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Les forces exercées sur un avion

En vol, un avion subit quatre grandes forces, il en subit en réalité bien plus en raison des facteurs météorologiques, mais nous nous intéresserons à ces quatre forces principales. Il faut d’ores et déjà préciser que ces forces s’exercent sur le centre de gravité de l’avion.Enumérons ces forces : il y a tout d’abord la pesanteur, qui tend à faire tomber l’avion, et la portance, qui tend au contraire à le faire monter. En vol horizontal à une vitesse constante, la portance équilibre la force exercée par la pesanteur. Ces deux forces s’exercent verticalement sur l’avion.

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Le POIDS est la force qui est exercée sur chaque corps (de masse m) sur Terre, c’est la force qui nous attire et nous maintiens à celle-ci. Elle s’applique au centre de gravité du corps et sa direction définit la verticale qui passe approximativement par le centre de la Terre. Le poids est une action à distance toujours proportionnelle à la masse.Le Poids n’est définit que dans le référentiel terrestre. Quel que soit le corps, le rapport du poids ( ) à sa masse (m) est identique et noté   :   où   est l'accélération de la pesanteur (   est en unité m.s2  qui est l’unité de l’accélération).Nous allons voir ici comment s’exerce la portance, autrement dit, comment un avion vole.Si on prend l’expérience de la planche tenue verticalement dans un filet d’air, on constate qu’une force s’exerce sur cette planche. Si on incline maintenant cette planche dans le filet d’air, selon le sens de l’inclinaison, la planche va avoir tendance à monter ou à descendre. Cette force qui tend à faire monter ou à faire descendre la planche se nomme la résultante aérodynamique. Cette force sera notée R.  

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Une aile d’avion n’a pas un profil aussi rudimentaire qu’une planche de bois, elle est beaucoup plus profilée, et puis, si l’inclinaison d’une aile d’avion influe sur la portance, ce n’est pas ce qui fait voler un avion, loin de là. Tout d’abord une aile d’avion est courbe, et non pas plane, ceci pour faciliter l’écoulement de l’air, qui « adhère » mieux à un contour courbe. Cette adhérence de l’air permet d’éviter l’écoulement tourbillonnaire qui se crée sur le dos de l’aile, cependant, une dépression est nécessaire pour faire voler l’avion. Etudions un profil d’aile, le dos de l’aile est appelé extrados, son ventre est appelé intrados, le bord le plus bombé de l’aile, celui qui fait face à l’écoulement de l’air est nommé bord d’attaque, le bord opposé est le bord de fuite. On pourra également prendre la corde (la profondeur de l’aile est égale à la corde), qui est le segment reliant le bord d’attaque au bord de fuite. Selon différentes configuration d’ailes, on mesurera une corde, une épaisseur (segment qui part du sommet de l’extrados au minimum de l’intrados), ainsi qu’une ligne moyenne. La ligne moyenne est la courbe formée par tous les points équidistants de l’intrados et de l’extrados. 

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On peut mesurer l’angle d’incidence en degrés, c’est tout simplement l’angle que forme la corde avec les filets d’air, cette incidence peut être positive ou négative.Maintenant que nous savons comment se profile une aile, nous allons pouvoir comprendre comment vole un avion. Daniel Bernoulli, un physicien du XVIIIème siècle à montré que plus l’air circulait vite, moins la pression exercée par celui-ci était faible, c’est une loi capitale. Il faut également savoir qu’un filet d’air circulant dans un espace réduit ira plus vite qu’un filet d’air circulant dans un espace vaste, vous pouvez facilement observer ce phénomène en étant dans une rue étroite, les courants d’air y sont beaucoup plus violent que dans une grande avenue, ou alors tout simplement en dégonflant un ballon. A première vue, cela n’a rien à voir avec l’avion, mais détrompez vous, une aile est profilée de manière à exploiter ces propriétés. Lorsque l’aile se déplace dans l’air, une partie des particules d’air va passer sous l’aile, c’est à dire suivre l’intrados, et une autre partie va passer au dessus, en suivant l’extrados. Or, on a vu que l’extrados était bombé, la distance à parcourir par les particules d’air suivant l’extrados est donc supérieure à celle que doivent parcourir les particules suivant l’intrados. Une des propriétés énoncées entre alors en jeu : deux particules d’air se séparant doivent se retrouver côte à côte lorsqu’elles se rejoignent, autrement dit, le filet d’air longeant l’extrados va circuler plus vite que celui longeant l’intrados puisqu’il a plus de distance à parcourir. A ce moment là, la loi de Bernoulli entre également en jeu : un filet d’air circulant rapidement exercera une pression inférieure à celle d’un filet d’air circulant lentement, autrement dit, la pression sur l’extrados est inférieure à la pression sur l’intrados. Je vous laisse faire le rapprochement avec l’expérience de la planche, le résultat est une résultante aérodynamique vers le haut, d’où la force de portance. Attention à ne pas faire l’erreur ! L’avion est aspiré vers le haut, et non pas poussé !

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Plus le filet d’air supérieur se rapproche du bord de fuite, plus il devient instable, mais un bon profil d’aile doit empêcher l’écoulement de devenir tourbillonnaire. Il se peut, lorsque l’incidence de l’aile est trop élevée, autrement dit, quand l’avion monte trop fort, que le filet d’air sur l’extrados devienne tourbillonnaire, car il « n’accroche » plus à l’extrados de l’aile, à ce moment là, la portance devient presque nulle, et l’avion tombe comme une pierre, on dit qu’il décroche, et que cette incidence est une incidence de décrochage. Attention, un décrochage peut être meurtrier à une altitude trop faible ! La configuration du profil d’aile dépend du type d’avion (chasseur, gros porteur, avion de tourisme…).Vous avez sûrement déjà remarqué si vous avez pris un avion de ligne, les bouts d’ailes recourbés sur certains modèles d’avion, ne vous imaginez pas qu’ils sont là pour faire joli, rien ne sert à faire beau sur un avion, sauf la peinture (et encore, elle empêche la corrosion). Ces petits ailerons s’appellent des winglets, ils servent en réalité à diminuer la traînée de l’avion, et donc à améliorer ses performances et diminuer sa consommation en carburant. Nous avons vu que la pression est inférieure sur l’extrados que sur l’intrados, ces différences de pression sont présentes sur toute la surface de l’aile. Arrivé en bout d’aile, l’air va en faire qu’à sa tête, plus précisément, le filet d’air de l’intrados va avoir tendance à passer par le bord de l’aile pour aller sur l’extrados, rien de bien méchant. Seulement, l’avion avance, et avance même vite, et plus il avance vite, plus ces filets d’air seront rapides, ce qui va créer des tourbillons violents dans le sillage de l’avion, ces tourbillons sont appelés tourbillons marginaux.Ces tourbillons accroissent la trainée de l'avion, mais sont aussi dangereux pour les avions qui arrivent derrière, je parle pour le cas d'un atterrissage par exemple, ils peuvent être déstabilisés par ces turbulences, surtout les plus petits. Les winglets, comme vous le constatez sur le schéma ci-dessous, empêchent les filets d'air de contourner l'aile, et réduisent donc considérablement la trainée. 

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Récapitulons les forces qui s’exercent sur un avion : la poussée (voir la section moteurs), la traînée, la portance et le poids. Nous connaissons désormais l’aérodynamique que l’on peut observer sur un avion, du moins dans ses grandes lignes, mais je tiens avant de passer aux formules permettant de calculer ces forces, à faire un point rapide sur les dispositifs hypersustentateurs que l’on peut trouver sur tous les avions.Un dispositif hyper sustentateur est, comme son nom l’indique un dispositif permettant d’augmenter la portance, les pilotes s’en servent lors des phases de décollage et d’atterrissage afin de pouvoir voler plus lentement de manière stable. Le moindre petit coucou possède un dispositif hypersustentateur, cependant, celui des avions de lignes est plus élaboré que sur un avion de tourisme. Prenons le cas d’un dispositif hypersustentateur simple : le volet Fowler. Tous ceux qui se sont amusés sur Flight Simulator l’on aperçu, et ont joué avec, il s’agit tout simplement d’abaisser le bord de fuite de l’aile, afin d’augmenter la pression sur l’intrados de l’aile, et donc augmenter la portance. Sur les avions de lignes, le dispositif hypersustentateur est composé de deux parties : le bec de bord d’attaque, et le volet de bord de fuite (celui-ci fonctionne sur le même principe que sur les avions de tourisme, mais est plus élaboré). Le bec de bord d’attaque sert à mieux rabattre le filet d’air sur l’extrados, afin de rabaisser la vitesse ou il devient instable, et donc de diminuer la vitesse de décrochage. On peut trouver des becs de bord de fuite sur les avions de tourisme également, notamment ceux qui tractent les planeurs.
Outre les dispositifs hypersustentateurs, il y a sur pratiquement tous les avions des dispositifs hypo-sustentateurs, qui à l'inverse des volets et des becs de bord d'attaque, détruisent la portance, on les appelle des spoilers, ou plus couramment, des aérofreins. Vous les avez certainement aperçus lors d'un atterrissage à bord d'un avion de ligne, ce sont les grandes plaques qui se déploient sur l'extrados de l'aile à l'atterrissage, une fois que l'avion a touché le sol. En coupant le filet d'air qui crée la dépression sur l'extrados de l'aile, ces dispositifs détruisent la portance, et font perdre de l'altitude à l'avion. Dans des avions de ligne, ces dispositifs sont utilisés très rarement en vol, sauf à l'approche, si l'avion est trop haut pour prendre sa finale.

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