Overblog Suivre ce blog
Editer l'article Administration Créer mon blog
5 octobre 2007 5 05 /10 /octobre /2007 18:14

Matériel :

·          feuilles de papier

·          1 plaque en carton attachée à une corde

Introduction : Nous disions que sur les engins dotés d’ailes ou d’hélices, c’était le déplacement de l’air sur une surface portante (l’aile de notre avion) qui créait une force portante capable de maintenir l’aéronef en l’air. Pendant le vol, c’est l’avion qui se déplace dans l’air, mais un observateur placé dans l’avion peut considérer qu’il voit l’aile immobile et que c’est l’air qui se déplace, c’est ce que l’on va reproduire dans une soufflerie à l’aide d’une maquette d’avion. On peut alors matérialiser le déplacement de l’air au moyen de fumée ou de brins de laine très fins : on appelle « filet d’air » une suite de particules d’air suivant la même trajectoire, formant ainsi un fil continu que l’on dessinera dans les schémas sous forme d’un trait fin.

Quelques données théoriques :

1°) Ecoulement de l’air

Ecoulement est le terme générique définissant le déplacement de l’air ; on distingue en général trois types d’écoulement classés selon le comportement des particules d’air (dessiner au tableau les différents types d’écoulement) :

-          (fig. 1) L’écoulement laminaire : les particules d’air suivent toutes des trajectoires rectilignes parallèles entre elles. On peut imaginer que l’air est constitué de lames superposées, glissant parfaitement les unes sur les autres.

-          (fig. 2) L’écoulement turbulent : les particules d’air suivent des trajectoires quasiment parallèles entre elles, mais qui ne sont plus rectilignes, tout en se déplaçant globalement dans la même direction avec une même vitesse d’ensemble.

-          (fig. 3) L’écoulement tourbillonnaire : l’ensemble de l’écoulement est très désordonné et, bien que globalement tout l’écoulement d’air se déplace dans la même direction, certaines particules peuvent remonter le courant et former ainsi des tourbillons.

(fig. 4) Couche limite : au voisinage d’une surface solide, la vitesse de l’écoulement ralentit au fur et à mesure que l’on s’en rapproche pour finalement s’annuler au contact de celle-ci. Ce phénomène est causé par la viscosité de l’air : le mouvement des particules d’air est freiné par leur frottement les unes contre les autres et tout au long de la surface.

2°) Soufflerie aérodynamique ou soufflerie Eiffel (inventée par Gustave Eiffel)

(fig. 5) Une soufflerie est essentiellement composée des quatre élément successifs suivants :

-          le collecteur, ou convergent

-          la chambre d’expérience

-          le diffuseur, ou divergent

-          le ou les ventilateurs

Le collecteur est muni de filtres ou de grilles qui vont peigner l’air afin de le rendre laminaire.

Le collecteur a une forme convergente, ce qui permet d’accélérer l’écoulement (expérience avec un cornet de papier).

Le diffuseur est légèrement divergent afin de ralentir la vitesse de l’écoulement.

Le ventilateur aspire l’air en amont depuis l’avant du collecteur pour le rejeter à l’extérieur, ainsi la chambre d’expérience ne subit pas les turbulences qui sont créées à l’arrière des pales du ventilateur. Si on relie le diffuseur au collecteur, on obtient une soufflerie dite « à retour »

Questionnement : Comment l’air va-t-il maintenir l’avion en l’air, quelles sont les forces en jeu ?

Conceptions initiales - Evolution, expériences, recherches documentaires :

v       L’air pousse sous l’aile

Nous ne disposons pas d’une soufflerie pour nos expériences, mais nous pouvons reproduire certains phénomènes.

v       Expérience 1 (fig. 6 à reproduire dans le cahier) : souffler sous une feuille placée à l’horizontal Þ le vent va pousser en-dessous.

 

v       Expérience 2 (fig. 7 à reproduire dans le cahier) : souffler au-dessus de la feuille Þ la feuille se lève.

 

Ø        Pourquoi ?

Ø        Loi de Bernoulli du nom du physicien qui avait démontré que, dans un fluide en écoulement, la vitesse et la pression varient en sens inverse. Au-dessus de la feuille, l’air étant accéléré, la pression diminue localement ; inversement, au-dessous de l’aile, l’air est freiné et par conséquent la pression augmente localement. C’est la pression sous la feuille associée à la dépression du dessus qui va soulever la feuille ou l’aile de l’avion.

v       Expérience 3 : même genre d’expérience mais avec une surface rigide comme une aile d’avion. Prenons en main une plaque plane, en la tenant bien verticale, déplaçons-la horizontalement rapidement Þ on ressent une certaine force qui tend à s’opposer au déplacement.

(fig. 8) Placée dans la chambre d’expérience d’une soufflerie, on observe que l’écoulement de l’air est perturbé. A l’avant de la plaque, l’air va exercer une forte pression, tandis qu’à l’arrière se forme un « vide » relatif qui tend à aspirer la plaque vers l’arrière.

La pression à l’avant de la plaque à laquelle s’ajoute la dépression tourbillonnaire à l’arrière forment une force horizontale : la résistance de l’air.

Ø        Quels sont les paramètres qui influencent la résistance de l’air ?

Ø        La force avec laquelle on tire la plaque : la vitesse de la plaque

Ø        La grandeur de la plaque : l’aire de la plaque

Ø        La forme de la plaque : à surface égale, la forme influe

Ø        La masse volumique de l’air : plus l’air est dense, plus la résistance de l’air est importante

Ø        1. L’aire de la plaque : si on double l’aire de la plaque plane, la résistance de l’air double également. La résistance de l’air est proportionnelle à l’aire de la plaque

Ø        2. La vitesse d’écoulement : en augmentant la vitesse d’écoulement, la force exercée par l’air augmente fortement. La résistance de l’air est proportionnelle au carré de la vitesse, en conséquence, si la vitesse d’écoulement triple, la résistance de l’air est multipliée par neuf.

Ø        3. La masse volumique de l’air : si on monte en altitude, la densité de l’air diminue : il y a moins de particules d’air dans un même volume, dons la résistance de l’air diminue aussi. La résistance de l’air est proportionnelle à la masse volumique de l’air.

Ø        4. La forme du corps :

§          Un disque (fig. 9) : difficulté à contourner un obstacle, forte pression à l’avant, dépression tourbillonnaire à l’arrière.

§          Une demi-sphère (fig. 10) : l’air contourne facilement l’avant de la demi-sphère, mais à l’arrière subsiste toujours la zone tourbillonnaire.

§          Une sphère (fig. 11) : la zone tourbillonnaire est fortement diminuée, mais pas complètement résorbée.

§          (fig. 12) Pour réussir à combler cette zone tourbillonnaire, on déforme légèrement la sphère pour obtenir un corps ayant sensiblement la forme d’un œuf. Les filets d’air se rejoignent à l’arrière sans présenter de tourbillons.

Rappel : Résistance de l’air R = r.V2.S.K

avec : R   résistance de l’air exprimée en Newton

               r             masse volumique de l’air exprimée en kg/m3

               V             vitesse de l’avion exprimée en m/s

               S              surface de la voilure exprimée en m2

K             coefficient qui tient compte de la forme du corps et de son état de surface

Exemple : Quelle est la résistance de l’air R d’un parachute de surface 30 m2, dont le coefficient K vaut 1,4 à proximité du sol où la masse volumique de l’air est égale à 1,225 kg/m3 et dont la vitesse de chute est de 4 m/s ?

R = 1,4 x 1,225 x 42 x 30 = 825 N (Newtons)

v       Expérience 4 : surfaces portantes

Ø        Que se passe-t-il si on incline la plaque plane (comme une aile sur un avion) ?

Ø        La résistance de l’air est moins importante

Ø        Oui, mais les zones de surpression et de dépression subsistent

Quels vont être les effets sur la plaque inclinée ?

Tirer rapidement une plaque de carton par une ficelle Þ la plaque s’élève

Cette fois, la force qui s’exerce sur la plaque n’est plus horizontale, mais est inclinée vers l’arrière : on l’appelle alors résultante aérodynamique.

(fig. 13) On va la décomposer en deux forces :

-          Une composante horizontale (parallèle au sens de l’écoulement) qui constitue le traînée.

-          Une composante verticale (perpendiculaire au sens de l’écoulement que l’on appelle la portance.

Dans le cas d’une aile d’avion, et bien que celle-ci ne soit pas exactement une plaque plane inclinée, la portance est la force qui va permettre de vaincre le poids de l’avion. Par contre, la traînée constitue la résistance à l’avancement : il faut donc chercher à réduire au maximum cette dernière.

(fig. 14) Sur un avion en vol horizontal à vitesse constante, la portance équilibre le poids (vol horizontal), et la traction de l’hélice doit équilibrer la traînée (vol à vitesse constante).

 

Surface courbe inclinée (fiche 15 : surface courbe inclinée)

On s’aperçoit en effet qu’une aile ne ressemble pas à une plaque plane inclinée, mais à une surface courbe inclinée

v       Pourquoi les ailes sont-elles courbes ?

v       Pour que l’aile pénètre mieux dans l’air, soit plus aérodynamique

v       Oui, la zone tourbillonnaire va presque disparaître totalement, mais pas seulement.

Revenir à l’expérience de la feuille placée à l’horizontale, mais cette fois-ci nous allons veiller à ce que cette feuille reste plate, puis nous allons souffler au-dessus de la feuille Þ peu de soulèvement

Même expérience, mais cette fois-ci en laissant la feuille se courber naturellement Þ fort soulèvement

Souvenons-nous de la loi de Bernoulli : dans un fluide en écoulement, la vitesse et la pression varient en sens inverse.

Sur une surface courbe, les filets d’air s’incurvent et « collent » (viscosité de l’air) à la surface. Les particules d’air sont contraintes de parcourir une distance plus grande : leur vitesse va donc s’accroître fortement. Au-dessus de l’aile, l’air étant accéléré, la pression diminue localement ; inversement, au-dessous de l’aile, on verra que l’air est freiné et qu’en conséquence, la pression augmente localement.

On s’est aperçu en soufflerie de façon empirique que la résultante aérodynamique sur une surface courbe inclinée est plus importante que pour une plaque plane identique : la portance augmente et la traînée est plus faible.

 

Profils d’aile (fiche 16 : profils d’aile)

 

Fiche élève n° 2 (AM 1-09)

 

Travail à la maison : Initiation à l’aéronautique pp 19-26

QCM 2 Aérodynamique

Partager cet article

Repost 0
Published by Borgne - dans Cours
commenter cet article

commentaires

yann 13/12/2010 22:25



bonjour je fais actuellement un travail pour le lycée sur l'avion et je trouve votre site très intéressant cependant aucune image des figures ne s'affiche



Manu 15/12/2010 19:47



C'est normal, je donne ce cours au Tréport, nous avons un cd-rom avec toutes les figures mais malheureusement pas en ligne.



Présentation

  • : AERO-CLUB EU - LE TREPORT - MERS
  • AERO-CLUB EU - LE TREPORT - MERS
  • : AEROCLUB EU - LE TREPORT - MERS Route de l’Ermitage 76260 Eu Tél : 02 35 86 87 54 Formations théoriques et pratiques ULM et avion
  • Contact

Tarifs au 1er Janvier 2012

Cotisation Club (adhésion annuelle) : 200 €

Cotisation élève annuelle : 100 €
Cotisation "Vacances" (par mois ou 30 jours) : 40 €

Licence FFA
Licence + Assurance : 65 €
Licence + Assurance : 99 €

Heure de Vol  DR400 : 125 €

Location du hangar (par machine au semestre) : 95 €
Tout stationnement sous hangar implique obligatoirement l'adhésion à l'association.

Pour toute nouvelle inscription :
1 photo d'identité
1 photocopie pièce d'identité
1attestation assurance machine
1 certificat médical pratique aéronautique

Recherche

Informations baptêmes

 

Baptême Avion (1 à 3 passagers)
Promenade 12 à 15 minutes
1 pers : 47 €
2 pers : 63 €
3 pers : 73 €


Promenade baie de Somme
1 pers : 84 €
2 pers : 105 €
3 pers : 126 €


Contact :
Gilbert  : 06 20 82 41 15 

 



Baptême ULM

        (1 passager)
15 min : 42 €
30 min : 58 €
60 min : 90 €


Contacts :
Autogire

Fabien :    06 83 84 43 54

 

Multiaxes       (cabine fermée)

J-Claude : 06 84 68 77 64

Antoine :    06 71 87 16 61

Greg      :    06 89 65 07 81

 

Pendulaire

Bruno :      06 88 32 70 72

Didier :      06 82 54 10 56

 

Infos sur le BIA