s'écoule différemment selon leur valeur. On considère trois types d'écoulement de l'air :

L'écoulement est dit laminaire lorsque les particules d'air suivent des trajectoires rectilignes et parallèles.

 

écoulement laminaire

Ecoulement laminaire

L'écoulement est dit turbulent quand les particules d'air ne suivent plus une trajectoire rectiligne mais restent parallèles.

écoulement turbulent

Ecoulement turbulent

Enfin, l'écoulement est dit tourbillonaire lorsque les particules d'air ne suivent plus aucune trajectoire et ne sont ni parallèles entre-elles, ni rectilignes. Leur mouvement est alors aléatoire et l'écoulement désordonné.

tourbillonaire

Ecoulement tourbillonaire  

      A l'approche d'une surface solide, l'air a la particularité de pouvoir freiner. La zone où l'air est ralenti se nomme "couche limite". Celle-ci est responsable de la résistance de l'air. Cependant, il faut faire attention à ne pas confondre la résistance de l'air et la poussée des particules d'air sur la plaque. 

       Avant la surface de la plaque, l'écoulement de l'air est laminaire et à son arrivée au niveau de la plaque, il devient turbulent. Derrière celle-ci, il ressort tourbillonaire, créant une dépression qui aspire la plaque vers l'arrière. C'est ce qui se produit avec une aile d'avion sauf que sa forme biseautée entraine une résistance de l'air plus faible au-dessus et supprime les mouvements tourbillonaires. Cette aile est appelée surface portante. Toutes les surfaces portantes possèdent les mêmes caractéristiques : le bas est plat et le dos est courbe. L'air du dessus doit donc se déplacer plus vite pour atteindre le bord arrière en même temps que l'air du dessous, car deux particules d'air se séparant au cours d'un déplacement doivent se retrouver côte à côte lorsqu'elles se rejoignent.

      Cependant, plus le filet d'air se rapproche du bord de fuite plus il devient instable. Quand l'angle d'incidence de l'aile est trop élevé, le filet d'air peut alors devenir tourbillonaire, comme sur la plaque (schéma de gauche), la portance devient nulle et l'avion tombe. Ce phénomène est appelé le décrochage.

      La résistance de l'air peut se mesurer sur n'importe quel solide en déplacement avec l'équation suivante :

R= K. ρ.V².S

R : résistance de l'air en Newton ;

K : coefficient sans unité qui caractérise la forme et la surface du solide ;

ρ : masse volumique de l'air en kg.m-3 ;

V : vitesse des particules d'air en m.s-1 ;

S : aire de la surface en m².

      Il y a quatre forces principales qui s'exercent sur un avion en vol. La force qui permet à l'avion d'avancer s'appelle la poussée. Celle-ci est fournie par les moteurs de l'avion. L'avion rencontre également la résistance de l'air qui s'oppose à la poussée de l'avion : cette force s'appelle la traînée. Enfin, la portance est la force qui permet à l'avion de se maintenir en l'air, elle s'oppose à la force de gravité. Pour qu'il y ait une portance utilisable, il faut que l'aile avance dans le fluide avec un certain angle d'incidence mesurable en degrés (il peut être positif ou négatif). Si cet angle d'incidence augmente, la portance et la trainée augmentent aussi et l'aile finit par "décrocher". La portance s'effondre alors brutalement tandis que la trainée continue d'augmenter, d'où la perte de vitesse.

Forces aérodynamiques  

                                                                          Forces aérodynamiques appliquées sur un avion en vol

C'est la résultante de ces quatre forces qui permet à un avion de voler.

      Au XVIIIème siècle, le physicien Daniel Bernoulli a montré que l'augmentation de la vitesse de déplacement de l'air diminue la pression que celui-ci exerce. C'est ce qui arrive à une aile d'avion en vol. Lorsque le flux des particules d'air arrive face à l'aile, il se divise. L'air passant sur l'extrados accélère, car la distance qu'il parcourt est plus élevée, pour arriver de l'autre côté de l'aile en même temps que les particules d'air passées sur l'intrados, ce qui au final forme une résultante aérodynamique vers le haut (force de portance qui tend à faire monter ou descendre l'avion).

   

     Le principe de Bernoulli énonce donc clairement que si la vitesse augmente alors la pression diminue. Ainsi, il se crée une surpression à l'intrados et une dépression à l'extrados. L'aile est à la fois aspirée par la dépression et repoussée par la surpression : c'est le phénomène de sustentation.

  

      La dépression étant plus importante que la pression, l'aile est aspirée vers le haut et non pas poussée comme on aurait tendance à le croire.

     Dans le cas d'un véhicule terrestre, l'écoulement de l'air dépend de son profil aérodynamique qui est caractérisé par son Cx (coefficient de pénétration dans l'air). Plus son profil sera aérodynamique et plus sa pénétration dans l'air sera aisée. Le véhicule sera alors plus rapide et demandera moins d'énergie.

 

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