Les quatre forces du vol
Quatre forces agissant sur un avion (Parlons sciences)
Quatre forces agissant sur un avion (Parlons sciences)
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Découvre les quatre forces du vol.
Tu as probablement vu un avion voler à un certain moment. Mais t’es-tu jamais demandé comment vole un avion? La réponse est simple, avec un peu de physique! Le vol est une question de forces et de mouvement, qui peuvent être expliqués par la physique.
Commençons par les forces. Il existe quatre forces qui agissent sur les objets qui volent. Il s’agit du poids, de la portance, de la poussée et de la traînée. Chacune d’entre elles joue un rôle essentiel pour maintenir un avion dans les airs et le faire avancer.
Le poids
La première des quatre forces exercées sur les avions est le poids. Le poids d’un objet est la force exercée sur cet objet par la gravité. Certains objets dans l’espace, notamment les planètes comme la Terre, exercent une force qui attire des objets vers eux. Dans le cas de la Terre, « vers elle » signifie « vers le sol ». La force exercée sur un corps à cause de la gravité peut être exprimée par l’équation suivante :
F = mg
Où F est la force en newtons (N), m est la masse de l’objet en kilogrammes (kg) et g est l’accélération due à la gravité. Pour effectuer ce calcul, il est préférable d’utiliser l’unité de la gravité exprimée en N/kg :
g = 9.81 N/kg
En ce qui concerne les quatre forces agissant sur un avion, le poids est mesuré par le facteur F dans l’équation ci-dessus. Cependant, nous utilisons généralement le symbole W lorsque nous parlons spécifiquement du poids. En substituant W à F ci-dessus, nous obtenons :
W = mg
À partir de cette équation, nous pouvons voir que lorsque nous parlons de « poids », nous parlons en fait de la force qui agit sur une masse à cause de la gravité. Cette force, tel que mentionné ci-dessus, a également une direction. Nous pourrions l’appeler « vers le bas ».
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L’image est un dessin stylisé d’un groupe de trois personnes.
À gauche, un jeune homme à la peau blanche est assis dans un fauteuil roulant et lit un livre. À sa droite, une jeune femme à la peau noire est assise en tailleur sur un oreiller par terre et lit un livre. Derrière eux, un grand homme à la peau noire est debout et tient un ballon. Sur le côté droit de l’image, deux grandes flèches sont pointées l’une vers l’autre. En haut, il y a une flèche rouge pointant vers le bas à côté du texte "Poids VERS LE BAS = Action". En dessous, une flèche verte de même forme et de même taille pointe vers le haut à côté du texte "Force normale VERS LE HAUT = Réaction".
Tout type d’engin volant est soumis au poids. Ce poids est toujours en direction de la Terre, quelle que soit la direction dans laquelle l’avion se déplace. Il est très important de connaître le poids d’un avion avant le vol. Un poids trop élevé peut faire en sorte que l’avion vole mal. Les avions lourds peuvent nécessiter des vitesses de décollage plus élevées et des pistes plus longues. Ils peuvent également ne pas être en mesure de voler aussi loin ou aussi haut.
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De gauche à droite, on voit les photographies d’un ballon à air chaud, d’un gros avion de ligne et d’un chasseur à réaction. Des flèches directionnelles et du texte sont superposés sur la photo.
Le ballon à air chaud vert semble flotter dans un ciel bleu clair. Sous le ballon, une flèche rouge pointe vers le bas à côté du mot « poids », indiquant que le poids est une force dirigée vers le bas et que la direction de cette force est perpendiculaire au sol.
Le gros avion de ligne bimoteur semble voler horizontalement et se déplacer de droite à gauche. Sous le centre de l’avion, une flèche rouge pointe vers le bas à côté du mot « poids ».
Le chasseur à réaction semble voler presque verticalement dans le ciel. Sous la partie arrière de l’avion se trouve à nouveau une flèche rouge pointant vers le bas, avec le mot « poids » à côté.
La portance
Si un avion est tiré vers le bas en direction de la Terre par la gravité et sa propre masse, comment peut-il rester en l’air? La réponse est la deuxième force, la portance. La portance est la force dont un objet a besoin pour vaincre son poids.
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L’image est un dessin illustrant comment un profil aérodynamique redirige l’air lorsqu’il se déplace.
Le profil aérodynamique a la forme d’une longue larme avec une extrémité plus épaisse et arrondie à gauche et une extrémité plus longue et plus mince à droite. Il est légèrement bombé sur le dessus par rapport au dessous.
Le profil aérodynamique est horizontal au milieu de l’image, avec le bord arrondi pointant légèrement vers le haut à gauche et le bord pointu pointant légèrement vers le bas à droite.
Au-dessus du profil aérodynamique, une flèche bleue pointe vers la gauche pour indiquer la direction du mouvement.
Cinq fines lignes bleues parallèles, représentant le flux d’air, traversent l’image horizontalement. Deux lignes bleues passent sous la forme du profil aérodynamique, remontant légèrement vers la gauche, puis s’inclinant vers le bas, en suivant la forme du dessous du profil aérodynamique. Une ligne bleue est reliée au milieu de chaque côté du profil. Les deux autres lignes bleues suivent la forme du dessus du profil. Les lignes se rapprochent les unes des autres au-dessus de la partie la plus épaisse du profil aérodynamique, puis reprennent leur espacement normal une fois qu’elles ont dépassé la forme du profil.
Sous le milieu du profil aérodynamique, une flèche rouge pointe vers le bas. À côté, un texte indique que l’air est poussé vers le bas par le dessous de l’aile. C’est l’action.
Au-dessus du milieu du profil aérodynamique, une flèche verte de même taille et de même forme que la flèche rouge pointe vers le haut. À côté, un texte indique que la poussée de l’aile vers le haut génère la portance. C’est la réaction.
La déflexion
Lorsque l’air passe le long d’une aile, une partie de l’air est dirigée vers le bas. C’est ce qu’on appelle la déflexion. Une fois de plus, la troisième loi de Newton est en action. Ici, l’ACTION est l’air qui pousse vers le bas sous l’aile, et la RÉACTION est le mouvement de l’aile vers le haut.
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L’image est un dessin au trait avec les indications des parties d’un profil aérodynamique.
Le profil aérodynamique a la forme d’une longue larme avec une extrémité plus épaisse et arrondie à gauche et une extrémité plus longue et plus mince à droite. Il est légèrement bombé sur le dessus par rapport au dessous.
Le profil aérodynamique est au milieu de l’image, avec le bord arrondi pointant vers le haut à gauche et le bord pointu pointant vers le bas à droite.
Sous le profil aérodynamique, une flèche bleue pointe vers la gauche pour indiquer la direction du mouvement.
L’extrémité arrondie du profil aérodynamique est appelée le bord d’attaque.
L’extrémité pointue du profil aérodynamique est appelée bord de fuite.
Une ligne bleue s’étend du bord d’attaque au bord de fuite. Cette ligne est appelée ligne de corde.
L’angle entre la direction du mouvement et la ligne de corde s’appelle l’angle d’attaque. Lorsque l’angle est ascendant, on parle d’un angle d’attaque positif, ce qui correspond à l’orientation du profil aérodynamique illustrée dans ce diagramme.
Les différences de pression
La portance peut également résulter de différences de pression. Ces différences se produisent au-dessus et au-dessous de l’aile lorsque l’air se déplace au-delà de l’aile.
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L’image est une autre interprétation de la façon dont l’air se déplace autour d’un profil aérodynamique. Au-dessus et au-dessous de la forme du profil aérodynamique se trouvent quatre fines lignes parallèles bleues qui suivent la forme du profil. Deux passent au-dessus du profil et deux passent en dessous.
Entre le profil aérodynamique et la première ligne bleue située au-dessus, l’espace est ombré en rose. Cela indique que la force de l’air est moindre. Il y a également une petite flèche rouge pointant vers le bas en direction du profil aérodynamique. À côté de la flèche se trouve l’indication « Air rapide = basse pression ».
Entre le profil aérodynamique et la première ligne bleue située en dessous, l’espace est ombré en bleu pâle. Cela indique que la force de l’air est plus importante. Il y a également une grande flèche verte pointant vers le haut en direction du profil aérodynamique. Sous la flèche figure l’indication « Air lent = haute pression ».
La portance peut être expliquée à l’aide du principe de Bernoulli. Ce principe stipule que « lorsque la vitesse d’un fluide en mouvement augmente, la pression à l’intérieur du fluide diminue ». Puisque la force de la poussée vers le haut de l’air à haute pression est supérieure à la force de la poussée vers le bas de l’air à basse pression, une portance est générée vers le haut.
La poussée
Les premiers aviateurs volaient dans des ballons à air chaud. Ces véhicules plus légers que l’air (LTA; de l’anglais lighter than air) pouvaient facilement monter et descendre, mais une fois en l’air, ils étaient à la merci du vent. Un pilote n’avait aucun moyen de diriger le ballon.
Peu de temps après leur invention, les gens ont commencé à réfléchir à des moyens de faire avancer les ballons dans la direction qu’ils voulaient. Pour ce faire, ils avaient besoin d’un moyen de pousser le ballon vers l’avant. Cette pression exercée est connue sous le nom de poussée. Comme la portance, la poussée est un autre type de force de réaction qui peut être expliquée à l’aide de la troisième loi de Newton.
Les hélices
Les hélices sont des pales rotatives qui peuvent se trouver à l’avant ou à l’arrière d’un avion. Si elles sont à l’avant, on les appelle des tracteurs. Si elles sont à l’arrière, on les appelle des pousseurs.
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L’image est une photographie montrant l’extrémité avant d’un avion de chasse de couleur argentée brillante, datant de la Seconde Guerre mondiale, posé sur le sol.
L’hélice est reliée à l’avant de l’avion au niveau du moyeu, qui est peint en jaune vif. L’emplacement du moyeu est indiqué. Quatre pales de l’hélice plates en forme de rames sont fixées au moyeu. Elles sont peintes en noir et ont des extrémités jaunes. L’une des pales est indiquée. Le moteur, qui est relié au moyeu, est également indiqué.
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L’image est une photographie d’un ancien avion de chasse de la marine américaine en vol, datant de la Seconde Guerre mondiale. Il semble se diriger vers la gauche. Des flèches directionnelles et du texte sont superposés sur la photo.
Quatre petites flèches bleues parallèles pointent vers l’hélice. Au-dessus de ces flèches se trouve un texte indiquant qu’il s’agit de l’« Air plus lent ».
Quatre flèches roses parallèles plus grandes pointent de l’hélice vers l’arrière de l’avion. Au-dessus de ces flèches se trouve un texte indiquant qu’il s’agit de l’« Air plus rapide ».
Pointant vers l’arrière, s’éloignant de l’hélice et sous l’avion se trouvent une flèche rouge et le mot « Action ». Pointant vers l’avant, s’éloignant de l’hélice et sous l’avion se trouvent une flèche verte et le mot « Réaction ». Les deux flèches ont la même taille et la même forme.
Les rotors
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L’image est une photographie d’un hélicoptère de recherche et de sauvetage rouge vif avec une bande blanche et des rotors noirs. Une personne est suspendue à un câble directement sous l’hélicoptère. Des flèches directionnelles et du texte sont superposés sur la photo.
Au-dessus de l’hélicoptère se trouve un texte indiquant que le rotor principal est situé sur le dessus du corps de l’appareil. Une autre flèche pointe vers l’une des pales, indiquant qu’il s’agit d’une pale de rotor. À l’arrière de l’hélicoptère, une flèche pointe vers un autre rotor plus petit intégré dans la queue. Le texte indique qu’il s’agit du rotor de queue.
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L’image est une photographie d’un hélicoptère de recherche et de sauvetage rouge vif avec une bande blanche et des rotors noirs. Une personne est suspendue à un câble directement sous l’hélicoptère. Des flèches directionnelles et du texte sont superposés sur la photo.
Pointant vers le haut à partir de deux des pales du rotor principal se trouvent deux flèches vertes accompagnées du texte « Réaction = portance et poussée ».
Pointant vers le bas à partir de deux des pales du rotor principal, et directement sous les flèches vertes, se trouvent deux flèches rouges, chacune accompagnée du texte "Action".
Les moteurs à réaction
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L’image est une illustration d’une coupe transversale d’un turboréacteur. Le moteur ressemble à un tube qui se rétrécit, puis s’élargit, puis se rétrécit à nouveau.
À l’étape numérotée 1, l’air froid, identifié par des flèches bleues, est aspiré dans le moteur sur le côté gauche de l’image.
Puis, l’air passe par une section qui comporte plusieurs lignes rayées. À cette étape numérotée 2, l’air est mélangé au carburant. L’intérieur du moteur apparaît en bleu pour indiquer que l’air est froid dans cette région.
L’air se déplace ensuite dans la partie étroite du moteur. À cette étape numérotée 3, le mélange air-carburant est enflammé. L’intérieur du moteur apparaît en jaune pour indiquer que l’air est chauffé dans cette région. Une flèche directionnelle rouge pointe plus loin vers l’intérieur du moteur.
Enfin, l’air passe par plusieurs autres lignes rayées. À cette étape numérotée 4, une turbine pousse l’air chaud à haute vitesse vers l’extérieur à l’arrière du moteur.
La traînée
La quatrième et dernière force du vol s’appelle la traînée. La résistance de l’air est un autre terme pour désigner la traînée. Comme d’autres fluides, l’air peut résister, ou essayer d’arrêter le mouvement d’un objet qui le traverse. Cela ressemble au comportement de l’eau lorsque tu essaies de marcher ou de nager à travers elle. Il en va de même pour les avions. L’air résiste au mouvement de l’avion à travers lui. Cette résistance s’oppose à la poussée et ralentit le mouvement vers l’avant.
Il existe deux principaux types de traînée : la traînée parasite et la traînée induite par la portance.
La traînée parasite
La traînée de forme est une traînée qui est causée par la forme d’un objet se déplaçant dans un fluide. Certaines formes, comme la forme du profil aérodynamique, se déplacent assez facilement dans l’air. L’air se déplace aisément au-dessus et au-dessous de la forme sans créer beaucoup de turbulence derrière celle-ci. Cependant, d’autres formes ne se déplacent pas facilement dans l’air. Des formes comme la sphère et la plaque plane créent beaucoup de turbulence derrière elles. Cette turbulence ralentit leur mouvement.
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L’image représente quatre dessins utilisés pour décrire comment l’air circule autour d’objets de formes différentes. Le flux d’air est représenté par de fines lignes bleues avec de petites flèches qui pointent vers la droite. Dans chaque schéma, les lignes se dirigent initialement de façon parallèle vers la forme.
Le dessin en haut à gauche montre comment l’air se déplacerait autour d’un mince objet rectangulaire en position verticale. Les lignes indiquent qu’une partie de l’air serait bloquée par l’objet, mais que la plupart de l’air se déplacerait au-dessus et au-dessous de l’objet. Directement derrière l’objet se trouvent un certain nombre de lignes courbes. Elles indiquent que l’air est turbulent, ce qui se produit directement derrière l’objet.
Le dessin en haut à droite montre comment l’air se déplacerait autour d’un objet circulaire. Les lignes indiquent qu’une partie de l’air serait bloquée par l’objet, mais que la plupart de l’air se déplacerait au-dessus et au-dessous de l’objet. Directement derrière l’objet se trouvent quelques lignes courbes indiquant l’air turbulent. Il y a moins de lignes de turbulence que dans le dessin de l’objet rectangulaire.
Le dessin en bas à gauche montre comment l’air se déplacerait autour d’un profil aérodynamique. Les lignes indiquent que presque tout l’air se déplace au-dessus et au-dessous de l’objet. Comme le profil aérodynamique est parallèle à la direction du flux d’air, il n’y a pas de lignes de turbulence.
Le dessin en bas à droite montre comment l’air se déplacerait autour d’un mince objet rectangulaire en position horizontale. Les lignes indiquent que la quasi-totalité de l’air se déplacerait au-dessus et au-dessous de l’objet. Les lignes du flux de l’air ne sont pratiquement pas perturbées par l’objet et il n’y a pas de turbulence.
Les premiers avions, tels que le Curtiss 1911 Modèle D, présentaient une forte traînée de forme, surtout au niveau des parties verticales telles que les mâts d’aile. Au fil du temps, les progrès de l’aérodynamique et des matériaux ont conduit à des conceptions beaucoup plus aérodynamiques, comme le SR-71 Blackbird.
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Les images sont deux photographies d’avions en vol.
La photo de gauche représente un ancien biplan. Cet ancien avion ressemble beaucoup à un cerf-volant en forme de boîte. Il est fait de bois et de tissu, et des câbles relient les deux ensembles d’ailes parallèles. Un pilote est assis à l’air libre, près du moteur.
La photo de droite représente un avion furtif moderne. Il est très plat et anguleux, avec un long fuselage plat et un seul ensemble d’ailes effilées.
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L’image est une photographie d’un ancien avion de chasse en vol, datant de la Seconde Guerre mondiale. L’avion a un fini métallique brillant. Il est si lisse que la piste et l’herbe en contrebas se reflètent sur son flanc!
La traînée induite par la portance
L’autre principal type de traînée est la traînée induite par la portance. Ce type de traînée est le résultat de la portance. Plus la portance est importante, plus grande est la traînée induite par la portance.
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L’image représente deux dessins illustrant la façon dont l’air se déplace autour de profils aérodynamiques avec différents angles d’attaque.
Dans chaque dessin, le flux de l’air est représenté par quatre fines lignes bleues qui se dirigent initialement de façon parallèle vers le profil aérodynamique depuis le côté gauche du dessin.
Le dessin du haut montre comment l’air se déplace autour d’un profil aérodynamique avec un petit angle d’attaque. Au-dessus du bord de fuite du profil aérodynamique, on voit quelques lignes courbes. Elles indiquent la présence de turbulence, qui est assez minime dans cette position du profil.
Le dessin du bas montre comment l’air se déplace autour d’un profil aérodynamique avec un grand angle d’attaque. Dans ce cas, le profil aérodynamique se comporte beaucoup comme la forme rectangulaire en position verticale du schéma sur la traînée de forme. Directement derrière le profil aérodynamique, de nombreuses lignes courbes indiquent qu’une turbulence importante est générée.
Il arrive un moment où l’angle d’attaque devient si important que l’aile n’est plus en mesure de générer de la portance. C’est ce qu’on appelle l’angle d’attaque critique. À ce stade, l’avion décroche. De nombreux avions modernes sont équipés de systèmes d’alerte qui préviennent le pilote si l’avion est sur le point de décrocher.
En résumé, il existe quatre forces qui maintiennent un avion dans les airs et le font avancer : le poids, la portance, la poussée et la traînée. Mais si tu y réfléchis bien, cela signifie que l’avion tombe, s’élève, avance et est tiré vers l’arrière – tout cela en même temps! Les innovations scientifiques réalisées au cours des siècles nous ont permis de maintenir ces quatre forces en équilibre afin de pouvoir faire voler des avions d’un lieu à un autre.
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Références
FAA (2016). Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge. Retrieved from https://www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_manuals/aviation/phak/
Man-Vehicle Laboratory (1997). Theory of Flight. MIT Department of Aeronautics and Astronautics. Retrieved from https://web.mit.edu/16.00/www/aec/flight.html
NASA (2021). Four Forces on an Airplane. Retrieved from https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/forces.html
NASA (2021). How does a jet engine work? Retrieved from https://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/UEET/StudentSite/engines.html
NASA (2021). Re-living the Wright Way. Retrieved from https://wright.nasa.gov/airplane/shortw.html
NASA (Dec. 9, 2003). The Four Forces of Flight. Retrieved from https://www.nasa.gov/audience/foreducators/k-4/features/F_Four_Forces_of_Flight.html