Théories de l'ascenseur

Une idée fausse populaire est que les frères Wright, en plus de toutes leurs autres réalisations, ont inventé le profil aérodynamique. Ils ne l'ont pas fait. Sir John Cayley, un ingénieur anglais qui a également identifié pour la première fois les quatre forces du vol - portance, traînée, poussée et poids - a développé le profil aérodynamique cambré grâce à des expérimentations détaillées. Son ouvrage en trois parties, On Aerial Navigation, publié en 1809 et 1810, est souvent cité comme la première description de ce que nous appelons aujourd'hui un avion. Aujourd'hui également, nous enseignons que les théories de Sir Isaac Newton (1642-1726) et du mathématicien suisse Daniel Bernoulli (1700-1782) fournissent la science détaillée qui explique la portance. Ils ne le font pas, du moins pas complètement.

Le problème fondamental est qu'aucune des théories n'explique complètement les observations du monde réel. Le principe de Bernoulli - que l'air plus rapide au-dessus de l'aile subit une pression réduite - est correct mais n'explique pas pourquoi c'est correct. Cela n'explique pas non plus le vol inversé. C'est là que les deuxième et troisième lois de Newton (voir l'encadré ci-dessous pour plus de détails) entrent en jeu. Ensemble, les lois de Newton décrivent comment nous pouvons voler à l'envers et comment fonctionne l'angle d'attaque. Mais ils n'ont pas les détails dont nous avons besoin de Bernoulli. Pourtant, une fois que nous avons mis Bernoulli et Newton dans la même pièce, puis saupoudré de Cayley, nous avons une idée pratique de la façon de construire et de piloter un avion. Mais nous ne savons toujours pas exactement pourquoi l'air au-dessus de l'aile est à une pression plus faible que l'air en dessous.

On nous a probablement dit à l'école au sol que la zone de basse pression au-dessus de l'aile résulte du fait que les particules d'air qui la traversent doivent accélérer par rapport à l'air sous l'aile pour qu'elles arrivent toutes les deux au bord de fuite en même temps et se rejoignent. C'est ce que l'on appelle la théorie du "chemin le plus long" ou du "temps de transit égal".

Mais aucune science ne dit que les particules d'air doivent arriver simultanément. En fait, selon le Glenn Research Center de la NASA, "La vitesse réelle au-dessus d'un profil aérodynamique est beaucoup plus rapide que celle prédite par la théorie du" plus long chemin "et les particules se déplaçant au-dessus arrivent au bord de fuite avant que les particules ne se déplacent sous le profil aérodynamique" (italiques ajoutés).

Oui, la surface supérieure incurvée de l'aile établit une zone d'air à basse pression au-dessus, mais il n'y a pas d'effet venturi car il n'y a pas de venturi. Bernoulli ne nous dit pas vraiment pourquoi cela se produit, seulement que c'est le cas. Bernoulli n'explique pas non plus comment les conceptions d'ailes non cambrées - celles qui n'ont pas de surface supérieure incurvée, ou presque - peuvent générer de la portance, ou comment des profils aérodynamiques symétriques, avec des cambrures identiques en haut et en bas, la créent également. Et nous n'avons même pas eu le vol inversé.

Comme le dit la NASA, "Nous pouvons… utiliser l'équation de Bernoulli pour calculer la pression et effectuer le calcul de la surface de pression et la réponse que nous obtenons n'est pas en accord avec la portance que nous mesurons pour un profil aérodynamique donné. La portance prédite par la théorie du "transit égal" est bien inférieure à la portance observée, car la vitesse est trop faible.

Une façon d'expliquer le vol inversé est la troisième loi de Newton, selon laquelle chaque action a une réaction égale et opposée. La démonstration la plus simple consiste à mettre la main par la fenêtre d'une automobile en mouvement. En tenant votre main horizontale par rapport à l'air venant en sens inverse, il y a peu de résistance. Tenez votre main perpendiculairement, cependant, et l'air en mouvement a tendance à la pousser vers l'arrière, vers l'arrière de la voiture. Vous devrez fléchir votre bras vers l'avant pour le maintenir en place. Si vous tenez votre main à, disons, un angle de 45 degrés, elle a tendance à vouloir se déplacer à la fois vers l'arrière et vers le haut en même temps. Vous devez fléchir votre bras vers l'avant et vers le bas pour contrer l'effet.

Le mouvement de votre main à la perpendiculaire et à l'angle de 45 degrés démontre la troisième loi de Newton, concernant les réactions égales et opposées : lorsque l'air venant en sens inverse rencontre votre main, il pousse vers le haut et/ou vers l'arrière. La même chose se produit lorsqu'une aile - ou toute autre surface - est positionnée à un angle non aligné avec le vent relatif.

Ainsi, l'aile inversée génère toujours de la portance en volant à un angle d'attaque supérieur à ce qui serait nécessaire lorsque la surface cambrée est l'extrados, grâce à la troisième loi de Newton : lorsque l'air est poussé vers le bas par l'aile, la réaction newtonienne pousse également vers le haut sur l'aile.

Une chose à garder à l'esprit lorsque l'on considère le vol inversé est qu'un stabilisateur horizontal typique est un profil aérodynamique. Il est monté avec la surface cambrée vers le bas afin que sa portance soit dirigée à l'opposé de celle des ailes comme contrepoids en faveur de la stabilité. Il n'est donc pas correct de dire que l'ascenseur ne fonctionne que dans une seule direction. En supposant une aile cambrée, l'avion inversé reste plus en l'air en raison de la troisième loi de Newton que de tout ce que Bernoulli avait à dire.

Puisque la portance est une force, la deuxième loi de Newton, qui stipule que les forces résultent de l'accélération d'une masse, figure également en bonne place dans notre cheminement vers sa compréhension. La masse qui nous intéresse est l'air qui passe devant le profil aérodynamique sous forme de fluide. Au fur et à mesure que l'air passe devant le profil aérodynamique, une partie de celui-ci est déviée ou tournée, ce qui modifie sa vitesse en amplitude, en direction ou les deux. Au bord d'attaque, l'air est dévié vers le haut et vers le bas grâce à la forme de la voilure. Grâce également au profil aérodynamique, l'air est dévié vers le bas lorsqu'il passe au-delà du bord de fuite. En raison de la troisième loi de Newton impliquant des réactions égales et opposées, le flux d'air descendant pousse l'aile vers le haut, créant une portance.

Une chose que les lois de Newton concernant les forces et les réactions ne font pas, cependant, est d'expliquer pourquoi l'air à relativement basse pression existe au-dessus de l'aile. Bien sûr, Bernoulli non plus.

Selon un article de février 2020 de Scientific American (SA), les aérodynamiciens sont conscients des lacunes des théories de la portance même s'ils appliquent des calculs de dynamique des fluides de plus en plus avancés. Et ils se dirigent vers ce que certains pourraient appeler une théorie unifiée de la portance.

L'un de ces aérodynamiciens est Doug McLean, ancien ingénieur chez Boeing Commercial Airplanes et auteur de Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics. Une partie du livre de McLean est consacrée à l'explication de la portance et, comme le décrit SA, il s'est fixé sur quatre composants nécessaires : "une rotation vers le bas du flux d'air, une augmentation de la vitesse du flux d'air, une zone de basse pression et une zone de haute pression."

"Ils se soutiennent dans une relation de cause à effet réciproque, et aucun n'existerait sans les autres", son livre est cité par SA. "Les différences de pression exercent la force de portance sur le profil aérodynamique, tandis que la rotation vers le bas de l'écoulement et les changements de vitesse d'écoulement maintiennent les différences de pression."

Selon SA, McLean s'est également rendu compte que son livre "n'avait pas entièrement pris en compte tous les éléments de la portance aérodynamique, car il n'expliquait pas de manière convaincante ce qui fait que les pressions sur l'aile changent de la pression ambiante". McLean a mis à jour son texte, reconnaissant que l'air est un fluide et qu'il interagit avec un objet solide. Les flux de fluides autour des objets sont de nature extrêmement variable, nécessitant une discipline distincte - la dynamique des fluides - et une puissance de calcul massive pour modéliser les comportements non uniformes.

La production de portance a un large impact sur la vitesse et la pression de l'air lorsqu'il entre en contact avec le profil aérodynamique. Il y a une zone de pression plus élevée en dessous, une zone de pression plus basse au-dessus, et les particules d'air sont accélérées et décélérées. Ensuite, après le passage du profil aérodynamique, la vitesse et la pression reviennent à la température ambiante. En d'autres termes, la science derrière ce qui se passe réellement lorsqu'un profil aérodynamique génère de la portance est beaucoup plus compliquée que Bernoulli et Newton n'avaient d'outils pour comprendre. Bien que le domaine de la dynamique des fluides ait fait de grands progrès, il reste encore des détails mineurs sur la production d'ascenseurs et la multitude de variables présentées qui échappent aux mathématiciens.

Pour nos besoins, peu de ces derniers détails importent. Ce qui importe, c'est que nous comprenions que la portance est produite par les interactions complexes d'un fluide (air) lorsqu'il impacte des objets solides (ailes) ou, si vous préférez, vice versa. Ces interactions se traduisent par des combinaisons variables et dynamiques de changements de pression et d'air descendant qui produit une portance.

Plusieurs perles de sagesse déguisées en dictons pleins d'esprit sont restées en moi lors d'un cours de préparation aux tests que j'ai suivi lorsque j'étudiais pour les examens écrits d'instructeur commercial et de vol. L'un d'eux, faisant référence à Bernoulli, est "Le ciel craint". Une autre est, "Si vous avez assez de puissance, vous pouvez faire voler une brique." Ce dernier souligne également que cette discussion sur la portance suppose un angle d'attaque constant et une vitesse constante. Dans le monde réel, ces valeurs sont rarement constantes pendant très longtemps et, dans tous les cas, dépendent fortement de la quantité d'énergie disponible et appliquée. La barre latérale "Qu'en est-il du pouvoir ?" ci-dessous aborde la relation entre le pouvoir et la génération d'ascenseurs, qui est elle-même un autre sujet.

Il existe de nombreux sous-sujets de génération de portance qui ne sont pas abordés dans cet article, peut-être plus particulièrement la façon dont les différentiels de pression sont répartis au-dessus et au-dessous de l'aile, et comment leurs centres peuvent se déplacer. Lorsque les centres de pression se déplacent, l'assiette de l'avion doit également changer, et vice versa. En partie et pour une aile donnée, ces différentiels de pression dépendent de l'angle d'attaque et de la vitesse, et restent des sujets importants pour comprendre la portance.

La conclusion de tout cela est assez simple : la génération de portance est un processus complexe et dynamique qui dépend d'une poignée de lois physiques concernant la pression et la force. Bien que ces lois soient bien comprises, leur application peut nous laisser des lacunes dans notre compréhension qui sont difficiles à combler sans embrasser les interactions qu'elles définissent, qui dépendent elles-mêmes de ces mêmes lois physiques.

Sir Isaac Newton a publié pour la première fois ce qui est devenu connu sous le nom de ses lois du mouvement en 1687. La physique newtonienne fonctionne bien pour expliquer le comportement des objets se déplaçant à des vitesses bien inférieures à celles relativistes, donc l'utiliser sur un seul piston ne devrait pas poser de problème.

Une traduction populaire de la deuxième loi de Newton est : « L'altération du mouvement est toujours proportionnelle à la force motrice imprimée ; et se fait dans la direction de la ligne droite dans laquelle cette force est imprimée. C'est le principe de base de l'accélération : la vitesse d'un objet dépend de la force appliquée.

Cette loi est souvent décrite avec l'expression "réaction égale et opposée" lorsqu'un objet est sollicité par une force extérieure. Sa traduction se lit comme suit: "A chaque action s'oppose toujours une réaction égale: ou les actions mutuelles de deux corps l'un sur l'autre sont toujours égales et dirigées vers des parties contraires."

Selon la NASA, l'interprétation "temps de transit égal" ou "chemin plus long" du principe de Bernoulli stipule que "les ailes sont conçues avec l'extrados plus long que l'intrados, pour générer des vitesses plus élevées sur l'extrados car les molécules de gaz sur l'extrados doivent atteindre le bord de fuite en même temps que les molécules sur l'intrados".

L'erreur survient parce qu'en réalité, "la vitesse sur la surface supérieure d'une aile de levage est beaucoup plus élevée que la vitesse qui produit un temps de transit égal. Si nous connaissons la distribution de vitesse correcte, nous pouvons utiliser l'équation de Bernoulli pour obtenir la pression, puis utiliser la pression pour déterminer la force. Mais la vitesse de transit égale n'est pas la vitesse correcte. "

L'un des avions que j'aime le moins voir - l'avion militaire AV-8B Harrier VTOL, car il est bruyant - fournit un exemple extrême de vol de briques. Bien sûr, un décollage vertical Harrier n'implique aucune génération de portance, seule une poussée dépassant le poids de l'avion. Ce n'est que lorsque l'aile du Harrier avance à ce qu'on pourrait appeler un bon clip que le vecteur descendant de son moteur à réaction unique est éliminé au profit de la poussée vers l'avant.

Pour générer de la portance, nous devons disposer d'une certaine forme d'énergie, soit cinétique (mouvement vers l'avant), soit potentielle (altitude), ou les deux dans une combinaison. Indépendamment de ce que nous utilisons et dans quelle proportion, la portance produite changera probablement avec l'énergie que nous appliquons à la tâche. À son tour, une entrée de commande sera également probablement nécessaire pour ajuster l'assiette de l'avion et compenser l'augmentation de la portance de l'aile et de la queue.

Sans surprise, les documents publiés par la FAA n'entrent pas dans les détails sur les relations entre le principe de Bernoulli et les lois de Newton. Mais ils ont bien compris l'essentiel. Considérez l'extrait suivant du manuel de connaissances aéronautiques du pilote de la FAA, FAA-H-8083-25B (PHAK):

"En appliquant le principe de pression de Bernoulli, l'augmentation de la vitesse de l'air au sommet d'un profil aérodynamique produit une chute de pression. Cette pression abaissée est une composante de la portance totale. La différence de pression entre la surface supérieure et inférieure d'une aile seule ne tient pas compte de la force de portance totale produite.

"Le flux descendant vers l'arrière depuis la surface supérieure d'un profil aérodynamique crée un courant descendant. Ce flux vers le bas rencontre le flux depuis le bas du profil aérodynamique au bord de fuite. En appliquant la troisième loi de Newton, la réaction de ce flux descendant vers l'arrière se traduit par une force ascendante vers l'avant sur le profil aérodynamique."

Cet article a été initialement publié dans le numéro d'avril 2020 du magazine Aviation Safety.

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