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Aile (aéronautique)

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Vol en Wing Suit

Les avions, les ULM, les paramoteurs, les parapentes, les deltaplanes, les planeurs, ainsi que les parachutes modernes sont portés par une ou plusieurs ailes. Les éoliennes aussi utilisent des ailes pour avoir un bon rendement de conversion de l'énergie du vent.

Profil d'une aile

Les ailes des aéronefs ont été inspirées par les ailes d'animaux, mais les ailes d'oiseaux sont beaucoup plus efficaces, car ils en adaptent les formes très finement à chaque instant du vol.

L'animation montre qu'il y a presque deux fois plus d'air en dessous de l'aile qu'au-dessus.

Grâce a sa forme, l’aile va créer une différence de pression entre le haut et le bas de l’aile. C’est-à-dire que l’air va pousser plus fort sur le bas de l’aile, et moins fort sur le haut : c’est comme si on appuyait sur l’aile par en dessous, et qu’en même temps, on l’aspirait vers le haut. C’est surtout l’aspiration vers le haut qui va permettre a l’aile de voler.

Ainsi, un avion vole plus parce qu'il est tiré vers le haut que parce qu'il s'appuie sur l'air, est une explication écrite partout, mais qui néanmoins est fausse[Source ?].

Pourtant sur une aile mince totalement plane inclinée il y a aussi une portance, facile à vérifier avec un avion en papier plan et il n'y a pas en principe une telle différence de pression.

La force de l'air est exercée par son énergie cinétique décrite par un théorème de Bernoulli en physique qui décrit la conservation de l'énergie dans les filets de particules d'air d'un fluide parfait sans mécanisme de dissipation de l'énergie comme la viscosité.

La somme travail de la pression plus l'énergie cinétique d'un fluide parfait se conserve. Si la vitesse v augmente son énergie cinétique augmente et donc cette augmentation d'énergie vient du travail de la pression p qui donc diminue.

Il nécessite que les filets d'air décollent vers le bout arrière de l'aile avec des tourbillons pour avoir la portance tout en limitant la trainée le plus possible, sinon sans ce décollement il n'y a aucune force, en effet si la pression au dessus de l'aile diminue car la vitesse augmente pour parcourir le dessus de l'aile plus long, cette longueur plus longue donne une force totale identique à celle en dessous avec une pression plus élevée mais un chemin plus court.

Au total le théorème de Bernoulli sur un fluide parfait ne donne aucune force de portance ni de trainée. On appelle cela le Paradoxe de D'Alembert qui le premier l'a découvert en 1743, un fluide parfait sans viscosité n'offre aucune résistance, parfait signifie superfluide sans dissipation.

Cette contradiction mathématiques avec la réalité expérimentale de résistance au vent et en vol a occupé les scientifiques pendant plus d'un siècle pour comprendre la viscosité et ses effets, jusqu'à Ludwig Prandtl en 1904 qui a découvert l'existence d'une couche limite fine sur les surfaces où la différence de vitesse entre la surface et le flot de fluide d'air ( ou d'eau ) loin de la surface a une très forte dissipation par viscosité, instable aussi, qui permet d'expliquer la formation de tourbillons et les portances et trainées. Les mathématiciens continuent à travailler sur ces problèmes très difficiles, avec Chaos des tourbillons , si on veut être rigoureux.

Il faut un fluide pas parfait avec viscosité et des tourbillons pour dissiper l'énergie pour qu'une aile vole.

La portance vient de la déviation partielle des filets d'air vers le bas qui par réaction donne une poussée vers le haut ( avec dissipation et frottement visqueux contre la surface de l'aile ). C'est similaire à la poussée exercée sur une surface par des balles lancées presque tangentes sur cette surface déviées en rebondissant sans trop changer de vitesse, un petit peu comme des ricochets sur l'eau.

La trainée est associée à la diminution de vitesse de l'air, qui se cogne sur l'aile avec frottement visqueux, exactement comme la force du vent sur une surface qui stoppe les molécules du vent, avec une force en carré de la vitesse et plein de tourbillons.

Un fluide parfait ne permet pas d'expliquer. Il faut dissiper l'énergie avec des tourbillons et une viscosité pas trop forte.

C'est pareil dans l'eau, on parvient à nager que grâce aux tourbillons dissipatifs. Dans les marécages, de la confiture, de la résine, très visqueux donc sans tourbillons, bloqués par la dissipation, on se noie car il est impossible de nager.

Finesse portance trainée[modifier | modifier le wikicode]

Une aile d'avion bien conçue a une grande efficacité, car sa portance qui supporte le poids de l'avion est très supérieure à sa trainée qui freine l'avion. La trainée oblige à avoir des moteurs puissants pour s'opposer a cette trainée qui freine l'avion.

Le rapport Portance sur trainée est appelé finesse, de fait l'efficacité de l'aile. La finesse peut être de 40 à 80 ce qui permet de voler avec un grand poids et des moteurs dépensant peu d'énergie.

Lorsque les moteurs tombent en panne l'avion devient un planeur qui vole en descendant à vitesse constante avec une pente de descente égale au rapport Portance divisée par la Trainée, appelée finesse. La force de gravité en descendant s'oppose à la trainée, comme pour une auto ou vélo freiné sur un plan incliné.

Cette finesse est ainsi la distance parcourue par le planeur pour une hauteur donnée, par exemple partant de 1 km d'altitude le planeur de finesse 40 parcourt 40 km en descendant sans moteur.

Les ailes d'avions ont leur finesse déterminée par leur profil et aussi par le rapport longueur d'aile sur largeur car les extrémités d'ailes ont des tourbillons qui dissipent de l'énergie et diminue la finesse.

Donc la finesse élevée nécessite de limiter ces tourbillons, d'abord avec des ailes très fines, très longues par rapport à leur largeur, comme visible sur tous les planeurs modernes à ailes très longues et fines, pour 40 en finesse les ailes ont une longueur 40 fois leur largeur.

De plus on peut réduire ces tourbillons en bout d'aile avec des extrémités spéciales, avec des plumes échevelées pour les grands oiseaux, comme les aigles, cormorans, les vautours qui volent en planant de façon très efficace, sans presque jamais remuer les ailes, depuis des millions d'années.

Les avions récents copient ces oiseaux avec des extrémités d'ailes spéciales pour gagner 5% en carburant.

Sur une aile le centre de poussée de l'air se situe à très environ le quart avant à bien déterminer pour équilibrer l'avion, sinon il monte ou descend de trop, même sur un avion en papier, fonction de la forme de l'aile et du fuselage et des empennages.

Enfin les ailes ont une bonne portance tant que l'angle d'incidence reste faible moins de 10°, car si on augmente trop cet angle d'arrivée des filets d'air sur l'aile, brutalement la portance dégringole au point que l'avion décroche et tombe comme une feuille morte, ce que chacun peut voir sur un avion en papier, lancé trop vite, ou mal conçu, qui monte très fort, puis décroche et tout à coup tombe comme une feuille morte.

Un avion en papier permet de vérifier toutes ces propriétés basiques des ailes, avec un peu de soin.

La portance (flêche verte) est fonction de l'incidence de l'aile, c'est-à-dire de l'angle entre l'air (flêche bleue) et l'aile.
Profil d'aile en soufflerie en situation de décrochage : l'aile n'est plus aspirée vers le haut mais vers l'arrière.

Lorsque la vitesse de l'appareil est insuffisante, ou bien lorsque l'angle de l'aile par rapport au vent est trop important, alors l'air ne circule plus correctement autour de l'aile, il n'est plus accroché : on dit que l'aile décroche, ce qui provoque une chute progressive de l'aéronef. Les pilotes font des exercices de décrochage pendant leur apprentissage : ils apprennent à rétablir l'écoulement de l'air, donc le vol.


Article à lire : Pilotage (aéronautique).

Sources[modifier | modifier le wikicode]

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