Comment se fait-il qu'un avion puisse voler?

[invite2e02c00f]

Bonjours à tous. Tout le monde a surement entendu parler du nouveau "paquebot" de l'aviation: l'A380. En naviguant sur internet j'ai trouver de nombreuses photos de l'avion et certaines informations m'on stupéfait devant la grandeur de cet appareil.490 mètres de long, 50m de large et 46m de haut pour 32000 tonnes d'acier. Ces chiffres qui donnent le vertige m'on laisser sans réponse: comment un avion de cette envergure peut t-il voler?? Depuis que je suis petit je me suis toujours poser cette question; on a maintes fois essayer de m'expliquer sans pour autant être assez explicite sur les réponses données pour que je puisse comprendre. Ayant découvert ce forum il y a très peu de temps, j'y passe pour laisser ce petit message, qui j'en suis sûr, trouvera une réponse vu le nombres de tête pensante connecté sur ce forum.
Je vous remercie en attendant une réponse.
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[invitea3fc981a]

Une petite expérience simple : prends une feuille de papier, tiens la verticalement par en haut (prends-la d'un doigt en haut par ex.), et souffle sur un côté : tu observeras que la feuille est comme "attirée" de ce côté. C'est l'accélération de l'air (provoquée par ton souffle) qui provoque cette force.

C'est le même principe pour les avions : les ailes sont étudiées pour que l'air soit accéléré en passant par-dessus l'aile, et pas en passant dessous, il en résulte une force qui l'entraîne vers le haut.

[mariposa]

Une petite expérience simple : prends une feuille de papier, tiens la verticalement par en haut (prends-la d'un doigt en haut par ex.), et souffle sur un côté : tu observeras que la feuille est comme "attirée" de ce côté. C'est l'accélération de l'air (provoquée par ton souffle) qui provoque cette force.

C'est le même principe pour les avions : les ailes sont étudiées pour que l'air soit accéléré en passant par-dessus l'aile, et pas en passant dessous, il en résulte une force qui l'entraîne vers le haut.

Un autre exemple du même acabit. Si on regarde un bateau a voile il avance presque contre le vent (navigation au pret). cela est du au fait que la vitesse du vent qui s'écoule devant le voile est supérieure a celle derrière la voile. comme la pression diminue avec la vitesse la résultante des forces est dirigée vers l'avant (en fait il y a une projection vers l'avant, l'autre composante fait giter le bateau).

[Rodeon]

Hello

Il y a déjà des discussion sur ce sujet. Tiens volà le liens:

http://forums.futura-sciences.com/sh...ad.php?t=27949

A+

[A voir en vidéo sur Futura]

[BioBen]

J'aimerai juste préciser que en fait ce n'est pas exactement le théorème de Bernouilli qui est appliqué (c'est notre prof de méca qui nous l'a expliqué), car si l'on était dans les conditions pour l'application du théorème Bernouilli il n'y aurait pas de force vers le haut (de portance) : il est nécessaire que le fluide soit visqueux (alors que Bernouilli nécesite un fluide idéal) pour qu'il y ait apparition d'une force vers le haut.

[Rodeon]

J'aimerai juste préciser que en fait ce n'est pas exactement le théorème de Bernouilli qui est appliqué (c'est notre prof de méca qui nous l'a expliqué), car si l'on était dans les conditions pour l'application du théorème Bernouilli il n'y aurait pas de force vers le haut (de portance) : il est nécessaire que le fluide soit visqueux (alors que Bernouilli nécesite un fluide idéal) pour qu'il y ait apparition d'une force vers le haut.

Es tu sur de ce que tu racontes?
Il n'est pas du tout nécessaire que le fluide soit visqueux pour expliquer la portance.
Le principe de Bernoulli nous donne l'une des contributions à la portance, la seconde provenant de la conservation de la quantité de mouvement. J'ai étudier l'aile d'avion en soufflerie avec capteur de pression sur l'intrados et extrados. L'air n'est pas un fluide visqueux, et expérimentalement on a bien une dépression sur l'extrados. Donc je pense que la portance ici n'a rien a voir avec la portance. Au contraire la viscosité diminue la portance à vitesse constante.

[BioBen]

Ah alors tu dis l'inverse de mon prof de méca...
Je suis d'accord avec toi pour la quantité de mouvement, on en avait parlé dans l'autre fil, et il ya bien 2 (ptetre plus) origines à la portance : Bernouilli (la fameuse dépression au dessus de l'aile) et, moins connue, la conservation de la quantité de mouvement (c'est la "vision newtonienne").
D'ailleurs je crois que la conservation de la quantité de mouvement joue le role principale dans la portance...non ?

Bref, pour en venir au point essentiel, notre prof nous a dit texto :
"Je ne veux pas dire que ca vient du théorème de Bernouilli, car pour B. il fut les conditions suivantes : ... et un fluide idéal, c'est à dire un fluide non visqueux. Or on a pu constater en simulation que si le fluide n'est pas visqueux, il n'y a aucune depression qui se forme et donc pas de portance."
Il nous a d'ailleurs fait souligner :
"Attention !
Pour que le phénomène de portance apparaisse, il faut que le fluide "accepte" de suivre le profil et de s'en echapper par le bord de fuite.
Le fluide doit être visqueux. Pour un fluide non visqeuex, il n'y a pas de dissymétrie entre l'extrados et l'intrados, donc pas de portance".

Benjamin

[Chip]

l'A380. En naviguant sur internet j'ai trouver de nombreuses photos de l'avion et certaines informations m'on stupéfait devant la grandeur de cet appareil.490 mètres de long, 50m de large et 46m de haut pour 32000 tonnes d'acier.

Ces données sont fantaisistes...

[BioBen]

Quelqu'un a un avis sur les posts #5, #6 et #7 ? Etant donné que j'ai cours de mécanique demain, je demanderais à mon prof, mais ca serait bien que j'ai plus d'infos pour pas dire n'importe quoi ....
Merci d'avance

[monnoliv]

Je suis tout à fait d'accord avec Rodeon, l'avion crée une variation de qté de mouvement de l'air qui, par réaction sur l'avion (3ème loi de Newton), exerce une force opposée sur l'avion. Il est donc nécessaire à l'avion de dévier l'air vers le bas (comme un hélicoptère) pour voler.

[BioBen]

Oui, là dessus on est d'accord, mais sur la nécessité de viscosité du fluide...?

[esboy]

j'ai l'avis de mon paternel (ancien de supaero).

Ce que t'a dit ton prof de méca, c'est le paradoxe de d'Alembert. La portance existe sans problème sans viscosité. Le hic, c'est qu'elle ne peut apparaitre que s'il y a de la viscosité.

Pour ce qui est de la différence entre vision newtonienne et Bernouilli, c'est seulement 2 façons différentes d'écrire la même chose.

[BioBen]

Pour ce qui est de la différence entre vision newtonienne et Bernouilli, c'est seulement 2 façons différentes d'écrire la même chose.

Non non, l'un parle de différence de pression (hydrodynamique) et l'autre de conservation de quantité de mouvement à cause du "choc" des molécules d'air sur l'aile.

Ce que t'a dit ton prof de méca, c'est le paradoxe de d'Alembert. La portance existe sans problème sans viscosité. Le hic, c'est qu'elle ne peut apparaitre que s'il y a de la viscosité.

Tu te contredis ...
Enfin merci quand même d'essayer de m'aider

[esboy]

je ne me contredis pas, je m'explique mal, désolé

A partir du moment où elle a débuté, la portance n'a pas besoin de viscosité pour continuer à exister.
MAIS, pour débuter, la portance a besoin de viscosité.

les deux "visions" sont bien analogues: on envoye de la quantité de mouvement (air) vers le bas grâce à la conservation lors des chocs "plus intenses sous l'aile que sur l'aile". C'est bien ça une différence de pression comme présentée par Bernoulli.

[BioBen]

Avec Bernouilli, c'est pas plutot que l'air au dessus est accéléré et donc il y a une pression plus faible au dessus de l'aile ? Je suis quasiment sûr que c'est ca.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Portance
http://travel.howstuffworks.com/airplane6.htm
http://travel.howstuffworks.com/airplane7.htm

[esboy]

Avec Bernouilli, c'est pas plutot que l'air au dessus est accéléré et donc il y a une pression plus faible au dessus de l'aile ? Je suis quasiment sûr que c'est ca.

moi aussi je suis sûr que c'est ça
ça n'empêche pas que les deux explications soient analogues.
En fait, la différence principale vient, il me semble, du moment où on passe du microscopique au mésoscopique. très tôt pour Bernoulli (dès l'équation de Navier-Stokes), au dernier moment pour la vision newtonienne (on considère le choc de chaque particule puis on intègre)

[BioBen]

Si tu vois voir les deux denriers liens que j'ai mis pourtant, ils font bien la différence...et ce ne sont pas du tout les memes points de vue. (Downash dans l'un et pas dans l'autre,...), d'où mes doutes, mais bon tu as l'air sûr de toi.

[esboy]

disons que celui qui me l'a expliqué est un supaéro qui a travaillé 30 ans au bureau d'études d'Eurocopter...
Le probème, c'est que visiblement, cette analogie est une vision d'ingénieur qui travaille sur un problème concret (une aile), pas du tout un truc de physicien (ton prof).

[Rodeon]

Bonjour,

On observe en soufflerie, un phénomène de portance qui s'explique par Bernoulli (angle d'attaque nul). L'air ne me parait par être un fluide visqueux (tu es d'accord?) et pourtant la dépression sur l'extrados est bien là!

C'est là où je comprend pas pourquoi ton prof te dis qu'il faut absolument que le fluide soit visqueux.

Enfin si tu as des news, tiens nous au courant

[invitef0f68749]

Mais justement, c'est là qu'il y a un hic. L'air est un fluide visqueux. Un fluide idéal a une viscosité nulle mais la viscosité implique une dissipation d'énergie. Donc si l'air était un fluide idéal, il n'y aurait pas de dissipation d'énergie donc pas de montée en température lorsqu'un objet entre dans l'atmosphère (et accessoirement, pas de résistance de l'air )

[Rodeon]

Mais justement, c'est là qu'il y a un hic. L'air est un fluide visqueux. Un fluide idéal a une viscosité nulle mais la viscosité implique une dissipation d'énergie. Donc si l'air était un fluide idéal, il n'y aurait pas de dissipation d'énergie donc pas de montée en température lorsqu'un objet entre dans l'atmosphère (et accessoirement, pas de résistance de l'air )

Y'a un truc que j'ai du mal à comprendre....Vous me dites que l'on doit faire intervenir la viscosité du fluide pour expliquer la portance.
La relation de Bernoulli considère un fluide parfait, elle prédit l'effet venturi et donc la portance d'une aile. En soufflerie, le résulat de Bernoulli est confirmé, donc je ne vois pas en quoi la viscosité intervient.

C'est plutot dans la seconde contribution à la portance (celle de Newton) que la viscosité intervient, non?

Enfin je ne suis pas un spécialiste de Méca flu, mais je pense vraiment que le modèle simple de Bernoulli est bien vérifié en soufflerie sans faire intervenir la viscosité de l'air.

[BioBen]

Vite fait avant de partir en cours :
Sur la viscosité de l'air en chiffre) : http://fr.wikipedia.org/wiki/Viscosité

Ecoute moi je t'ai cité ce que j'avaias écrit et ce dont je me souvenais en cours, et je suis spur d'avoir bien entendu et aprfaitement compris ce que mon prof disait. Maintenant c'était peut-être une simplification qu'il faisait, j'en sais rien, et j'essaierai d'aller lui demander en fin de cours.
Je ne fais que répeter ce qu'on nous a dit, je suis jamais allé en soufflerie ni rien

Rodéon tu es d'accord qu'il y a bien 2 origines différentes pour la portance ? (en page 1 esboy dit que ces deux origines sont en réalité les mêmes...)

[Rodeon]

Rodéon tu es d'accord qu'il y a bien 2 origines différentes pour la portance ? (en page 1 esboy dit que ces deux origines sont en réalité les mêmes...)

Wé sur ce point on est tout à fait d'accord, y a pas de problème.

Que les deux origines soient les mêmes, ca je n'en suis pas certains, ca reviendrait à dire que l'effet venturi est dû à la conservation de la quantité de mouvement. Or la relation de Bernoulli traduit la conservation de l'énergie totale (Pression+densité d'énergie cinétique+denssité d'énergie potentielle= cste). C'est en suite la conservation du débit qui amène à l'effet venturi. Il ne me semble pas que la conservation de la quantité de mouvement intervienne ici. Donc a mon avis les deux contributions à la portance d'une aile sont bien distinctes.

[zoup1]

L'air est bien sur un fluide visqueux, mais les effets de la viscosité ne sont importants que dans une couche du fluide qui reste a priori localisé au voisinage de l'aile. La zone dans la laquelle les effets visqueux sont importants est ce que l'on appelle la couche limite (ou couche limite visqueuse). En dehors de cette couche limite on peut appliquer Bernouilli comme si le fluide n'était pas visqueux. A l'intérieur de cette couche limite, on ne peut pas appliquer bernouilli comme si le fluide était visqueux.
Tout cela n'est pas vraiment un problème, sauf que la forme de cette "région" couche limite n'est pas forcément très bien définie...
Elle dépend de beaucoup de choses et en particulier de l'angle d'attaque et du nombre de Reynolds...


Les deux approches bernouilli et newton recouvre bien la même choses, mais les conditions d'application stricte de l'une et l'autre ne sont pas du tout évidente... de plus l'approche bernouilli souffre d'une popularité importante qui fait que les explications vulgarisées que l'on en trouve ne sont pas souvent bonnes.

[olle]

En fait, la portance est entièrement déterminée par ce qu'on appelle la circulation du fluide. C'est un courant d'air qui tourne tout autour de l'aile et qui crée la différence de vitesse entre intrados et extrados.
Pour que cette circulation puisse exister, il faut que dans le sillage de l'aile se trouve un tourbillon de sens opposé. Pour que ce tourbillon se forme, il faut nécessairement que le fluide soit visqueux.
Par contre, la viscosité n'apparait pas dans les équations de la portance.

[mariposa]

Petit eclairage sur la viscosité et l'equation de Bernouilli.

On peut établir "rigoureusement" l'équation de Bernoulli a partir de la physique statistique.

A l'échelle sous-hydrodynamique (microscopique) on fait l'hypothèse que le gaz est localement a l'equilibre thermodynamique: cela veut dire qu'il est est représenté par une distribution de Maxwell-Boltzmann; Pour qu'il soit à l'équilibre local il doit y avoir des collisions. hors la viscosité est due précisemment aux collisions. Néanmoins l'effet des collisions disparait a l'échelle hydrodynamique car l'établissement de l'équation de Bernoulli consiste a "juxtaposer" une succession de morceaux de gaz a l'équilibre thermodynamique.

On pourrait dire que la viscosité est un effet du premier ordre a l' echelle microscopique et du second ordre a l'echelle hydrodynamique.

[zoup1]

Il y a un autre truc que l'on peut ajouter ;

En hydrodynamique, la limite viscosité tend vers 0 est une limite singulière. Ce qui veut dire que le comportement d'un écoulement lorsque l'on fait tendre la viscosité vers 0 (ou le nombre de Reynolds vers l'infini, c'est pareil) est différent de l'écoulement pour une viscosité strictement nulle (nombre de Reynolds infini). La couche limite est une région de l'espace en dehors de laquelle le fluide se comporte comme si la viscosité était strictement nulle. Dans la couche limite, au contraire il faut prendre en compte cette viscosité.

[Rodeon]

Les deux approches bernouilli et newton recouvre bien la même choses, mais les conditions d'application stricte de l'une et l'autre ne sont pas du tout évidente...

Bonjour,

J'aimerai comprendre pourquoi les deux approches recouvrent la même chose?
Je n'arrive pas à faire le lien entre l'approche de Newton (conservation de la quantité de mouvement) et l'approche de Bernouilli. Peux tu éclaircir mes idées sur la question stp?
Merci

[zoup1]

Comme tu le sais sans doute, la loi de Bernouilli est l'expression de la loi de conservation de l'énergie... La conservation de l'énegie peut se déduire des lois de Newton. Il ne peut pas y avoir de contradiction entre l'une et l'autre. C'est le sens de ma phrase précédente...
Il y a une autre façon de lire cette phrase, qui est de dire que Bernouilli et Newton sont compatibles et complémentaire et qu'il est illusoire de vouloir expliquer la portance en utilisant uniquement l'un et sans parler de l'autre.

Cependant, il faut faire attention au domaine de valdité des relation que l'on utilise... C'est là qu'est toute la difficulté dans bernouilli...

La version simple -et pratique- et utilisable- de bernouilli s'énonce pour un écoulement de fluide parfait (sans viscosité) et s'enonce le long d'une ligne de courant pour un écoulement quelconque et pour l'ensemble du fluide pour un écoulement irrotationnel (sans vorticité - rot v =0).

Pour qu'il y ait portance, il faut justement qu'il y ait de la vorticité dans l'écoulement... Cela se manifeste par l'apparition de tourbillons qui sont laissés sur place lors du déplacement de l'aile. Il y a en fait une circulation dans dans un sens autour de l'aile qui apparait et qui permet la portance et une circulation dans l'autre sens, qui reste en arrière de l'avion et qui permet la conservation de la circulation totale (qui illustre la conservation du moment cinétique total du système).

Le problème est là, c'est que pour qu'un avion vole, il faut qu'il y ait de la vorticité. Donc la deuxième forme de l'équation de Bernouilli n'est pas utilisable... de plus, pour créer cette vorticité, il faut qu'il y ait de la viscosité... c'est le sens du message d'esboy.


Bon, j'ai bien le sentiment que tout cela n'est pas très clair, aussi je vais vous retranscrire ici un bout du bouquin Guyon, Hulin,Petit, Hydrodynamique physique, InterEditions/Editions CNRS.


Mécanisme de la sustentation...
La portance est due à la circulation de la vitesse du fluide autour de l'aile : c'est une manifestation de la force de Magnus que nous avons décrite au chapitre 6. Cette circulation est induite par la forme du profil de l'aile, de telle manière que le point d'arrêt de l'écoulement sur l'extrados (ou face supérieure) de l'aile soit situé sur le bord de fuite : nous avons d'ailleurs analysé cette condition dite condition de Kutta, au chapitre 6. La circulation \Gamma et la portance F_p augmentent avec la vitesse U de l'aile par rapport au fluide : l'avion peut décoller lorsque U est suffisant pour que F_p excède son poids.
Si l'écoulement était potentiel dans tout le fluide, il le resterait à tout instant, même après une variation de vitesse de l'aile, et la force de portance sur celle-ci resterait nulle. c'est la présence de vorticité concentrée dans la couche limite qui permet d'apparition d'une circulation l l'écoulement en dehors de la couche doit cependant rester potentiel....

La suite est passionnnante mais mes petits doigts fatiguent.
Bon, je ne suis pas sur que cela éclaircisse grand chose, mais cela donne quelques mots clefs...

Si il faut expliquer des trucs dans ce cours passage, je veux bien essayer de le faire, mais attention, ce n'est pas toujours très facile...

[BioBen]

Bon alors je suis allé voir mon prof à la fin du cours et voila ce qu'il m'a expliqué :
L'interprétation en "utilisant" Bernouilli et celle utilisant la conservation de la quantité de mouvement sont strictement les mêmes (comme le disait esboy), ce sont deux visions différentes pour parler de la meme chose. Si l'on applique le PFD sur une particule fluide, alors on peut avoir l'interprétation en terme de quantité de mouvement, mais ca revient au même que d'utiliser le déifférence de pression entre l'extrados et l'intrados.

Pour ce qui est de la viscosité, il faut que le fluide soit visqueux, quoiqu'il arrive, pour qu'il puisse suivre le profil de l'aile. D'ailleurs l'angle limite (décrochage) est directment relié à la viscosité du fluide (plus il est visqueux, plus cet angle est grand).
Pour les fluides non-visqueux il a aussi fait référence au paradoxe de d'Alembert.

Voila pour ces éclaircissements.
Si vous voulez que je lui pose d'autres questions ca sera Mercredi (peut-etre lundi), mais moi piur l'instant il m'a éclairci pas mal de choses...