Les Principes De L’Aérodynamisme
1. La constitution de l'air
L’atmosphère est généralement considérée comme formant un système gazeux contenant principalement 78,08 % de diazote, 20,95 % de dioxygène, 0,93 % d'argon, 0,03 % de dioxyde de carbone.
Leur concentration dépend de nombreux paramètres comme la localisation géographique, l’altitude, les saisons ou l’ensoleillement.
Leur concentration dépend de nombreux paramètres comme la localisation géographique, l’altitude, les saisons ou l’ensoleillement.
Ecoulements d’air
On peut distinguer plusieurs types d’écoulements sur une aile d’avion. Ces différents types d’écoulements dépendent de la qualité du vol de l’appareil :
- L’écoulement est laminaire lorsque les particules d’air suivent des trajectoires rectilignes et parallèles.
- L’écoulement est turbulent lorsque ces particules, tout en ayant des trajectoires parallèles, ne suivent plus une trajectoire rectiligne, mais en forme de vague.
- Enfin, l’écoulement est tourbillonnaire lorsque les particules d’air, ont des trajectoires qui ne sont ni rectilignes, ni parallèles entre elles, mais totalement désordonnées.
Facteurs influençant la résistance de l’air
Bien qu’incolore, inodore et d’une densité relativement faible (environ 800 fois inférieure à celle de l’eau), l’atmosphère terrestre se comporte comme un milieu visqueux qui freine le mouvement des véhicules en circulation. Plus précisément, l’atmosphère terrestre génère une force physique qu’on appelle résistance de l’air.
Chaque corps en mouvement dans l'air est soumis de la part de celui-ci à une résistance qui tend à s'opposer à ce mouvement. Cette résistance a son origine dans les propriétés de l'air, mais dépend aussi des caractéristiques du corps concerné : (surface, forme, masse volumique, sa vélocité...).
Prenons en main une plaque plate. En la tenant bien verticale et en la déplaçant horizontalement à une vitesse donnée dans de l’air calme, on ressent une certaine force qui tend à s’opposer au déplacement. On retrouve cette sensation en voiture lorsque l’on sort sa main par la fenêtre.
À l’avant de la plaque, l’air va exercer une forte pression, tandis qu’à l’arrière se forme « un vide » relatif qui tend à aspirer la plaque et qui entraîne l’écoulement dans un régime tourbillonnaire sous l’effet de cette pression.
Dans ces conditions, la plaque est soumise à une force horizontale.
On peut en déduire que plus l’objet est déplacé rapidement dans l’air plus la force horizontale s’accroit.
Chaque corps en mouvement dans l'air est soumis de la part de celui-ci à une résistance qui tend à s'opposer à ce mouvement. Cette résistance a son origine dans les propriétés de l'air, mais dépend aussi des caractéristiques du corps concerné : (surface, forme, masse volumique, sa vélocité...).
Prenons en main une plaque plate. En la tenant bien verticale et en la déplaçant horizontalement à une vitesse donnée dans de l’air calme, on ressent une certaine force qui tend à s’opposer au déplacement. On retrouve cette sensation en voiture lorsque l’on sort sa main par la fenêtre.
À l’avant de la plaque, l’air va exercer une forte pression, tandis qu’à l’arrière se forme « un vide » relatif qui tend à aspirer la plaque et qui entraîne l’écoulement dans un régime tourbillonnaire sous l’effet de cette pression.
Dans ces conditions, la plaque est soumise à une force horizontale.
On peut en déduire que plus l’objet est déplacé rapidement dans l’air plus la force horizontale s’accroit.
Déplacement d’une plaque plate en rouge, dans l’air
Il s’introduit donc la notion de résistance à l’air.
En effet, la résistance de l’air est proportionnelle : à la surface présentée perpendiculairement, à l’écoulement, au carré de la vitesse d’écoulement, à la masse volumique de l’air et de la forme du corps.
On peut donc présenter ces variables sous forme d’équation :
R=K.ρ.V².S
Avec :
En effet, la résistance de l’air est proportionnelle : à la surface présentée perpendiculairement, à l’écoulement, au carré de la vitesse d’écoulement, à la masse volumique de l’air et de la forme du corps.
On peut donc présenter ces variables sous forme d’équation :
R=K.ρ.V².S
Avec :
- R, résistance de l’air exprimée en Newton.
- K, coefficient qui tient compte de la forme du corps et de son état de surface.
- ρ, masse volumique de l’air exprimée en kg.m‾³
- V, vitesse exprimée en m/s
- s, aire du corp exprimée en m²
Forme aérodynamique
Nous allons à présent voir et étudier quelle forme serait favorable à un bon écoulement de l’air afin d’avoir le moins de résistance pour que l’écoulement soit laminaire et fluide pour avoir une aérodynamique optimale.
La résistance de l'air dans le cas d'une demie-sphère est amoindrie puisque les particules d'air contournent très facilement la surface, mais la dépression est encore très forte à l’arrière de cette forme.
Maintenant, on va prendre une sphère, la pénétration de l'air se fera beaucoup plus facilement, cependant cette forme n'est toujours pas la plus aérodynamique car on trouve une légère dépression à l'arrière de la sphère.
La forme aérodynamique parfaite n’existe pas mais une forme s'en rapproche :
La forme de la goutte d'eau (Corps profilé) a une résistance de l'air plus faible que le autres formes testées.
En effet, celle-ci a un coefficient de traînée égale à 0.04, tandis que les autres formes ont un coefficient de traînée plus élevé.
La résistance de l'air dans le cas d'une demie-sphère est amoindrie puisque les particules d'air contournent très facilement la surface, mais la dépression est encore très forte à l’arrière de cette forme.
Maintenant, on va prendre une sphère, la pénétration de l'air se fera beaucoup plus facilement, cependant cette forme n'est toujours pas la plus aérodynamique car on trouve une légère dépression à l'arrière de la sphère.
La forme aérodynamique parfaite n’existe pas mais une forme s'en rapproche :
La forme de la goutte d'eau (Corps profilé) a une résistance de l'air plus faible que le autres formes testées.
En effet, celle-ci a un coefficient de traînée égale à 0.04, tandis que les autres formes ont un coefficient de traînée plus élevé.
En conclusion, la forme d'une goutte d'eau n' est pas la forme la plus aérodynamique parfaite, mais elle s'en approche beaucoup. Elle prend exactement la forme résultant de son poids qui l’entraîne vers le sol ; la pression de l'air qui l'entoure, forte à l'avant et faible à l'arrière, l'air ayant dû s'écarter sur son passage crée une légère dépression à l’arriéré de la goutte d'eau.
Le corps profilé est utilisé sur les petits aéronefs afin de rendre les trains d’atterrissage plus aérodynamiques car ils ne sont pas rétractables comme sur les grands aéronefs allant à plus grande vitesse.
Le corps profilé est utilisé sur les petits aéronefs afin de rendre les trains d’atterrissage plus aérodynamiques car ils ne sont pas rétractables comme sur les grands aéronefs allant à plus grande vitesse.
Roue d'un DR-400, rendu plus aérodynamiques recouvert par un objet en forme d'un corps profile.