Stabilité latérale d'un avion

[invite563547f9]

Bonjour,

il y a une explication qui est souvent présentée dans les livres de vulgarisation d'aérodynamique, et que j'ai beaucoup de mal à accepter. J'ai l'impression qu'elle n'a aucun sens :

WhatsApp Image 2019-02-11 at 02.09.14.jpg

Pourquoi la portance serait-elle forcément parallèle à la gravité ? À ce que je sache, les forces de pressions sur la voilure et donc la résultante des forces de portance ne devraient pas dépendre de la direction de la gravité mais uniquement du flux d'air et de la géométrie. Or, ni l'une ni l'autre ne change entre les deux situations présentés et donc il n'y pas de moment stabilisant.

(Je sais qu'il existe une explication, que je trouve plus crédible, et qui nécessite que l'avion se mette d'abord à glisser latéralement pour que le vent relatif change de direction et crée un couple par effet girouette)

Je vois une autre explication récurrente et similaire, et à peu près tout aussi peu crédible. Pourtant, je l'ai entendu même venir d'un ingénieur en mécanique (qui a émis des suspicions après coup) :

croquis-stabilité-avion-pourri.jpg

De nouveau, cela signifierait que la voilure saurait comment est orientée la gravité afin de savoir où diriger la force de portance. J'ai l'impression qu'en vrai, il se passe plutôt cela :

croquis-stabilité-avion-réalité.jpg

La force de portance est alignée sur le centre de gravité et donc n'engendre aucun moment. Cela colle d'ailleurs avec les expériences que j'ai faite avec un moteur physique. Malgré la croyance souvent répétée que le fait de mettre le centre de gravité au-dessus du centre de portance rend stable, ça n'est le cas que si la force de portance est forcément colinéaire à la gravité, ce qui n'a rien d'évident.

Je me trompe ?
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[Resartus]

Bonjour,
Vous avez raison : un roulis "pur" ne changerait pas pas les moments.
La stabilité globale (c'est d'ailleurs souvent une certaine instabilité qui est recherchée) est surtout due au couplage avec le lacet (on parle de stabilité spirale). L'article wikipedia decrit cela assez bien
https://fr.wikipedia.org/wiki/Dièdre_(avion)

[harmoniciste]

Bonjour
Vous avez totalement raison, la stabilité en roulis est uniquement due à l'attaque oblique provoquée par la "glissade" Laquelle glissade, est liée à l'inclinaison de la portance perpendiculaire à l'aile.
Il n'y a ni effet pendulaire , ni effet de projection dissymétrique sur des ailes en dièdre sur une surface horizontale.
C'est principalement grâce au dièdre des ailes que la glissade augmente la portance d'un côté et diminue de l'autre.
Mais pas seulement: La portance d'une surface plane est grossièrement produite sur le quart avant et une glissade à 90° placerait toute la portance sur la moitié de l'envergure.
On conçoit alors que sans aucun dièdre une glissade de qq degrés suffisent à rétablir l'horizontalité.

[jiherve]

Bonjour,

Pourquoi la portance serait-elle forcément parallèle à la gravité ?

tout simplement par ce que la force effective appliquée à la voilure peut être décomposée en éléments, que cette décomposition étant arbitraire on a trouvé judicieux de la faire dans un système d'axe défini par la gravité et il se trouve que l’élément nommé portance est alors colinéaire au vecteur gravité.

JR

[A voir en vidéo sur Futura]

[calculair]

bonjour ,

je complète la réponse de jiherve

La resultante des forces aérodynamiques sur l'aile n'a aucune raison d'être colinéaire à la gravité.

On a l'habitude de la décomposer en 2 forces

1) L'une La portance est perpendiculaire au vent relatif ( perpendiculaire au vecteur vitesse de l'avion en atmosphère calme )

2) L'autre la trainée , parallèle au vecteur vitesse ( même conditionns )

Ainsi en vol horizontal la portance s'oppose au poids de l'avion

[invitef29758b5]

Salut

Si l' avion s' incline , la portance fait de même . Elle a donc une composante horizontale que fait virer , mais qui ne provoque pas de lacet .
Le dièdre a pour but de lier roulis et lacet : Une attaque oblique provoque un moment de roulis .

[calculair]

exercice

quelle est la portance d'un parachute qui descend à la verticale à vitesse constante avec un parachutiste de 80 kg ?

[harmoniciste]

Portance nulle

[calculair]

Bonne reponse: c'est la question piège classique c'est ici la traînée qui s'oppose au poids .

La portance est toujours perpendiculaire au vecteur vitesse et la trainée colinéaire au vecteur vitesse .

La question du parachutiste permet de bien visualiser ces définitions

Portance nulle

[invite563547f9]

D'accord, ça confirme ce que je disais.

Bonjour,

tout simplement par ce que la force effective appliquée à la voilure peut être décomposée en éléments, que cette décomposition étant arbitraire on a trouvé judicieux de la faire dans un système d'axe défini par la gravité et il se trouve que l’élément nommé portance est alors colinéaire au vecteur gravité.

JR

D'accord, mais je trouve que c'est une définition qui induit en erreur, car elle encourage des explications fumeuses comme celle trouvée dans le livre que j'ai cité au début. Selon lui, il y a un moment, mais uniquement parce qu'il a oublié qu'il y a aussi une composante latérale à la force exercée par les ailes, qui annule le moment qu'il prétend y avoir.

Ça me choque un peu qu'il y ait une explication comme ça dans un livre d'aérodynamique pour pilote de planeur...

[calculair]

attention,

il y a d'autres forces que la trainée et la portance dont le point d'application est le centre aérodynamique de l'aile , qui est different de son foyer.

il y a le poids qui s'applique au centre de gravité de l'avion

Les dessins paraissent a priori juste pour un vol horizontal. Le centre de gravité etant bien en dessous du point d'application de la portance , il y a un couple de redressement.

Il ne faut pas oublier la force de propulsion des moteurs qui si elle ne passe pas par le centre de gravité peut induire aussi un couple .

[invite563547f9]

D'accord, évidemment qu'il y a des moments partout (je fais des avions modèles réduits et ce n'est pas forcément très stable sans rien faire).

Mais le point était que les moments de dépendent pas du roulis, mais bien de la direction du vent relatif. Donc les deux situations tirées du livre photographié ne diffèrent pas du point de vue des moments, et donc celle de droite de retourne pas à celle de gauche pour la raison expliquée.

[invitef29758b5]

Le centre de gravité etant bien en dessous du point d'application de la portance , il y a un couple de redressement.

Au centre de gravité , le moment de roulis de la portance est nul .
Il n' y a pas de stabilité pendulaire en roulis .

[calculair]

Cela ne me parait pas évident : Par exemple en vol horizontal ,Si la portance de l'aile droite est plus importante que l'aile gauche, l'avoion s'inclinera à gauche...

Au centre de gravité , le moment de roulis de la portance est nul .
Il n' y a pas de stabilité pendulaire en roulis .

[harmoniciste]

Au centre de gravité , le moment de roulis de la portance est nul .
Il n' y a pas de stabilité pendulaire en roulis .

Tout à fait d'accord: La stabilité pendulaire en roulis n'existe pas

Si la portance des deux ailes n'est pas rigoureusement exacte, l'avion s'incline et ce faisant il nait une glissade rétablissant l'équilibre... moyennant un vol légèrement en crabe.
Il en va de même avec une charge dissymétrique des ailes, en raison par exemple du couple moteur.

[invitef29758b5]

Par exemple en vol horizontal ,Si la portance de l'aile droite est plus importante que l'aile gauche, l'avoion s'inclinera à gauche...

Dans ce cas de figure , le moment de roulis est le même avec une aile haute ou basse .
Pas d' effet pendulaire .

[calculair]

Peux tu expliquer ou est mon erreur ?

Dans ce cas de figure , le moment de roulis est le même avec une aile haute ou basse .
Pas d' effet pendulaire .

[invitef29758b5]

Peux tu expliquer ou est mon erreur ?

Ce que tu représentes , c' est l' équilibre en tangage .
Nettement plus compliqué que celui en roulis , c' est pour ça que je préfère le laisser de coté .
Si tu t' y intéresses , il faut prendre en compte la résultante et non la composante portance . C' est la résultante qui équilibre le poids du planeur .

[calculair]

J'aimerai comprendre. J'ai précisé les mouvements de roulis et tangage

Ce que tu représentes , c' est l' équilibre en tangage .
Nettement plus compliqué que celui en roulis , c' est pour ça que je préfère le laisser de coté .
Si tu t' y intéresses , il faut prendre en compte la résultante et non la composante portance . C' est la résultante qui équilibre le poids du planeur .

Pièce jointe supprimée

[JPL]

Les illustrations doivent être postées dans un format graphique (gif, png, jpg). Merci.

[harmoniciste]

Dans votre dessin du "roulis" votre erreur est de représenter la "portance" verticale. En réalité la poussée générée par l'aile est due à la pression dynamique sur sa surface. Elle est n'est donc pas verticale mais perpendiculaire, et continue de passer par le CdG. Aucun couple pendulaire n'est produit.

[calculair]

ok j'ai compris ... ce n'est plus le cas avec un dièdre.

ce n'est plus le ça lorsque une aile porte plus que l'autre

[invite563547f9]

Non c'est faux, une aile ne porte pas plus que l'autre avec un dièdre quand il y a du roulis. La composante verticale est certe différente, mais la résultante des deux ailes est toujours perpendiculaire, et donc pas de moment. C'était justement toute l'idée du schéma faux que j'ai posté tout au début.

[harmoniciste]

La portance globale d'une aile en dièdre qui s'incline provoque une glissade (attaque oblique)
L'attaque oblique produit une dissymétrie des deux portances, et un couple de redressement.

[invitef29758b5]

La portance globale d'une aile en dièdre qui s'incline provoque une glissade (attaque oblique)

Disons plutôt que la composante horizontale provoque un virage (courbure de la trajectoire)
S' il n' est pas accompagné d' un lacet proportionné , il y a attaque oblique .

[harmoniciste]

Oui, Sans attaque oblique, la composante transversale incurve la trajectoire dans le plan horizontal et la portance inclinée s'oppose alors à la combinaison du poids et de la force centrifuge: l'avion reste en virage incliné et ne se redresse pas.
C'est seulement la glissade du dièdre qui rattrape l'horizontalité

[calculair]

Il y a bien un couple de roulis dans ce cas. Il y a aussi une composante qui provoque le virage.

Oui, Sans attaque oblique, la composante transversale incurve la trajectoire dans le plan horizontal et la portance inclinée s'oppose alors à la combinaison du poids et de la force centrifuge: l'avion reste en virage incliné et ne se redresse pas.
C'est seulement la glissade du dièdre qui rattrape l'horizontalité

[harmoniciste]

En virage incliné stabilisé il n'y a pas de couple de roulis.

[calculair]

Cet équilibre est il stable ? Si l'inclinaison augmente comment réagit la différence de portance? même question quand l'inclainaison diminue ?

En virage incliné stabilisé il n'y a pas de couple de roulis.

Pièce jointe 383439

[harmoniciste]

Oui, cet équilibre en virage est aussi stable que l'équilibre en vol rectiligne, pour la même raison de dièdre: Trop inclinées ou pas assez par rapport au rayon de la trajectoire, les ailes tendent à retrouver l'inclinaison correcte du vol "pseudo-symétrique"
Une lente accentuation d'inclinaison peut cependant naitre à cause de la différence de vitesse entre l'aile intérieure au virage et l'aile extérieure (principalement les planeurs). Le virage se trouve alors stable avec un léger braquage d'aileron vers l'"extérieur".