La Portance
La Portance
La portance est la force qui permet à un avion de prendre de l'altitude grâce à ses ailes avec une vitesse suffisante pour permettre cette sustentation.
Ses ailes sont conçues de telle sorte que l'extrados (la partie supérieure de l'aile) soit plus bombé que l'intrados (partie inférieure).
L'extrados admet donc une plus grande distance que l'intrados.
L'air qui enveloppe l'aile parcours l'extrados et l'intrados, et les deux courants doivent se rejoindrent en même temps au bord de fuite, il est donc évident que l'air passant sur l'extrados va être accéléré parce que ça distance est plus grande (bombé) pour permettre au deux courants de se rejoindre en même temps.
Ce phénomène crée alors une dépression (75%) sur l'extrados et une surpression (25%) sur l'intrados. L'aile est donc surtout « tirée » vers le ciel.
La dépression agit comme l'effet d'aspiration et la surpression agit comme une poussée verticale.
Cette réaction en chaîne provoque donc l'effet de sustentation et va donc permettre aux ailes de s'élever dans l'air entraînant le fuselage de l'avion.
Comme vu ci-dessus le poids va attirer l'avion vers le bas. Ainsi pour empêcher l'avion de tomber, il faut une force équivalente au poids afin de la retenir : c'est la portance . L'avion reste alors suspendu dans l'air ce qui est la sustentation.
Celle-ci est créée par le vent relatif, c'est à dire l'écoulement de l'air sur la surface de l'aile. Le profil de l'aile joue donc un rôle fondamental qu'on étudiera plus tard dans notre projet. En effet, en raison de sa forme incurvée, l'extrados est plus long que l'intrados. Ainsi, l'air qui passe au dessus de l'aile parcourt une plus longue distance que l'air qui passe en dessous. L'air s'écoule donc plus vite sur l'extrados que sur l'intrados pour arriver en même temps à l'extrémité de l'aile.
Schéma d'une aile d'avion avec les différentes pressions
Les filets d'air qui s'accélèrent et s'étirent sur l'extrados vont créer une diminution de la pression. Du côté de l'intrados, les particules ralentissent et se compriment sur l'intrados créant une augmentation de la pression. Ainsi l'extrados est aspiré tandis que le l'intrados est poussé. C'est cette différence de pression qui permet à l'avion d'être aspiré et qui permet à l'aile de soulever l'avion. La portance est une force égale en intensité au poids et opposée à celui-ci .Elle est crée directement par le vent relatif,c'est a dire l'écoulement de l'air sur les surfaces de l'air.Pour un avion,la portance est perpendiculaire au vent.Elle s'applique au centre de poussée.
Expression de la portance
Des études très poussées en souffleries, réalisées par des aérodynamiciens ont permis de mettre en évidence l'expression de la portance notée Rz.
Rz=(1/2).ρ.S.v².Cz
Tout d'abord nous avons ρ se lisant « rhô » qui est la masse volumique de l'air qui varie en fonction de la température de l'air, de la pression atmosphérique, de l'altitude, etc. sa valeur moyenne est de 1,225g/L d'air en basse altitude pour une pression de 1013,25hPa et à une température de 15°C et plus on monte, plus la pression diminue et ρ diminue également. Le nombre ½ est le coefficient constant qui est une valeur stable. Puis S est la superficie de la voilure exprimée en m². V correspond à la vitesse exprimée en m/s. Enfin, le dernier élément qui est Cz correspondant au coefficient de portance qui ne possède pas d'unité ; celle-ci dépend de l'angle d'incidence de l'aile, la forme du profil, l'état de surface, la forme et l'allongement de l'aile etc. L'angle d'incidence joue un rôle très important sur la valeur de la portance : nous pouvons changer la vitesse et l'incidence tout en gardant la même portance. Ainsi, si la vitesse diminue il faut augmenter l'angle d'incidence pour garder la même valeur de portance et vis-versa. Comme nous pouvons le voir sur le graphique ci-dessous, le coefficient de portance augmente proportionnellement à l'incidence , jusqu'à ce que celle-ci atteigne l'incidence de décrochage. A ce moment, le coefficient de portance va chuter brutalement et l'avion va perdre de l'altitude.
Expression de la portance
Graphique représentant l'évolution du coefficient de portance en fonction de l'angle d'attaque α (= angle d'incidence)
D'une manière générale, tout cela nous permet donc de comprendre les différents éléments qui influencent la portance. Ainsi elle va dépendre de la masse volumique de l'air, de la surface du profil, de la vitesse et du coefficient de portance : comme tous ces différents facteurs sont multipliés, alors plus ces derniers sont élevés plus la portance est forte.
L'explication « à la Bernoulli »
La portance respecte le théorème de Bernoulli qui a été établi en 1738 par Daniel Bernoulli, est la formulation mathématique du principe de Bernoulli qui explique que l'accélération d'un fluide s'accompagne d'une baisse de pression (dépression). Cette accélération fait diminuer la présence des molécules constituantes de l'air pendant une fraction de seconde .
Par exemple ,en soufflant sur la partie supérieure de la feuille qui est bombée, l'air accélère. D'après le principe de Bernoulli, la pression baisse dans cette région. Sous la feuille, la pression atmosphérique n'a pas changé, la feuille subit alors une force de bas en haut qui soulève la feuille: c'est une force de portance. Ce phénomène a lieu avec une aile d'avion et explique aussi le rôle des hélices d'un avion à moteur: la dépression qui s'exerce sur la partie supérieure crée une aspiration vers l'avant ce qui permet d'ailleurs à l'avion d'avancer.
De manière plus formelle, cette situation se traduit par une relation du physicien Daniel Bernoulli. Cette équation nous dit que le long d'une ligne du fluide, on a
où est p la masse volumique du fluide, v sa vitesse, et P sa pression. Cette équation nous montre donc bien que lorsque la vitesse d'un fluide augmente, sa pression diminue.
Avec une aile aérodynamique (celle vue plus haut) .Quand l'aile avance, ou que l'air circule sur l'aile, les molécules d'air se déplacent en épousant la forme de l'aile. Quand les molécules d'air arrivent sur le bord d'attaque de l'extrados, elles sont comprimées. Le passage de l'air est étroit sur le bord d'attaque.
Or l'effet Venturi explique que le passage d'un fluide d'un milieu normal à un milieu où le fluide est comprimé fait accélérer ce fluide.
Cette accélération de l'air crée une zone de dépression comme l'explique le principe de Bernoulli.
Il y a de plus une zone de surpression qui est créée sur l'intrados du fait que le flux d'air vient en partie s'écraser sur l'intrados comme lors d'une chute en parachute.
Cette dépression « attire » l'aile vers le haut.
La théorie « à la Newton »
Il est est important de préciser que cette explication de la portance inventée par Bernoulli est contestée par certains scientifiques.
Ceux-ci expliquent le phénomène de portance par la troisième loi de Newton ou principe des actions réciproques : lorsqu'un corps exerce une force sur un autre corps, ce deuxième corps exerce une force égale mais de direction opposée. Ici le premier corps est le courant d'air et le deuxième est l'aile.
Lorsque l'aile vole, le courant d'air dévié par l'aile produit un effet de portance.
Il est difficile de départager ces différentes manières d'expliquer la portance. Selon la NASA les deux manières sont correctes. On peut donc expliquer la portance par l'un ou l'autre de ces deux phénomènes.
La force de portance varie selon plusieurs paramètres, le coefficient de portance, vitesse et la masse volumique.