Comment volent les avions ?

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Comment vole un avion ?

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Comme beaucoup de personnes dans le monde, on a tous déjà rêvé de voler comme Superman ! Mais pourquoi l'humain aime tant aller de le ciel et aller toujours plus haut ? Certains disent que cela procure un sentiment de bien-être et de liberté.

Mais concrètement, comment cela ce fait-il que l'on arrive à faire voler une énorme masse métallique pesant plusieurs tonnes à des kilomètres du plancher des vaches ? Cela est facilement explicable grâce à la science. Vous l'aurez compris, lorsqu'un avion vole, une multitude de phénomènes physiques vont faire en sorte que ce dernier puisse voler sans problème.

Dans un premier temps, il est important de définir ce qu'est "l'air". Car sans air, impossible de voler. Mais pour pouvoir voler efficacement, il faut également que le fuselage et les ailes de l'appareil soient aérodynamiques.

Pour résister les températures de la haute altitude, les aviateurs portent des blousons en cuir.

Vestes Aviateur

Vestes d'aviateur

Qu'est-ce que l'air ?

L'air est une substance physique qui a un poids. Ses molécules sont en mouvement constant. La pression de l'air est créée par le mouvement des molécules. L'air en mouvement a une force qui fait monter et descendre les cerfs-volants. L'air est un mélange de différents gaz : l'oxygène, le dioxyde de carbone et l'azote. Toutes les choses qui volent ont besoin d'air. 

En 1640, Evangelista Torricelli a découvert que l'air a un poids. Lors d'une expérience de mesure du mercure, il a découvert que l'air exerçait une pression sur le mercure.

L'air chaud se dilate et se répand. il va donc devenir plus léger que l'air froid. Lorsqu'un ballon est rempli d'air chaud, il s'élève parce que l'air chaud se dilate à l'intérieur du ballon. Lorsque l'air chaud se refroidit et est évacué du ballon, celui-ci redescend. C'est sur base de ce principe que les montgolfières volent.

 Première Montgolfière

Comment les ailes soulèvent-elles l'avion ?

Les ailes d'un avion sont formées de manière à ce que l'air se déplace plus rapidement au-dessus de l'aile. Lorsque l'air se déplace plus vite, la pression de l'air diminue. La pression sur le dessus de l'aile est donc inférieure à la pression sous le dessous de l'aile. La différence de pression crée une force sur l'aile qui soulève cette dernière dans l'air. Lors du décollage des aéronefs, les gouvernes de profondeur et les volets s'inclinent vers le haut. Cela va donner une certaine courbure à l'aile et augmenter la zone de dépression.

Schéma Portance d'un Avion

Quatre force de vol

Il faut également savoir qu'il existe quatre(4) force de vol :

  1. La portance (lift en anglais)

  2. La pesanteur (gravity en anglais)

  3. La poussée (push en anglais)

  4. La traînée (drag en anglais)

 

4 forces de vol

Qu'est ce que la portance ?

Schéma portance

Pour surmonter la force de pesanteur, les avions génèrent une force opposée appelée portance. La portance est générée par le mouvement de l'aéronef dans l'air et est une force aérodynamique. "Aéro" signifie l'air, et "dynamique" désigne le mouvement. La portance est dirigée perpendiculairement à la direction du vol. L'ampleur de la portance dépend de plusieurs facteurs, dont la forme, la taille et la vitesse de l'avion. Comme pour le poids, chaque partie de l'avion contribue à la force de portance de l'avion. La majeure partie de la portance est générée par les ailes. La portance de l'avion agit par l'intermédiaire d'un seul point appelé le centre de pression. Le centre de pression est défini tout comme le centre de gravité, mais en utilisant la répartition de la pression autour du corps au lieu de la répartition du poids. 

La répartition de la portance autour de l'avion est importante pour résoudre le problème de contrôle. Les surfaces aérodynamiques sont utilisées pour contrôler l'avion en roulis, tangage et lacet.

Qu'est ce que la pesanteur ?

force de pesanteur

La pesanteur est une force qui est toujours dirigée vers le centre de la terre. L'importance de la pesanteur dépend de la masse de toutes les parties de l'avion, plus la quantité de carburant, plus toute charge utile à bord (personnes, bagages, etc.). Le poids est réparti dans tout l'avion. 

Le vol comporte deux problèmes majeurs : surmonter le poids d'un objet par une force opposée et contrôler l'objet en vol. Ces deux problèmes sont liés au poids de l'objet et à l'emplacement du centre de gravité. Pendant un vol, le poids d'un avion change constamment car l'avion consomme du carburant. La répartition du poids et le centre de gravité changent également. Le pilote doit donc constamment ajuster les commandes pour maintenir l'avion en équilibre.

Qu'est ce que la poussée ?

Poussée d'un avion

Pour surmonter la traînée, les avions utilisent un système de propulsion pour générer une force appelée "poussée". La direction de la force de poussée dépend de la façon dont les moteurs sont fixés à l'avion. Deux moteurs à turbine sont situés sous les ailes, parallèlement au corps de l'avion. Sur certains avions, comme le Harrier, la direction de la poussée peut être modifiée pour aider l'avion à décoller sur une très courte distance. L'ampleur de la poussée dépend de nombreux facteurs associés au système de propulsion, notamment le type de moteur, le nombre de moteurs et le réglage de la manette des gaz.

Pour les moteurs à réaction, il est souvent déroutant de se rappeler que la poussée de l'avion est une réaction au gaz chaud qui s'échappe de la tuyère. Le gaz chaud sort par l'arrière, mais la poussée pousse vers l'avant. 

Le mouvement de l'avion dans l'air dépend de la force relative et de la direction des forces. Si les forces sont équilibrées, l'avion se déplace à vitesse constante. Si les forces sont déséquilibrées, l'avion accélère dans la direction de la force la plus importante.

 

Qu'est ce que la traînée ?

traînée d'un avion

Lorsque l'avion se déplace dans l'air, une autre force aérodynamique est présente. L'air résiste au mouvement de l'avion et cette force de résistance est appelée traînée. La traînée est dirigée le long de la direction de vol et opposée à celle-ci. Comme pour la portance, de nombreux facteurs influent sur l'ampleur de la force de traînée, notamment la forme de l'avion, l'adhérence de l'air et la vitesse de l'avion. Comme la portance, nous collectons toutes les traînées des composants individuels et les combinons en une seule magnitude de traînée de l'avion. Et comme la portance, la traînée agit à travers le centre de pression de l'avion.

 

Lois du mouvement de Newton

Sir Isaac Newton a proposé trois lois de mouvements en 1665. Ces lois de mouvement aident à expliquer comment un avion vole.

  1. Si un objet ne bouge pas, il ne se met pas en mouvement tout seul. Si un objet est en mouvement, il ne s'arrêtera pas et ne changera pas de direction à moins que quelque chose ne le pousse.

  2. Les objets se déplacent plus loin et plus vite lorsqu'on les pousse plus fort.

  3. Lorsqu'un objet est poussé dans une direction, il y a toujours une résistance de même taille dans la direction opposée.

La loi de Newton

Mais du coup, comment on contrôle un avion ?

Faisons comme si nos bras étaient des ailes. Si nous plaçons une aile vers le bas et une aile vers le haut, nous pouvons utiliser le rouleau pour changer la direction de l'avion. Nous aidons à faire tourner l'avion en faisant un lacet vers un côté. Si nous relevons notre nez, comme un pilote peut relever le nez de l'avion, nous augmentons le tangage de l'avion. Toutes ces dimensions se combinent pour contrôler le vol de l'avion. Le pilote d'un avion dispose de commandes spéciales qui peuvent être utilisées pour faire voler l'avion. Il y a des leviers et des boutons que le pilote peut actionner pour changer le lacet, le tangage et le roulis de l'avion.

Pour faire tourner l'avion vers la droite ou vers la gauche, les ailerons sont relevés sur une aile et abaissés sur l'autre. L'aile avec l'aileron abaissé monte tandis que l'aile avec l'aileron relevé descend.

Le tangage fait descendre ou monter un avion. Le pilote ajuste les gouvernes de profondeur de la queue pour faire descendre ou monter un avion. En abaissant les gouvernes de profondeur, le nez de l'avion s'abaisse, ce qui fait descendre l'avion. Le fait de relever les gouvernes de profondeur fait monter l'avion.

Le lacet est le virage d'un avion. Lorsque le gouvernail de direction est tourné d'un côté, l'avion se déplace vers la gauche ou la droite. Le nez de l'avion est dirigé dans la même direction que la direction du gouvernail de direction. Le gouvernail de direction et les ailerons sont utilisés ensemble pour effectuer un virage

 

Le pilote contrôle la puissance du moteur à l'aide de la manette des gaz. Pousser la manette des gaz augmente la puissance, et la tirer diminue la puissance.

 

Rôles des ailerons

Les ailerons, appelé aussi volets, soulèvent et abaissent les ailes. Le pilote contrôle le roulis de l'avion en relevant un aileron ou l'autre à l'aide d'un volant de commande. En tournant le volant dans le sens des aiguilles d'une montre, l'aileron droit se lève et l'aileron gauche s'abaisse, ce qui permet d'effectuer une rotation vers la droite.
gif volets d'un avion

Rôles du gouvernail

Le gouvernail sert à contrôler le lacet de l'avion. Le pilote déplace la gouverne de direction à gauche et à droite, avec les pédales gauche et droite. En appuyant sur la pédale de droite, le pilote déplace le gouvernail vers la droite. L'avion se met alors en lacet vers la droite. Utilisés ensemble, le gouvernail de direction et les ailerons servent à faire tourner l'avion. Ils vont également augmenter l'angle de braquage.

Gouvernail d'avion

Rôles des gouvernes de profondeur

Les gouvernes de profondeur qui se trouvent sur la partie arrière de l'avion servent à contrôler l'inclinaison ou tangage de l'avion. Un pilote situé dans le cockpit utilise un volant pour lever et abaisser les gouvernes de profondeur, en les déplaçant vers l'avant et vers l'arrière. La descente des gouvernes de profondeur fait descendre le nez de l'avion et permet à l'avion de descendre. En relevant les gouvernes de profondeur, le pilote peut faire remonter l'avion.

Gouverne de profondeur

 Lunettes Aviateur

Lunettes d'Aviateur


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