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Le Bilan des Forces

Les Forces

Voilà un chapitre qui peut paraitre rébarbatif aux esprits peu scientifiques. Je vais donc essayer de traiter le sujet de la façon la plus simple. Car la compréhension de cette partie est indispensable pour la suite.

Un avion au sol, à l’arrêt, ne subit que deux forces : son propre poids, et la résistance du sol. Sans cette résistance, l’avion s’enfoncerait dans le sol. Cela doit vous rappeler des cours de physique du collège !

Pour qu’un avion vole, une force doit le tirer vers le haut, et cette force doit être plus grande que le poids de l’avion. Cette force, c’est la portance. Pour que l’avion vole, il doit avancer. Une force doit donc tirer l’avion vers l’avant : c’est la traction  pour un avion à hélice(s), la poussée pour un avion à réaction.

Enfin, dès lors qu’un mobile se déplace, il subit des forces de frottement. Pour un avion, ces forces se limitent aux frottements de l’air, qui ne sont pas négligeables : en voiture, roulez à 130 km/h et passez votre main par la fenêtre, vous sentez cette forte résistance de l’air. On l’appelle la trainée. Un article lui est entièrement dédié ici : LA TRAINÉE

Forces

Les Formules

Voyons à présent les formules « qui fâchent ». Il vous faut les connaitre par cœur pour l’examen théorique. Mais elles vous sont de toute façon indispensables pour comprendre les bases de la mécanique du vol.

La Portance

Commençons par la portance, notée \vec{Fz}

\vec{Fz} = \frac{1}{2} \rho S V^2 Cz
  • \rho (prononcé « rho ») est la masse volumique de l’air. On simplifie parfois en parlant de densité de l’air. En réalité une densité est le rapport entre une masse volumique donnée, et une masse volumique de référence. Bref, tout comme la densité, la masse volumique de l’air diminue quand la température augmente (plus il fait chaud plus l’air est léger). La masse volumique diminue aussi quand la pression atmosphérique diminue, et par conséquent quand l’altitude augmente. Ce \rho est donc intéressant car il nous indique que la portance diminue par temps chaud, ou lorsque l’on monte en altitude. Ce qui explique les performances diminuées lors d’opérations par temps chaud ou depuis un aérodrome situé en altitude. Au décollage par temps chaud et/ou depuis un aérodrome situé en altitude, à vitesse égale vous aurez moins de portance que par temps froid ou sur un aérodrome au niveau de la mer. L’avion montera donc moins bien.
  • S est la surface alaire de l’avion. Plus la surface de l’aile est grande, plus celle ci va produire de la portance. Sur la plupart de nos avions d’aéroclub, ce paramètre ne peut pas être piloté. Il existe cependant certains dispositifs qui peuvent modifier la surface alaire pour augmenter la portance, comme les volets fowler qui reculent en sortant et augmentent ainsi la surface alaire
  • V² : le carré de la vitesse. On voit donc aisément que la vitesse est le paramètre faisant le plus varier la portance.
  • Cz : le coefficient de portance. Ce coefficient dépend de plusieurs paramètres :
        • La conception de l’avion et de l’aile
        • La position des dispositifs hypersustentateurs (volets, becs de bord d’attaque)
        • L’angle d’incidence

Prenons l’exemple d’un avion en vol stabilisé en palier. Si l’on diminue la vitesse de l’avion, la portance diminue, donc l’avion descend. Pour ne pas descendre, il faut augmenter un autre paramètre de la formule. On peut augmenter le Cz en augmentant l’incidence, donc en levant le nez de l’avion. Plus on diminue la vitesse, plus il faudra augmenter l’incidence pour maintenir le palier. Arrivé à une incidence maximum, le Cz diminue brutalement, la portance s’effondre : c’est le décrochage.

Cz incidence

La Trainée

La formule de la trainée est très simple à retenir une fois que vous aurez assimilé celle de la portance. La force de trainée s’écrit \vec{Fx}

La formule est la suivante :

\vec{Fx} = \frac{1}{2} \rho S V^2 Cx

Le seul changement par rapport à la formule de la portance se trouve au niveau du coefficient, le coefficient de trainée (Cx) y remplace le coefficient de portance (Cz).

Le Cx est parlant pour la plupart d’entre vous. Certains vont l’appeler « coefficient de pénétration dans l’air ». Le Cx dépend tout comme le Cz de la conception de l’avion, de l’incidence et de la position des volets. A la différence du Cz, le Cx augmente continuellement avec l’incidence. Plus on augmente l’incidence, plus le Cx augmente. Vous pouvez en faire l’expérience avec votre main par la fenêtre en voiture. Avec la main à l »horizontale, vous ne sentez que peu de résistance. Plus vous « cabrez » votre main, plus vous sentez cette force de trainée qui tire la main vers l’arrière.

Dans un autre article, nous étudierons comment est créée la force de portance.