Vol sans Bernoulli

2012/10/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Un boeing 747, l'avion transatlantique habituel pèse environ 180 tonnes lorsqu'il est vide. La charge sur les vols commerciaux peut doubler le poids. L'airbus 380 est encore plus grand. Avec toute la charge peut atteindre 573 tonnes. Pour voler, il faut une force qui compense tout ce poids. Cependant, pour les ingénieurs aéronautiques, trouver cette force n'est pas un défi parce que le principe physique qui soutient ces avions dans l'air est le même que celui qui soutient un avion sur papier.

C'est ce que dit Antonio Cantó, rapporteur et expert en avions du blog La Pizarra de Yuri: "Toute hypothèse de contention aérodynamique qui n'explique pas le vol de l'avion sur papier est probablement incorrecte et --ceci sûr - incomplète". L'avion en papier, le Boeing 747, un hélicoptère, un oiseau et une abeille, chacun avec un design très différent, et chacun avec ses conditions, vole en poussant l'air vers le bas. C'est le principe de base. L'explication à partir de là est complexe et varie beaucoup d'un porte-à-faux à l'autre.

Dans le cas des avions, cependant, cette explication de base a été remplacée par une autre qui maintient dans l'air le principe de Bernoulli. Cette explication n'explique pas le vol lui-même, mais c'est un cas particulier parce qu'il est basé sur un phénomène réel et qu'il a beaucoup été utilisé dans la divulgation. Selon les mots du rapporteur Cecil Adams, auteur de la colonne Straigh Dope dans le journal Chicago Reader, cette idée "a été aussi publiée dans des manuels scientifiques respectables". Cependant, cette figure n'apparaît pas dans les textes techniques.

Succès de Bernoulli

Dans la divulgation, il est habituel de simplifier les idées, et un exemple de cela est l'explication du principe de Bernoulli. Le principe fait partie du vol, mais ce n'est pas la clé du vol.

Daniel Bernoulli XVIII. Il a été un mathématicien et ingénieur néerlandais du XIXe siècle, célèbre dans l'histoire de la science pour ses recherches sur la dynamique des fluides. Son principe le plus connu est que plus un fluide se déplace rapidement, moins de pression exerce sur une surface solide.

Les ailes des avions commerciaux actuels sont basées sur un plan aérodynamique supercritique. Il a été conçu par l'ingénieur de la NASA Richard Whitcomb dans les années 1960 et est presque plat d'en haut, avec une courbure très réduite. Ed. Fondation Elhuyar

En fait, il n'y a aucun lien entre le vol et la vie de Bernoulli. À ce siècle, la seule façon de voler était le globe, dans lequel les frères Montgolfier volaient cinq mois après la mort de Bernoulli. Et le concept d'avion n'existait pas non plus. Mais l'air est un fluide et les ailes de l'avion sont deux grandes surfaces solides.

C'est une forme particulière des ailes. Dans la plupart des avions, les ailes sont courbées par le haut et sont plates par le bas, et l'air qui circule dans la partie supérieure du sud est plus long et se déplace plus vite que celui qui va par le bas. En outre, l'air supérieur arrive avant la fin de l'aile que l'air inférieur. C'est là Bernoulli, dont le principe explique que ce flux exerce une plus grande pression sur le sud que sur le supérieur. Et par conséquent, l'avion monte dans l'air.

En général, le vol est comme ça. L'argument est correct; dans cette conception typique des ailes, par le principe de Bernoulli, l'avion reçoit une force ascendante. Mais cet argument ne suffit pas pour arriver à la conclusion finale, de sorte que la conclusion est erronée: cette force n'est pas aussi grande que de garder l'avion dans l'air.

Il manque quelque chose

Les calculs sont clairs. L'effet de Bernoulli augmente avec la vitesse de l'avion, mais pour maintenir dans l'air le poids d'un petit avion standard, comme c'est le cas avec Cessna 152, la vitesse devrait être supérieure à 480 km/h et ces petits avions arrivent difficilement à 100 km/h. Il en va de même pour tout autre avion ; la force ascendante provoquée par le principe de Bernoulli n'atteint pas 1 % de ce dont l'avion a besoin.

Même en marge des chiffres, on voit que l'effet de Bernoulli n'est pas la cause du vol. D'une part, il souligne le cas des avions qui réalisent des acrobaties. Ces avions volent en montant et à ces moments, en plus de l'avion, l'effet de Bernoulli est dirigé vers le côté opposé. Dans le cas des ailes présentées ci-dessus, l'effet pousse l'avion vers la terre.

Flux d'air (de gauche à droite) et angle d'incidence. Sur l'image de gauche, la section de l'aile est horizontale et l'air sort par derrière comme il vient. Par conséquent, il n'y a pas de forces ascendantes dans le sud. Sur l'image de droite, la section de l'aile a un petit angle d'incidence qui pousse l'air qui sort par derrière. Par conséquent, les ailes reçoivent une force ascendante. Ed. : Guillermo Roa/Elhuyar Fundazioa.

D'autre part, pas toutes les ailes possèdent la conception mentionnée ci-dessus. Un exemple sont les ailes des avions commerciaux actuels. Son design est basé sur un plan aérodynamique supercritique. Conçu par l'ingénieur de la NASA Richard Whitcomb dans les années 1960, il est presque plat d'en haut, avec une courbure très faible et un effet très faible du principe de Bernoulli.

Un autre exemple illustratif est les premiers avions de l'histoire: La machine sans pilote de Samuel Langley de 1896, le célèbre Flyer des frères Wright, et les avions qui ont été faits dans les années suivantes, avaient les ailes des deux côtés, par le haut et par le bas. En eux, l'air suit le même parcours sur les deux faces et l'effet de Bernoulli n'influence pas. La même chose pour les avions en papier et aile delta. La force qu'elle supporte dans l'air la génère autre chose.

Comment attaquer l'air

La clé est dans la troisième loi de Newton, dans le principe d'action et de réaction: en poussant l'air vers le bas, l'air pousse l'avion vers le haut. Mais comment cela se produit? La réponse est un autre facteur: l'angle d'incidence. En volant, la section de l'aile n'est pas horizontale, elle a un angle d'attaque par lequel l'air qui sort derrière l'aile descend.

C'est une force que vous pouvez facilement sentir. Produit par Discovery Channel dans le documentaire Understanding Flight, l'acteur lui-même John Travolta, qui est pilote, expliquait comment : "Si vous conduisez la voiture à une distance minimale de 50 km/h est sûre, ouvrez la fenêtre et étirez le bras à l'extérieur". Si nous tournons le bras et plaçons la main dans un angle ascendant, la main remarquera la force vers le haut. "Si vous arrondissez la main avec vos doigts, l'effet augmente", explique le concepteur d'avions Burt Rutan dans le même documentaire. Les plumes d'oiseaux présentent également cette conception courbe.

Plus l'air est poussé vers le bas, plus la force monte reçoit l'avion. Et plus vite vous allez, plus l'air pousse l'avion vers le bas. Si l'avion se déplace lentement, pour maintenir la même force de confinement, l'angle d'attaque doit être plus grand, mais jusqu'à une limite. Lorsque l'angle est de 18-20 degrés, l'air autour de l'aile cesse de se déplacer dans les couches et commence à créer des turbulences. La force de confinement disparaît et l'avion tombe. Le vol est donc basé sur de petits angles d'attaque, généralement jusqu'à 10 degrés. Cet angle explique également le vol de l'avion en papier, qui projette l'avion pendant qu'il dure autour de cet angle.

Une copie de l'avion Flyer des frères Wright. Les ailes des avions de cette époque étaient courbées des deux côtés, par le haut et par le bas. Par conséquent, l'effet de Bernoulli était méprisable sur ces ailes et, cependant, ils volaient. Ed. : 350z33/CC-BY-SA.

Avec l'angle d'attaque, de nombreux autres facteurs interviennent dans la capacité de pousser l'air de l'avion vers le bas: longueur et surface des ailes, densité d'air en fonction de la hauteur de l'avion, vent, etc. Mais l'angle d'attaque est essentiel, et c'est de la plus haute importance pour les pilotes, en grande partie piloter un avion est l'art d'ajuster l'angle d'attaque.

Le principe de Bernoulli réapparaît dans le jeu d'angles. Les changements d'angle accélèrent et freinent les deux flux d'air, c'est-à-dire au-dessus et au-dessous du sud. La pression des deux flux est différente, de sorte que la poussée vers le haut qui est généré aide également. Bernoulli n'est pas complètement exclu de l'explication du vol.

Il n'est pas totalement exclu, mais ce n'est pas la principale cause de voler. La forme de l'aile n'est pas un facteur clé qui transforme un avion en un volant. Cependant, il est important. Sinon, pourquoi faites-vous la plupart des ailes de la même façon? Il y a plusieurs raisons. D'une part, l'aspect typique des ailes est très aérodynamique. La conception de l'avion ne dépend pas seulement de la force qui soutient dans l'air, mais il y a trois autres forces importantes: le poids, la propulsion en avant et la résistance de l'air. Cette dernière force va à l'opposé du mouvement, et pour la combattre c'est une bonne option d'utiliser le profil de l'aile normale.

D'autre part, la limite de l'angle d'incidence varie en fonction du profil de l'aile. Les ailes courbées au-dessus fonctionnent à des angles plus grands que les ailes plates. Par conséquent, la forme de l'aile, même si elle n'est pas la première raison de voler, a une grande importance car elle influe beaucoup sur le flux d'air qui l'entoure.

Le comportement de l'air sur l'avion peut être modifié par le sol lorsque le vol est très bas. Dans ce cas, la différence de pression est très grande entre les flux d'air au-dessus et au-dessous de l'avion. Lorsque le sol est très proche, l'air sous l'avion est comprimé formant un sac haute pression. La différence générée est très grande et la force ascendante que reçoit l'avion est grande. Elle est appelée effet sol. Ce n'est pas non plus la contribution de Bernoulli, mais la différence de pression. Et encore une fois est le résultat de pousser l'air vers le bas. En bref, c'est le secret de voler.

Oiseaux, chauves-souris et insectes : vol d'animaux

Oiseaux, chauves-souris et de nombreux insectes volent. Comment ? Car chacun a sa propre manière de voler, selon ses besoins. Il y a des oiseaux qui sont planeurs, d'autres qui affectent rapidement les ailes, les chauves-souris déforment les ailes pour manœuvrer, les colibris et les insectes créent des tourbillons d'air pour rester immobiles dans l'air et personne n'est sûr de la façon dont les pterodactiles volaient à l'époque des dinosaures.

Flux d'air pendant le vol d'un oti. New South Wales d'Australie J. Photo d'une expérience réalisée par le biophysique Young. Ed. : Science/AAAS ©

Selon le type de volant, l'explication du vol change, mais tous ont une caractéristique distincte des avions : les ailes des vivants ne sont pas des structures rigides immobiles. Cependant, tous les animaux volants ont une similitude avec les machines volantes : ils poussent l'air vers le bas pour pouvoir voler.