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II. Le rôle de la forme

a. Efforts aérodynamiques

Un objet en mouvement dans un fluide subit des efforts dans un repère x, y, z. Ces efforts sont dus à la résistance du fluide face à l’objet. Plusieurs facteurs induisent cette résistance, comme la matière de contact, la vitesse, la pression du fluide, mais aussi et surtout la forme de l’objet. On parle de forme aérodynamique lorsque l’on optimise les efforts exercés par le fluide. Il existe une force sur chaque axe : 

  • Une force de traînée, sur l’axe x, nommé Fx 
  • Une force de dérive, sur l’axe y, nommé Fy 
  • Une force de portance, sur l’axe z, nommé Fz

L’expression de la force est de la forme générale :

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p= masse volumique de l’air ( varie avec la température et la pression, dans notre cas il vaut 1,225 kg/m3) 

S = surface de contact  C = coefficient aérodynamique  V = Vitesse de déplacement
Les efforts sont généralement mesurés expérimentalement ou par simulation numérique.

 

Pour mesurer l’efficacité aérodynamique on utilise des coefficients aérodynamiques, ils permettent de comparer l’efficacité aérodynamique de plusieurs formes, il y en a un par force et donc par axe : 

  • Cx : le coefficient de traînée 
  • Cy : le coefficient de portance latérale 
  • Cz : le coefficient de portance

L’expression des coefficients aérodynamiques s’expriment par :

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Pour donner un ordre de grandeur voici les coefficients de trainées de formes basiques.  –>

b. Résistance de l'air

En chemin, l’écoulement de l’air est laminaire, à l’arrivée sur un objet, il devient turbulent, et derrière, il est tourbillonnaire, créant ainsi une dépression qui aura tendance à aspirer l’objet vers l’arrière. La résistance de l’air correspond à l’aspiration créée par cette dépression. Une grande partie du travail des ingénieurs aéronautiques consiste à concevoir des formes d’avion telles que la résistance de l’air soit la plus faible.

Dans le cas d’une demie-sphère, la résistance de l’air est légèrement moindre car les particules d’air contournent plus facilement la surface, cependant, la dépression est encore très forte à l’arrière de la demie-sphère.

Si on prend maintenant une sphère entière, l’écoulement de l’air se fera beaucoup plus facilement, cependant, une légère dépression subsiste à l’arrière de la sphère, ce n’est donc pas la forme aérodynamique parfaite.

Il n’y a en réalité aucune forme aérodynamique parfaite, cependant, on peut déformer cette sphère de manière à obtenir une forme biseautée, de cette manière, la résistance de l’air est la plus faible. Tout comme la Microjoule qui est de cette forme !

c. Portance d'un avion

En vol, un avion subit quatre grandes forces qui s’exercent sur le centre de gravité de l’avion.

Sur le plan vertical, il y a tout d’abord la pesanteur, qui tire l’avion vers le sol, et la portance, qui au contraire le fait monter. En vol horizontal à une vitesse constante, la portance équilibre la force exercée par la pesanteur.

Sur le plan horizontal, il y a tout d’abord la traînée, que nous avons vu ci-dessus, mais aussi la force qui permet à l’avion de se mouvoir, c’est à dire soit la traction de l’hélice, ou la poussée des réacteurs.

schéma

La forme d’une aile d’avion est courbe, et non pas plane, pour faciliter l’écoulement de l’air et pour que l’air « appui » plus sur l’aile. 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. 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 qui est le segment reliant le bord d’attaque au bord de fuite.

aile