Downwash

Si vous « vous êtes déjà tenu près d’un hélicoptère, vous saurez exactement comment il reste dans le ciel: il crée un énorme « downwash » (courant d’air descendant) qui équilibre son poids. Les rotors d’hélicoptère sont très similaires aux ailes d’avion, mais tournent en cercle au lieu d’avancer en ligne droite, comme ceux d’un avion. Même ainsi, les avions créent le downwash exactement de la même manière que les hélicoptères – c’est juste que nous ne le remarquons pas. Le downwash n’est pas si évident, mais c’est tout aussi important qu’avec un hacheur.

Ce deuxième aspect de la montée en puissance est beaucoup plus facile à comprendre que les différences de pression, du moins pour un physicien : selon la troisième loi du mouvement d’Isaac Newton, si l’air donne une force ascendante à un avion, l’avion doit donner une force descendante (égale et opposée) à l’air. Ainsi, un avion génère également de la portance en utilisant ses ailes pour pousser l’air Cela se produit parce que les ailes ne sont pas parfaitement horizontales, comme vous pourriez le supposer, mais sont très légèrement inclinées en arrière pour qu’elles frappent l’air à un angle d’attaque. Les ailes inclinées abaissent à la fois le flux d’air accéléré (de haut au-dessus d’elles) et le flux d’air en mouvement plus lent (de dessous), ce qui produit une portance. Étant donné que le sommet incurvé du profil aérodynamique dévie (pousse vers le bas) plus d’air que le fond plus droit (en d’autres termes, modifie la trajectoire de l’air entrant de manière beaucoup plus spectaculaire), il produit beaucoup plus de portance.

Comment les ailes du profil aérodynamique génèrent de la portance # 2: La forme incurvée d’une aile crée une zone de basse pression au-dessus (rouge), ce qui génère de la portance. La basse pression fait accélérer l’air au-dessus de l’aile, et la forme incurvée de l’aile (et la pression d’air plus élevée bien au-dessus du flux d’air modifié) force cet air dans un puissant lavage vers le bas, poussant également l’avion vers le haut. Cette animation montre comment différents angles d’attaque (l’angle entre l’aile et l’air entrant) modifient la région de basse pression au-dessus d’une aile et la portance qu’elle produit. Lorsqu’une aile est plate, sa surface supérieure incurvée crée une région modeste de basse pression et une modeste portance (rouge). Au fur et à mesure que l’angle d’attaque augmente, la portance augmente aussi considérablement – jusqu’à un certain point, lorsque l’augmentation de la traînée entraîne le décrochage de l’avion (voir ci-dessous). Si nous inclinons l’aile vers le bas, nous produisons une pression plus faible en dessous, ce qui fait tomber l’avion. Basé sur Aerodynamics, un film de formation du Département de la guerre du domaine public de 1941.

Vous vous demandez peut-être pourquoi l’air coule derrière une aile. Pourquoi, par exemple, ne frappe-t-il pas l’avant de l’aile, ne se courbe sur le dessus, puis ne continue pas horizontalement? Pourquoi y a-t-il un lavage vers le bas plutôt que simplement un « lavage à contre-courant » horizontal? Pensez à notre discussion précédente sur la pression: une aile abaisse la pression atmosphérique immédiatement au-dessus d’elle. Plus haut, bien au-dessus de l’avion, l’air est toujours à sa pression normale, qui est plus élevée que l’air immédiatement au-dessus de l’aile. Ainsi, l’air à pression normale bien au-dessus de l’aile pousse vers le bas sur l’air à basse pression immédiatement au-dessus, « éjectant » effectivement de l’air vers le bas et derrière l’aile dans un contre-lavage. En d’autres termes, la différence de pression créée par une aile et le lavage vers le bas de l’air derrière elle ne sont pas deux choses distinctes mais toutes partie intégrante du même effet: une aile à voilure inclinée crée une différence de pression qui fait un downwash, et cela produit de la portance.

Maintenant, nous pouvons voir que les ailes sont des dispositifs conçus pour pousser l’air vers le bas, c’est facile à comprendre pourquoi les avions aux ailes plates ou symétriques (ou avions acrobatiques idéaux) peuvent voler en toute sécurité Tant que les ailes créent un flux d’air descendant, l’avion subira une force égale et opposée – portance – qui le maintiendra en l’air. En d’autres termes, le pilote à l’envers crée un angle d’attaque particulier qui génère juste assez de basse pression au-dessus de l’aile pour maintenir l’avion en l’air.

Quelle portance pouvez-vous faire?

En général, l’air circulant sur le haut et le bas d’une aile suit de très près la courbe des surfaces de l’aile, tout comme vous pourriez la suivre si vous traçiez son contour avec un stylo. Mais à mesure que l’angle d’attaque augmente, le flux d’air fluide derrière l’aile commence à se décomposer et à devenir plus turbulent, ce qui réduit la portance. Sous un certain angle (généralement autour de 15 °, bien qu’il varie), l’air ne circule plus régulièrement autour de l’aile. Il ya une forte augmentation de la traînée, une forte réduction de la portance, et on dit que l’avion a calé. C’est un terme légèrement déroutant car les moteurs continuent de tourner et l’avion continue de voler; le décrochage signifie simplement une perte de portance.

Photo: Comment un avion cale: Voici une aile à voilure dans le vent tunnel faisant face à l’air venant en sens inverse à un angle d’attaque raide Vous pouvez voir des lignes d’air rempli de fumée s’approcher de la droite et dévier autour de l’aile en se déplaçant vers la gauche.Normalement, les lignes de flux d’air suivraient de très près la forme (profil) de l’aile. Ici, en raison de l’angle d’attaque prononcé, le flux d’air s’est séparé derrière l’aile et la turbulence et la traînée ont considérablement augmenté. Un avion volant comme celui-ci subirait une soudaine perte de portance, que nous appelons «décrochage». Photo gracieuseté du NASA Langley Research Center.

Les avions peuvent voler sans ailes en forme de profil aérodynamique; vous saurez que si vous avez déjà fabriqué un avion en papier – et cela a été prouvé le 17 décembre 1903 par les frères Wright. Dans leur brevet original « Flying Machine » (brevet américain n ° 821393), il « est clair que les ailes légèrement inclinées (qu’ils appelaient des » avions « ) sont les éléments clés de leur invention. Leurs » avions « étaient simplement des morceaux de tissu étirés sur une charpente en bois, ils n’avaient pas de profil de voilure (voilure). Les Wright ont réalisé que l’angle d’attaque est crucial: « Dans les machines volantes du caractère auquel cette invention se rapporte, l’appareil est supporté dans les airs en raison du contact entre l’air et la surface inférieure d’un ou plusieurs avions, le contact -surface présentée sous un petit angle d’incidence par rapport à l’air.  » . Bien que les Wright fussent de brillants scientifiques expérimentaux, il est important de se rappeler qu’ils manquaient de nos connaissances modernes en aérodynamique et d’une compréhension complète du fonctionnement exact des ailes.

Sans surprise, plus les ailes sont grandes, plus la portance est importante. ils créent: doubler la surface d’une aile (c’est la zone plate que vous voyez d’en haut) double à la fois la portance et la traînée qu’elle produit. C’est pourquoi les avions gigantesques (comme le C-17 Globemaster sur notre photo du dessus) ont des ailes gigantesques. Mais les petites ailes peuvent aussi produire beaucoup de portance si elles se déplacent assez vite. Pour produire une portance supplémentaire au décollage, les avions ont des volets sur leur elles peuvent s’étendre pour pousser plus d’air vers le bas. La portance et la traînée varient avec le carré de votre vitesse, donc si un avion va deux fois plus vite, par rapport à l’air venant en sens inverse, ses ailes produisent quatre fois plus de portance (et de traînée). Hélicoptères produisent une énorme quantité de portance en faisant tourner leurs pales de rotor (essentiellement des ailes minces qui tournent en cercle) très rapidement.

Tourbillons d’ailes

Maintenant, un avion ne projette pas d’air derrière de manière complètement propre. (Vous pouvez imaginer, par exemple, quelqu’un poussant une grosse caisse d’air par la porte arrière d’un transporteur militaire pour qu’elle tombe tout droit. Mais ça ne marche pas tout à fait comme ça!) Chaque aile envoie de l’air en faisant un un vortex tournant (une sorte de mini tornade) juste derrière. C’est un peu comme quand vous vous tenez sur une plate-forme dans une gare ferroviaire et qu’un train à grande vitesse passe sans s’arrêter, laissant ce qui ressemble à un énorme vide d’aspiration son sillage. Avec un avion, le vortex est une forme assez complexe et la majeure partie se déplace vers le bas, mais pas tout. Il ya un énorme courant d’air qui descend au centre, mais un peu d’air tourbillonne en fait de chaque côté des extrémités des ailes , réduisant la portance.

Photo: Les lois de Newton font voler les avions: Un avion génère une force ascendante (portance) en poussant l’air vers le sol. Comme le montrent ces photos, l’air ne descend pas dans un courant net et ordonné mais dans un vortex. le vortex affecte la distance à laquelle un avion peut voler derrière un autre et il est particulièrement important à proximité des aéroports où il y a beaucoup d’avions en mouvement tout le temps, créant des modèles complexes de turbulence dans l’air. Gauche: La fumée colorée montre les vortex d’aile produits par un vrai avion. La fumée au centre se déplace vers le bas, mais elle se déplace vers le haut au-delà des extrémités des ailes. Droite: Comment le vortex apparaît par le bas. Centre.