L'avion peut être ou non l'invention qui a le plus changé la vie du 20e siècle; des arguments peuvent clairement être avancés pour toutes sortes d'autres innovations, y compris les médicaments antibiotiques, le processeur informatique et l'avènement de la technologie des communications mondiales sans fil. Pourtant, peu de ces inventions, voire aucune, portent à la fois la grandeur visuelle et l'esprit humain inné de l'audace et de l'exploration comme le fait l'avion.
La majeure partie d'un avion typique est en grande partie impossible à distinguer des autres véhicules de tourisme à grande échelle; il se compose d'un compartiment en forme de tube dans lequel sont assis les passagers, les personnes responsables et d'autres objets transportés. De plus, la plupart des avions ont des roues; la plupart des observateurs ne les considéreraient pas comme une caractéristique principale, mais la plupart des avions ne pourraient pas décoller ou atterrir sans eux.
De toute évidence, cependant, la principale caractéristique physique qui rend un avion immédiatement identifiable est ses ailes. Dans une certaine mesure, les structures de support que vous lirez également ajoutent à l'apparence caractéristique d'un avion, mais l'aile est en quelque sorte la plus convaincante; malgré son apparence trompeusement basique, l'aile d'avion est une véritable merveille d'ingénierie ainsi qu'indispensable à la vie dans la civilisation moderne.
Parties d'avion aérodynamiquement actives
Le contrôle des avions nécessite non seulementascenseur(beaucoup plus à ce sujet plus tard) mais aussi des équipements de direction et de stabilisation verticaux et horizontaux. Ce qui suit s'applique à un avion de type passager standard; il est clair qu'il n'existe aucune conception d'avion, ni d'ailleurs d'avion à réaction de passagers. Pensez à la physique, pas aux ingrédients spécifiques.
Le tube, ou corps, d'un avion s'appelle lefuselage. Les ailes sont fixées au fuselage en un point situé à peu près à mi-chemin de sa longueur. Les ailes elles-mêmes ont deux ensembles de composants mobiles à l'arrière; l'ensemble extérieur s'appelleailerons, tandis que les plus longs et intérieurs sont simplement appelésvolets. Ceux-ci modifient respectivement le roulis et la traînée de l'avion, aidant à diriger et à ralentir l'avion. Les extrémités des ailes ont souvent de petits mobilesailettes, ce qui diminue la traînée.
Les parties de queue d'un avion comprennenthorizontaletstabilisateurs verticaux,l'ancien imitant de minuscules ailes dans l'orientation et se vantantvolets d'ascenseur, et ce dernier comprenant ungouvernail,principal moyen utilisé par l'avion pour modifier la trajectoire horizontale. Un avion qui n'aurait qu'un moteur et des ailes mais pas de gouvernail serait comme une voiture puissante sans volant, et il ne faut pas un physicien ou un pilote de course professionnel pour repérer les problèmes ici.
L'histoire de l'aile d'avion
Orville et Wilbur Wrightsont crédités d'avoir effectué le premier vol réussi, en 1903 en Caroline du Nord, aux États-Unis. Comme vous l'avez peut-être deviné, ils n'étaient pas de simples casse-cou qui a jeté ensemble un engin bâclé à partir d'un moteur et de quelques planches légères et s'en est tiré, un qui a fonctionné dans leur favoriser. Au contraire, ils étaient des chercheurs méticuleux, et ils comprenaient que l'aile serait l'aspect critique de tout mécanisme de vol d'avion réussi. ("Aéroplane" est un terme pittoresque mais adorable dans le monde de l'aviation.)
Les Wright avaient accès aux données des souffleries d'Allemagne, et ils les ont utilisées dans la formulation des ailes des planeurs qui ont précédé leur version motorisée de 1903, instantanément célèbre. Ils ont expérimenté différentes formes d'ailes et ont découvert que celles avec des rapports envergure/largeur d'aile proches, et proches de 6,4 à 1, semblaient idéales; que c'est presque parfaitratio d'aspecta été confirmé par des méthodes d'ingénierie modernes.
Une aile est une sorte de profil aérodynamique, qui est la section transversale de tout ce qui intéresse les ingénieurs dans le domaine de la dynamique des fluides, comme les voiles, les hélices et les turbines. Cette représentation est utile pour résoudre les problèmes car elle offre la meilleure représentation visuelle de la façon dont un avion monte et comment cela peut être modulé par différentes formes d'ailes et d'autres caractéristiques.
Faits de base sur l'aérodynamique
Peut-être qu'à l'école, ou simplement en regardant les informations, vous avez vu ou entendu le terme « ascenseur » en référence au vol. Qu'est-ce que la portance en physique? L'ascenseur est-il même une quantité mesurable, ou est-il mappé sur une seule ?
La portance est, en fait, une force, celle qui par définition s'oppose à un objetpoids. Le poids à son tour est la force produite par les effets de la gravité sur les objets avecMasse. Atteindre la portance, c'est essentiellement contrer la gravité - et la gravité "triche" dans ce bras de fer vertical, car elle ne se repose jamais !
L'ascenseur est unquantité de vecteur, comme toutes les forces, et a donc à la fois une composante scalaire (son nombre ou sa magnitude) et une direction spécifiée (incluant généralement deux dimensions, étiquetéesXetoui, dans les problèmes de physique de niveau d'introduction). Le vecteur est dessiné agit à travers le centre de pression de l'objet, et est dirigé perpendiculairement à la direction d'écoulement du fluide.
L'ascenseur nécessite unfluide(un gaz ou un mélange de gaz, tel que l'air, ou un liquide, tel que l'huile) en tant que milieu. Ainsi, ni un objet solide ni un vide ne servent d'environnement de vol hospitalier; le premier d'entre eux est intuitivement évident, mais si vous vous êtes déjà demandé si vous pouviez diriger un avion dans l'espace en manipulant ses ailes ou sa queue, la réponse est non; il n'y a pas de "truc" physique contre lequel les pièces de l'avion peuvent pousser.
L'équation de Bernoulli
Tout le monde a observé les remous et les courants d'une rivière ou d'un ruisseau, et réfléchi à la nature de l'écoulement des fluides. Que se passe-t-il lorsqu'une rivière ou un ruisseau devient soudainement beaucoup plus étroit, sans changement de profondeur? L'eau de la rivière s'écoule ainsi beaucoup plus rapidement. Des vitesses plus élevées signifient plus d'énergie cinétique, et les augmentations d'énergie cinétique dépendent d'un apport d'énergie dans le système sous forme de travail.
Concernant la dynamique des fluides, le point clé est que la pression P va chuter dans les fluides en mouvement rapide de densitéρ, y compris aérien. (La densité est la masse divisée par le volume, ou m/V.) Les différentes relations entre l'énergie cinétique d'un fluide (1/2)ρv2, son énergie potentielle ρgh (oùhest tout changement de hauteur sur lequel une différence de pression de fluide existe) et la pression totalePest capturé par l'équation rendue célèbre par le scientifique suisse du XVIIIe siècleDavid Bernoulli. La forme générale s'écrit :
P+\frac{1}{2}\rho v^2+\rho gh= constant
Icigest l'accélération due à la gravité à la surface de la Terre, qui a la valeur 9,8 m/s2. Cette équation s'applique à d'innombrables situations impliquant l'écoulement d'eau et de gaz et le mouvement d'objets dans des fluides, tels que des avions traversant l'air du ciel.
La physique du vol en avion
En considérant l'aile d'avion, le dernier terme de l'équation de Bernoulli peut être supprimé car l'aile est traitée comme étant à une hauteur uniforme :
P+\frac{1}{2}\rho v^2= constant
Vous devez également être conscient de l'équation de continuité, qui relie la pression à la section transversale de l'aile :
\rho Av=constante
La combinaison de ces équations montre comment la force de portance est produite. De manière critique, la différence de pression entre le dessus de l'aile et le dessous est le résultat des différentes formes des côtés respectifs de la voilure. L'air au-dessus de l'aile est autorisé à se déplacer plus rapidement que l'air en dessous, ce qui entraîne une sorte de "pression d'aspiration" d'en haut qui s'oppose au poids de l'avion.
Le mouvement vers l'avant de l'avion lui-même, bien sûr, est ce qui crée le mouvement de l'air; la vitesse horizontale de l'avion est créée par la poussée de ses moteurs à réaction contre l'air, et la force d'opposition résultante exercée contre l'engin dans cette direction est appeléetraîne.
- Ainsi, un résumé des forces vers le haut, vers le bas, vers l'avant et vers l'arrière sur un avion et ses ailes vues d'un côté sontascenseur, poids, pousséeettraîne.