Qu'Est-Ce Que L'Aérodynamique?

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L’aérodynamique étudie l’interaction des gaz avec les corps en mouvement, en particulier les avions et les automobiles.

L’aérodynamique étudie l’interaction des gaz avec les corps en mouvement. Parce que le gaz que nous rencontrons le plus souvent est l’air, l’aérodynamique concerne principalement les forces de traînée et de portance, qui sont causées par le passage de l’air au-dessus et autour des corps solides. Les ingénieurs appliquent les principes de l'aérodynamique à la conception de nombreuses choses différentes, y compris les bâtiments, les ponts et même les ballons de football; Cependant, l'aérodynamique des avions et des automobiles est une préoccupation majeure.

L'aérodynamique entre en jeu dans l'étude du vol et dans la science de la construction et de l'exploitation d'un avion, appelé aéronautique. Les ingénieurs aéronautiques utilisent les principes fondamentaux de l'aérodynamique pour concevoir des aéronefs qui traversent l'atmosphère terrestre.

Traînée aérodynamique

La force aérodynamique la plus importante qui s'applique à presque tout ce qui se déplace dans l'air est la traînée. La traînée est la force qui s'oppose au mouvement d'un avion dans les airs, selon la NASA. La traînée est générée dans la direction dans laquelle l'air se déplace lorsqu'il rencontre un objet solide. Dans la plupart des cas, comme dans les automobiles et les avions, la traînée n'est pas souhaitable, car il faut de la puissance pour la surmonter. Il y a cependant des cas où la traînée est bénéfique, par exemple avec des parachutes.

Pour décrire la quantité de traînée sur un objet, nous utilisons une valeur appelée le coefficient de traînée (c). Ce nombre dépend non seulement de la forme de l'objet, mais également d'autres facteurs, tels que sa vitesse et sa rugosité de surface, la densité de l'air et le fait que le flux soit laminaire (lisse) ou turbulent. Les forces qui affectent la traînée incluent la pression atmosphérique contre la face de l’objet, les frottements sur les côtés de l’objet et la pression relativement négative, ou aspiration, à l’arrière de l’objet. Par exemple, c pour une plaque plate se déplaçant face à face dans l'air est d'environ 1,3, un cube de face est d'environ 1, une sphère d'environ 0,5 et une forme de goutte d'eau d'environ 0,05. Le coefficient de traînée pour les automobiles modernes est de 0,25 à 0,35 et de 0,01 à 0,03 pour les avions. Calculer c peut être compliqué. Pour cette raison, il est généralement déterminé par des simulations informatiques ou des expériences en soufflerie.

Aérodynamique des aéronefs

Pour surmonter les forces de traînée, un avion doit générer une poussée. Ceci est accompli avec une hélice à moteur ou un moteur à réaction. Lorsque l'avion est en vol horizontal à une vitesse constante, la force de poussée suffit à contrecarrer la traînée aérodynamique.

L'air en mouvement peut également générer des forces dans une direction différente de celle du flux. La force qui empêche un avion de tomber s'appelle ascenseur. La portance est générée par une aile d'avion. Le trajet au-dessus du sommet incurvé d'une aile est plus long que celui du fond plat de l'aile. Cela fait que l'air se déplace plus rapidement par le haut que par le bas. Tous les autres facteurs étant égaux, l'air en mouvement plus rapide a une pression plus basse que l'air en mouvement plus lent, selon le principe de Bernoulli, énoncé par Daniel Bernoulli, l'un des pionniers les plus importants dans le domaine de la dynamique des fluides. Cette différence est ce qui permet à l'air en mouvement plus lent de s'appuyer contre le bas de l'aile avec une force supérieure à celle de l'air en mouvement rapide poussant vers le bas du haut de l'aile. En vol horizontal, cette force ascendante est juste suffisante pour contrecarrer la force descendante causée par la gravité.

Les forces aérodynamiques sont également utilisées pour contrôler un avion en vol. Lorsque les frères Wright ont effectué leur premier vol en 1903, ils avaient besoin d’un moyen de contrôler leur avion pour monter, descendre, se pencher et se retourner. Ils ont développé ce que l’on appelle contrôle à trois axes pour le tangage, le roulis et le lacet. Le tangage (le nez pointé vers le haut ou le bas) est contrôlé par un élévateur (les "volets") situé à l'arrière ou sur le bord arrière du stabilisateur horizontal dans la partie arrière. Le roulis (inclinaison à gauche ou à droite) est contrôlé par des ailerons (également des volets) situés sur les bords de fuite des ailes, près des extrémités. Le mouvement de lacet (le nez dirigé à gauche ou à droite) est contrôlé par le gouvernail situé sur le bord de fuite du stabilisateur vertical dans la partie arrière. Ces commandes utilisent la troisième loi du mouvement de Newton, car elles génèrent une force en déviant le flux d'air dans la direction opposée au mouvement souhaité. Cette force est également ce qui permet aux avions acrobatiques de voler à l'envers.

Un pilote peut également utiliser des volets sur la section intérieure du bord de fuite de l’aile pendant le décollage et l’atterrissage. En position abaissée, les volets augmentent la portance et la traînée pour permettre à l’avion de voler plus lentement sans caler. Certains aéronefs plus gros peuvent également allonger les lattes sur le bord avant ou le bord d'attaque des ailes pour augmenter la portance à basse vitesse.

Lorsque le flux d'air régulier au-dessus de l'aile d'un avion est perturbé et que cela réduit la quantité de portance, un décrochage peut se produire. Selon le manuel de vol des avions de la Federal Aviation Administration de la Federal Aviation Administration, "Cela est dû au fait que l'aile dépasse son angle d'attaque critique. Cela peut se produire à n'importe quelle vitesse, dans n'importe quelle assiette, avec n'importe quel réglage de puissance." Généralement, la plupart des décrochages se produisent lorsqu'un aéronef se déplace trop lentement avec le nez à un angle trop élevé vers le haut. L'air ne circule plus le long de la surface, mais se sépare et forme des tourbillons turbulents au sommet de l'aile. L'avion perd ainsi sa portance et commence à tomber, parfois de manière brutale.

Une autre chose qui peut arriver dans un avion est un spin. Le Manuel de vol de l'avion définit une vrille comme "un décrochage aggravé qui aboutit à ce qu'on appelle une" autorotation "dans laquelle l'avion suit une trajectoire descendante du tire-bouchon." Cela se produit généralement dans un virage lent lorsque l'aile intérieure la plus lente cale et que l'aile extérieure génère toujours de la portance. "Surtout à basse altitude, la récupération d'une vrille réussie peut être difficile, voire impossible, dans de nombreux aéronefs", a déclaré Scot Campbell, candidat au doctorat en génie aérospatial à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, et Donald Talleur, assistant instructeur de vol en chef. à l'Institut de l'aviation de l'Université de l'Illinois, écrivant dans «L'aérodynamisme d'un spin» pour l'Association des propriétaires et des pilotes canadiens. Une des raisons est le danger de tourner dans une vrille à plat dans laquelle les deux ailes et toutes les gouvernes sont bloquées et où l’appareil tombe comme une graine d’érable.

Lorsqu'un fluide se déplace plus rapidement, il a une pression inférieure. Ce principe explique la portance créée par l’aile d’un avion.

Lorsqu'un fluide se déplace plus rapidement, il a une pression inférieure. Ce principe explique la portance créée par l’aile d’un avion.

Crédit: NASA Quest.

Aérodynamique des automobiles

Les automobiles ont commencé à utiliser des formes aérodynamiques au début de leur histoire. Lorsque les moteurs sont devenus plus puissants et les voitures plus rapides, les ingénieurs ont compris que la résistance au vent ralentissait considérablement leur vitesse. Les premières voitures à adopter une aérodynamique améliorée, ou rationalisation, étaient des voitures de course et celles qui tentaient de battre le record de vitesse au sol.

"Les rêveurs, les ingénieurs, les pilotes et les entrepreneurs ont été séduits par le potentiel des avantages considérables offerts par l'aérodynamique", écrit Paul Niedermeyer, auteur de "Histoire de l'automobile: une histoire illustrée de l'aérodynamique automobile", sur le site Web Curbside Classic. "Les efforts en ce sens ont permis de réaliser certaines des voitures les plus remarquables jamais construites, même si elles remettaient en question les hypothèses esthétiques de leur époque."

En ce qui concerne l’aérodynamique d’une voiture de course, le professeur Joe David, professeur d’ingénierie mécanique et aérospatiale, surnommé "M. Stock Car" à la North Carolina State University, a déclaré: "La plus grande partie de la puissance produite par un moteur de course est épuisée. l'air à haute pression qui pousse l'avant de la voiture et l'air à basse pression - un vide partiel - qui traîne sur la voiture par l'arrière ".

Cependant, la traînée ne peut être la seule considération. Si la portance est souhaitable pour un avion, elle peut être dangereuse pour une automobile. Afin de maintenir un meilleur contrôle de la direction et du freinage, les voitures sont conçues pour que le vent exerce une force descendante lorsque leur vitesse augmente. Cependant, l'augmentation de cette force vers le bas augmente la traînée, ce qui augmente la consommation de carburant et limite la vitesse, de sorte que ces deux forces doivent être soigneusement équilibrées.

De nombreuses classes de voitures de course utilisent des profils aérodynamiques en forme d'ailes pour ajuster la force descendante de l'air sur la voiture. Lors de la mise en place d'une voiture de course, il faut également tenir compte de la turbulence causée par d'autres voitures sur la piste. Cela nécessite de régler les profils aérodynamiques sur la voiture afin de produire une force vers le bas plus grande pendant la course que celle requise pour les qualifications lorsque la voiture est sur la piste seule. C'est pourquoi les temps au tour en qualification sont généralement beaucoup plus rapides qu'en course.

De nombreux principes aérodynamiques utilisés en course s’appliquent également aux voitures et camions classiques. Les ingénieurs automobiles utilisent des simulations informatiques et des expériences en soufflerie avec des modèles réduits et des véhicules réels pour ajuster l'aérodynamique des voitures de manière à générer la force optimale de poussée vers le bas sur les roues avant et arrière avec le moins de traînée possible.

Ressources additionnelles

  • Voir une galerie de voitures simplifiées vraiment cool à l'histoire illustrée de l'aérodynamique automobile de Curbside Classic.
  • Le site Web du Smithsonian National Air and Space Museum propose des activités et des projets multimédias sur le thème "Comment les choses volent".
  • Mesurez le coefficient de traînée de votre voiture dans le cadre d’une expérience réalisée sur le site Web Instructables.


Supplément Vidéo: C'est pas sorcier - Les sorciers ne manquent pas d'air ! (l'aérodynamique).




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