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LES FORCES AERODYNAMIQUES
(Terminologie) (Forces aérodynamiques) (Spectre aérodynamique et Finesse) (R.F.A.) (Angles caractéristiques) (Plage d'incidences) (Figures fondamentales) (Polaire des vitesses) (Polaire:Exemples de tracé) (Polaire:Exploitation) (Règles de vol)

LA TRAINEE : force parallèle et opposée à l'écoulement

Lorsqu'on met en mouvement un corps dans l'air, on s'aperçoit qu'il est nécessaire de faire un effort, non seulement lors de son accélération, mais aussi ensuite pour maintenir sa vitesse. L'air a tendance à freiner le corps pour le ramener à vitesse nulle. De la même manière, si j'étends un drap par jour de grand vent, je suis obligé de le retenir pour éviter de le voir "partir avec le vent". En fait, à différences de vitesses équivalentes, j'obtiendrai le même résultat en faisant circuler un corps dans l'air qu'en faisant circuler de l'air autour de ce corps. J'ai besoin d'une action pour maintenir cette différence de vitesse, cette action étant opposée à la réaction des forces aérodynamiques. Celles-ci naissent de l'air et du mouvement, d'où leur nom : AERO...DYNAMIQUE.

Amusons-nous à expérimenter les forces aérodynamiques de façon très simple :

En voiture, je passe le bras par la fenêtre et je place ma main à l'horizontale dans le filet d'air, dans le vent relatif : ma main est tirée vers l'arrière, je suis obligé de coincer le coude ou d'exercer un effort pour la maintenir . Elle subit une résistance au passage de l'air qu'on appelle la traînée . En variant un peu l'expérience, je constate que :

1°/ Si je vais plus vite, je sens que la traînée augmente beaucoup . Si je vais moins vite, je sens qu'elle diminue beaucoup

La traînée est proportionnelle à la valeur au carré de la vitesse.

2°/ Si je place ma main à la verticale, la traînée augmente.

La traînée est proportionnelle à la surface exposée au vent. On appelle cette surface le maître-couple.

3°/ Si je fais mon expérience en bateau, en laissant ma main dans l'eau, pour une même vitesse la traînée sera beaucoup plus importante. C'est parce que l'eau est beaucoup plus lourde que l'air pour un même volume (1000 kg par m³ au lieu de 1,225 kg/m³ pour l'air au niveau de la mer).

La traînée est proportionnelle à la masse volumique du fluide traversé.

4°/ Enfin (ça marche, faites l'expérience !), si je ferme mon poing, la traînée est moins importante que main à l'horizontale, alors que le maître-couple est plus important et les autres facteurs constants. Je viens de profiler ma main, c'est-à-dire de lui donner une forme plus adaptée à la pénétration dans l'air.

La traînée est proportionnelle à un coefficient de profil de l'obstacle. (coefficient de traînée)

Lorsqu'on veut profiler un corps, il faut travailler sa face avant de manière à adoucir la pénétration dans l'air, et sa face arrière de manière à "recoller" proprement les filets d'air, sans perte d'énergie par turbulence . Les valeurs de coefficient de traînée , le fameux Cx, varient à peu près de la façon suivante :

Pour ceux qui veulent s'amuser à la calculer (encore faudrait-il connaître le coefficient de traînée pour la forme choisie de la main), voici l'équation de la traînée aérodynamique :

LA PORTANCE : force perpendiculaire à l’écoulement

Si, maintenant, j'incline ma main dans le filet d'air sans la mettre ni verticale ni horizontale :

Une autre force apparaît en plus de la traînée, perpendiculaire à la direction du déplacement et qui à tendance à faire monter ma main : c'est la portance . Elle entraîne ma main vers le haut si sa position correspond à celle du schéma; si j'incline ma main dans l'autre sens, elle sera entraînée vers le bas.

On appelle l'angle que fait ma main avec l'écoulement l'incidence. Celle-ci sera comptée positivement si l'avant de ma main (côté pouce) est incliné vers le haut, négativement dans le sens contraire. Pour le schéma, j'ai choisi une incidence positive. On peut donc en conclure que :

  • Une incidence positive amène une "portance vers le haut", soit une portance (tout simplement),
  • Une incidence négative amène une "portance vers le bas", soit une déportance .

De plus, si je réédite les expérimentations faites au sujet de la traînée, je constate que la portance suit les mêmes lois de variation, c'est-à-dire :

1°/ La portance est proportionnelle à la valeur au carré de la vitesse.

2°/ La portance est proportionnelle à la surface. Cependant, cette proportionnalité n'intervient pas par rapport au maître-couple, mais plutôt par rapport à la surface de ma main inclinée projetée à l'horizontale .

3°/ La portance est proportionnelle à la masse volumique du fluide traversé .

4°/ La portance est proportionnelle à un coefficient de profil de l'obstacle . Mais là ce n'est pas le même coefficient que pour la traînée. Il s’agit du coefficient de portance. Pour chaque profil et pour chaque incidence, il va falloir calculer :

  • Un coefficient de traînée : le Cx,
  • Un coefficient de portance : le Cz .

Pour nos lecteurs férus de mathématiques, voici en prime la formule fondamentale de la portance :

Tout à l'heure, main parallèle à l’écoulement (donc incidence nulle) et main perpendiculaire à l’écoulement (angle d'incidence 90°) j'avais un Cz = 0, d'où l'absence de portance.

Mais d'où vient-elle, cette portance ?

Lorsque j'ai incliné ma main, j'ai amené les particules d'air qui frappent ma paume à se "tasser" en ralentissant leur course. La pression statique de l'air est augmentée sous ma paume.

Les particules qui contournent le dos de ma main, au contraire, ont vu leur parcours se rallonger et sont obligées "d'accélérer" en s'écartant l'une de l'autre. La pression statique est diminuée de ce côté :

C'est l'expérimentation du théorème de Bernouilli : la somme de la pression statique et de la pression cinétique (ou dynamique) due à la vitesse est une constante.. Ceci veut dire que si je ralentis le flux d'air, sa pression statique augmente, si je l'accélère, elle diminue.

P.Totale = Pression statique + Pression dynamique = constante

J'ai transformé ma main en aile, en faisant apparaître une surpression d'intrados et une dépression d'extrados, qui agissent dans le même sens toutes deux : ici, vers le haut et vers l'arrière. Je peux les rassembler en :

  • une traînée, de direction parallèle à la trajectoire
  • et une portance, de direction perpendiculaire à la trajectoire.

 

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Texte et images :Fédération Française de Parachutisme - Daniel WOLFF


Encyclopédie du petit aérodynamicien