Les forces autour de l’avion
Forces, vitesse, trajectoire, vent relatif 🤔
J’entends des élèves en aéronautique qui confondent les forces qui agissent sur l’avion avec d’autres vecteurs comme la vitesse de l’aéronef, sa trajectoire ou encore le vent relatif…
Je vais replacer tous ces notions et lister les forces autour de l’avion ✈️
Les forces autour de l’avion
Une force est exprimée en newtons et elle est représentée par un vecteur. Il existe différentes forces qui s’appliquent sur notre avion et les vecteurs vont nous servir à les représenter.
Le poids : P
Il s’agit de la masse de l’avion calculée par le pilote avant le décollage, multipliée par la gravité terrestre (environ 10). La direction en est un rayon terrestre et son sens évidemment dirigé vers le centre de la terre.
La résultante aérodynamique : RA
C’est la force créée par le passage de l’avion dans l’air. Elle dépend de multiples facteurs comme la forme et la surface de l’aile, la vitesse de l’avion dans l’air et l’incidence de vol.
Son orientation varie mais on peut dire qu’elle est orientée vers le haut et l’arrière de l’avion.
La traction du moteur : T
C’est une force qui est créée par le passage de l’hélice dans l’air. Elle est dirigée selon l’axe moteur, donc selon l’axe longitudinal de l’avion.
Il n’y a pas d’autres forces qui s’expriment sur l’avion. Mais est-ce que cela nous suffit pour comprendre ? Pas vraiment… Il nous faut donc décomposer la résultante aérodynamique RA.
Représenter les forces pour mieux comprendre l’aérodynamisme
Nous allons donc imaginer d’autres forces qui nous arrangent, qui nous aident à comprendre la situation de vol de l’avion.
Et ces forces qui n’existent pas, nous allons les placer dans un repère qui nous arrange aussi ! C’est plus simple !
Le repère orthonormé
Ce repère permet de représenter les forces à l’œuvre sur l’avion et donc de les comparer afin de comprendre les forces qui évoluent en fonction de la position de l’avion (montée, croisière, descente) et identifier celles qui ne bougent pas.
Cette représentation permet de comprendre également tout l’intérêt de la notion de masse et centrage et le choix crucial des ingénieurs quand ils conçoivent un aéronef.
Comment placer les forces sur le repère orthonormé ?
Il faut décider du placement des axes de ce repère : tout est là !
On aurait pu choisir de placer l’abscisse du repère selon une perpendiculaire à la verticale terrestre locale… On aurait pu choisir l’axe longitudinal de l’avion…
Pour l’axe des abscisses, on a choisi une direction intéressante pour le vol de l’avion :
la trajectoire de celui-ci !
Et comme la trajectoire avion et le vent relatif qui arrive sur les ailes partagent la même direction, on peut dire que l’abscisse est portée par le vent relatif aussi. Le second axe, perpendiculaire au premier, est nommé Z.
On obtient ça :
Et maintenant on va pouvoir décomposer sur notre repère les forces vues plus haut de façon à mieux visualiser les différentes situations de vol : vol en croisière, vol en montée, vol en descente.
Nous ne nous intéressons qu’aux trajectoires stabilisées, sans modification de la vitesse ou de la direction.
Les forces qui s’exercent pendant le vol en croisière
Là, c’est assez simple : on va décomposer la résultante aérodynamique en 2 forces.
Celle qui s’exprime en ordonnée s’appellera la portance : Fz
Celle qui s’exprime en abscisse s’appellera la traînée : Fx
On se retrouve avec un système de forces qui s’opposent deux à deux et qui s’avère très compréhensible visuellement.
La portance équilibre le poids : Fz=P
La traction équilibre la traînée : T=Fx
Les forces qui s’exercent pendant le vol en montée
Là, ça va être un peu différent puisqu’en montée la trajectoire n’est plus horizontale, donc n’est plus perpendiculaire au poids. Comme le repère est porté par la trajectoire et que la résultante aérodynamique est déjà décomposée en portance et traînée, c’est le poids qui va à son tour devoir être décomposé pour s’exprimer selon notre repère.
On voit apparaître une nouvelle répartition des forces où la portance n’équilibre plus le poids mais seulement sa composante sur l’axe des ordonnées… On en déduit aussitôt qu’en montée la portance est inférieure au poids !
Ce n’est pas intuitif et on pourrait facilement penser que pour monter, la portance doit être supérieur au poids… il n’en est rien.
Sur l’abscisse x on voit que la traction T doit maintenant équilibrer la traînée (toujours parallèle à la trajectoire) et la composante du poids sur cet axe : Px. On en déduit aussitôt qu’en montée, la puissance nécessaire augmente (sur un avion d’aéroclub la puissance est poussée au maximum dans la montée…).
Cependant n’allez pas penser que l’équilibre des forces n’existe pas. Il est réalisé différemment, c’est tout.
Fz = Pz
T = Fx+Px
Les forces qui s’exercent pendant le vol en descente
On va retrouver le même genre d’équilibre des forces que pour la montée, mais avec une trajectoire orientée vers le bas qui porte un repère orienté vers le bas, selon la trajectoire.
Ici encore le poids va être décomposé sur l’axe des ordonnées afin d’équilibrer la portance. Au passage notez qu’ici aussi la portance est inférieure au poids.
Et on voit aussi que la décomposition du poids donne un petit vecteur sur l’axe des abscisses, orienté vers l’avant : en descente, le poids devient un « moteur » sur l’axe de votre trajectoire. Un peu comme un vélo dans une descente, son poids le fait accélérer.
C’est assez intéressant comme constatation : si mon avion est en panne moteur, il n’y a pas d’autre solution que de placer l’avion sur une trajectoire descendante pour que le poids joue le rôle du moteur.
Notions essentielles 😎
Par la définition même du repère :
- La traînée Fx est TOUJOURS une parallèle à la trajectoire (et donc au vent relatif)
- La portance Fz est TOUJOURS une perpendiculaire à la trajectoire (et donc au vent relatif)
Les forces autour de l’avion : exemple d’un Cessna 172
Voici un exemple chiffré pour un avion type C172 de 1000 kg au décollage et de finesse 10.
On s’intéresse ici à une trajectoire de croisière stabilisée. Il ne s’agit que de chiffres théoriques pour illustrer le propos.
Cependant l’exemple est plutôt réaliste et permet de constater que la portance, sur ce type d’avion léger, vaut environ 10 fois la trainée.
Ce qui est confirmé par la formule Finesse = Portance / Trainée.
Si mon C172 possède une finesse de 10 et que son poids au décollage est de 10 000 N, alors en croisière, la portance vaut elle aussi 10 000 N.
Si on applique la formule de la finesse, on obtient Trainée = Portance / Finesse,
donc Trainée = 10 000 / 10 = 1 000 !
On déduit, bien sûr, que la Traction vaut également 1000 N.
N’hésitez pas à poster vos commentaires ou à poser vos questions 😉
