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Comment vole un avion / planeur ?

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Rem118
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Comment vole un avion / planeur ?

Message  Rem118 le Sam 3 Oct 2009 - 17:46

Salut,

Certains dirons : "avec de la vitesse et de l'argent", ce qui n'est pas faux ;)

Mais j'ai un petit "défi" à vous soumettre :
Comment vole un avion, ou plus précisément qu'est-ce qui crée la portance ?
(attention ça risque d'être technique...)

Allez c'est parti à vos réponses
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jihef
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  jihef le Sam 3 Oct 2009 - 17:50

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Oscar Lima
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  Oscar Lima le Sam 3 Oct 2009 - 18:27

Portance au niveau d'une aile en régime d'écoulement laminaire:
Vitesse d'écoulement plus élevée sur l'extrados que sur l'intrados en raison de la forme bombée de l'extrados et de la composante d'accélération verticale de l'écoulement vers le bas causée par l'incidence.
D'où une pression plus faible à l'extrados qu'à l'intrados (d'après le théorème de Bernoulli : ro.v² + P + ro.g.h = constante au sein d'un écoulement (il y a beaucoup d'autres écritures possibles)
-> aspiration vers le haut.
Seule une partie de l'extrados subit un écoulement laminaire. Vers l'arrière de l'aile ça devient turbulent. Si la zone de turbulences remonte trop, plus assez de portance : ça décroche

Stabilité d'un avion (je dérive un peu mais c'est vachement lié à la portance, tant de gens croient que l'aile porte l'avion et que la queue
sert juste de gouvernail horizontal !) :
Toute variation d'incidence provoque une variation de portance appliquée au centre de portance de l'aile (foyer de l'aile). Si le centre de gravité de l'avion est situé pile au niveau du foyer, il n'aura pas tendance à revenir naturellement à la position d'origine (comportement stable).
Pour donner à l'avion de la stabilité, il faut placer le centre de gravité à l'avant du foyer ;
et pour compenser le couple piqueur (créé par le poids tirant alors l'avant de l'avion vers le bas), il faut créer soit une force vers le haut à l'avant de l'avion (plan canard) soit une force vers le bas à l'arrière (profondeur classique).
Dans ce cas la portance "globale" de l'avion est évidemment placée au niveau du centre de gravité, mais les variations de portance, elles, s'appliquent toujours au foyer de l'aile ; ainsi une augmentation de l'incidence crée une force vers le haut en arrière du centre de gravité, donc un couple piqueur correctif, et vice-versa une diminution de l'incidence crée un couple cabreur.
La présence de la profondeur modifie un peu la position du foyer de l'avion par rapport au foyer de l'aile "pur" mais de pas grand-chose.
Le foyer est situé à environ 1/4 de la corde moyenne de l'aile en partant du bord d'attaque

Euh quoi d'autre
Ah oui le fait d'être centré très en avant n'est pas une solution miracle, ça rend l'avion mou. Il refuse de changer d'incidence, aucune vivacité en tangage. De plus ça réduit considérablement la finesse (la profondeur créant une portance vers le bas, et l'aile une portance vers le haut, la profondeur compense une partie de la portance de l'aile, oui mais ces 2 portances provoquent 2 traînées induites dans la même direction c'est-à-dire vers l'arrière (ce serait trop beau si elles se compensaient aussi), donc importante augmentation de la traînée "inutile".

Le centrage en arrière du foyer ? Situation instable : tout cabrage induit un couple cabreur et vice-versa pour toute diminution d'incidence -> couple piqueur. L'avion tend à se retourner.
C'est dommage parce que niveau finesse, ce serait bien. La profondeur aurait nécessairement une portance vers le haut (vu que le poids s'applique à l'arrière) donc elle "aiderait" l'aile. -> pas de portance négative, pas de traînée "inutile".

Le centrage milieu (pile sur le foyer) donnerait la même chose niveau finesse, puisque ce coup-ci la profondeur ne générerait pas de portance du tout (en vol stabilisé bien sûr). Mais, entre stable et instable, l'avion serait extrêmement vif, difficiement contrôlable.

En résumé : centrage arrière et milieu = interdit, centrage très avant = avion empoté et pas performant mais hyper stable, centrage reculant vers le foyer = avion plus performant et plus vif.

Pour des raisons de performance, les liners nouvelle génération voient leur centrage de plus en plus en arrière. La stabilité étant alors assurée par l'électronique embarquée. Par exemple un A380 sans ses asservissements en tangage... ben j'aimerais pas être dedans...
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Oscar Lima
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  Oscar Lima le Dim 4 Oct 2009 - 2:17

Salut, en aviation comme en voile, il est montré et démontré que la résultante aérodynamique d'une aile est répartie environ à 1/3 sur l'intrados et 2/3 sur l'extrados (en écoulement laminaire)
Ce qui n'a rien d'étonnant vu que la chute de pression est proportionnelle au carré de la vitesse d'écoulement et non à la vitesse elle-même.

Le fait de voir une aile comme une écope déviant l'air vers le bas n'y change rien, c'est toujours Bernoulli qui s'applique. Le seul truc c'est que la déviation provoquée par l'incidence s'apparente à un rétrécissement de section de l'écoulement à l'intrados et un élargissement à l'extrados, et que ces variations de section créent ce qu'on pourrait assimiler à des pertes de charge singulières provoquant une augmentation de pression à l'intrados et une diminution à l'extrados. Mais on peut tout à fait introduire des pertes de charge singulières dans le théorème de Bernoulli. Le seul truc c'est que vu qu'il ne s'agit pas de conduits fermés, ce coefficient de perte de charge est vachement difficile à estimer, rendant l'expérimentation obligatoire.
L'explication newtonienne qui considère le transfert d'énergie entre l'aile et les molécules d'air (accélérées vers le bas, en gros), elle ne s'oppose pas du tout à l'histoire des pressions de Bernoulli. Qu'est-ce qui provoque l'accélération vers le bas des molécules ? La détente-recompression à l'extrados et la compression-détente à l'intrados. C'est de la thermo tout ça

C'est sûr que considérer la chose dans son ensemble, c'est pas évident à visualiser et encore moins à modéliser.
Voilà pourquoi on explique couramment aux étudiants que si l'aile porte c'est parce que l'extrados est plus long que l'intrados. C'est vrai à incidence nulle évidemment, mais à incidence nulle ça porte pas grand chose.
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  jihef le Dim 4 Oct 2009 - 4:57

Oscar Lima a écrit:Salut, en aviation comme en voile, il est montré et démontré que la résultante aérodynamique d'une aile est répartie environ à 1/3 sur l'intrados et 2/3 sur l'extrados (en écoulement laminaire)
Ce qui n'a rien d'étonnant vu que la chute de pression est proportionnelle au carré de la vitesse d'écoulement et non à la vitesse elle-même.

Comment tu peux déduire la répartition intrados/extrados juste à partir de 1/2*rho*S*V²*Cz ?
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  gc232 le Dim 4 Oct 2009 - 10:04

L'histoire de dépression/surpression, c'est l'une des deux théories qui existent pour démontrer l'existence de la portance, et en l'occurence elle a été démontrée comme étant fausse.
Beaucoup de polémiques (puisque les deux théories existent / ont existé), donc je vais me contenter de mettre mes cours qui expliquent la seconde, et c'est loin d'etre incompréhensible fort heureusement Smile

Concernant la répartition 1/3 - 2/3, c'est vrai pour un cas donné, mais tu peux avoir 3/4 intrados 1/4 extrados (grandes incidences), et toutes les répartitions possibles entre ces 2 la, voire bien au-dela.
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  Oscar Lima le Dim 4 Oct 2009 - 12:44

Alors j'attends la tienne...

Petit retour à la base de la base : il y a 4 types de forces dans l'univers : les interactions électromagnétiques, interactions gravitationnelles, interactions fortes (nucléoniques) et interaction de contact.
Comme la portance n'est ni e.m., ni gravitationnelle, ni forte, tu reconnais qu'elle est de type contact.
Tu reconnaîtras aussi que la portance est répartie sur la surface de l'aile, elle n'est pas appliquée en 1 point (sinon bonjour les criques).
Une force de contact répartie sur une surface, ça s'appelle une pression !
La résultante aérodynamique c'est la somme des pressions sur l'aile, et que tu le veuilles ou non elle est orientée à peu près vers le haut, donc ça veut bien dire que les pressions sous l'aile sont plus élevées que les pressions dessus...

(je précise quand même que le coup de l'assimilation du passage de l'aile à une perte de charge de l'écoulement n'est qu'une extrapolation de la mécaflu en conduit fermé, mais je trouvais ça plus intuitif que de parler de sources, puits, tourbillons et dérivées partielles.
Et comme je l'ai dit le coup des 1/3-2/3 c'est valable uniquement en écoulement laminaire, sachant qu'aux fortes incidences l'écoulement n'est laminaire que sur une partie de l'extrados !)

jihef a écrit:Comment tu peux déduire la répartition intrados/extrados juste à partir de 1/2*rho*S*V²*Cz ?
Pas à partir de ça, vu que dans cette formule toutes les histoires de différences de pressions sont contenues dans le Cz du profil.
Mais à partir de la différence de vitesses extrados/intrados, imagine une courbe F(v)=v², si en abscisse t'as le même écart Vmoy-Vintrados et Vextrados-Vmoy, en ordonnée t'auras un écart F(Vextrados)-F(Vmoy) plus important que F(Vmoy)-F(Vintrados) (dans une proportion qui dépend de la position de Vmoy sur la courbe, de la valeur de l'écart par rapport à Vmoy, etc... Je pense que 1/3-2/3 c'est une valeur moyenne couramment observée. EN REGIME LAMINAIRE)
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  jihef le Dim 4 Oct 2009 - 18:48

Oscar Lima a écrit:
Petit retour à la base de la base : il y a 4 types de forces dans l'univers : les interactions électromagnétiques, interactions gravitationnelles, interactions fortes (nucléoniques) et interaction de contact.

Heu non c'est interaction faible le dernier, pas force de contact, je ne pense pas que ça colle avec ce que tu dis.

Oscar Lima a écrit:
jihef a écrit:Comment tu peux déduire la répartition intrados/extrados juste à partir de 1/2*rho*S*V²*Cz ?
Pas à partir de ça, vu que dans cette formule toutes les histoires de différences de pressions sont contenues dans le Cz du profil.
Mais à partir de la différence de vitesses extrados/intrados, imagine une courbe F(v)=v², si en abscisse t'as le même écart Vmoy-Vintrados et Vextrados-Vmoy, en ordonnée t'auras un écart F(Vextrados)-F(Vmoy) plus important que F(Vmoy)-F(Vintrados) (dans une proportion qui dépend de la position de Vmoy sur la courbe, de la valeur de l'écart par rapport à Vmoy, etc... Je pense que 1/3-2/3 c'est une valeur moyenne couramment observée. EN REGIME LAMINAIRE)

Moi aussi j'ai appris le 2/3 - 1/3 mais dans la façon dont tu l'avais énoncé plus haut, j'avais compris que ça pouvait se déduire de la formule donnée.
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  Oscar Lima le Dim 4 Oct 2009 - 19:13

jihef a écrit:Heu non c'est interaction faible le dernier, pas force de contact, je ne pense pas que ça colle avec ce que tu dis.
?
L'interaction faible c'est pas la gravitationnelle ?
Un peu loin la physique atomique...
De toute façon, oui, la pression atmosphérique est une force de contact, le contact des molécules percutant une paroi. A une fréquence dépendant de la densité de molécules et à une vitesse dépendant de la température du gaz
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  Rem118 le Dim 4 Oct 2009 - 21:56

Ah intéressant ! Des réponses !

jihef a un doc intéressant. (le profil avec l'écoulement d'air)

Bien souvent on parle de la vitesse de l'air plus grande à l'extrados à cause "de la forme bombée".
Certes, mais qu'en est-il pour un avion en papier dont le profil est fichtrement... plat ! et pour un profil symétrique... "bombé" des deux côtés?
Effectivement sans incidence : pas de portance.

Le plus "intriguant" pour moi, c'est surtout que la molécule d'air qui part à t (vers l'extrados) en même tant que sa soeur jumelle un peu plus bas (intrados), n'arrivera pas au même moment au bord de fuite !
Effectivement, selon le principe de Bernouilli, la molécule supérieure "doit accélérer" pour "rattraper son retard", et arriver en même temps. Or ce n'est pas le cas !

Pour moi, (à incidence >0)
intrados : P augmente => v diminue
extrados : P diminue => v augmente
Certes, mais qu'est-ce qui crée le delta de timing ?

Un rapport avec la viscosité et / ou la couche limite ?
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  Oscar Lima le Dim 4 Oct 2009 - 22:15

Imagine qu'une molécule est une bille posée sur une table, si tu passes vite une aile en-dessous a bille va se soulever et parcourir toute la longueur de l'extrados (qui est donc plus longue qu'une ligne droite) mais elle va aussi avancer un peu pour suivre l'aile. C'est une trainée dûe à l'obstacle que représente l'aile. Voilà pourquoi l'air au dessous (qui rencontre un obstacle plus grand que l'air du dessus vu la surpression) n'arrive pas en même temps.
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  Oscar Lima le Dim 4 Oct 2009 - 22:47

En relisant le document de Jihef, je crois que la manière la plus simple d'expliquer la portance, au fond, c'est de voir l'aile comme une écope déviant l'air vers le bas. D'où une réaction.
C'est la réalité.
Les phénomènes aérodynamiques décrits par Bernoulli ne sont que les causes de cette déviation. Ca revient à entrer dans les détails quoi.

- Fait global : l'air est dévié vers le bas au passage de l'aile.
- 1er niveau de détail : L'air du dessus est aspiré par l'aile sous l'effet de la dépression extrados, l'air du dessous repoussé par l'aile sous l'effet de la pression intrados. L'ensemble de l'air est donc propulsé vers le bas.
- 2ème niveau de détail : la dépression de l'air extrados est créée par l'accélération de l'écoulement + par l'augmentation rapide du volume occupable par l'air au-dessus de l'aile (volume "d'ombre" en arrière de l'aile) (NB: c'est ça que j'assimilais à une perte de charge dans mon post plus haut)
Au contraire, la surpression de l'air en dessous de l'aile est causée par le ralentissement de l'écoulement (embouteillage) + par une réduction rapide du volume occupable par l'air situé sous l'aile (avec incidence bien entendu)

Voilà, je crois que je ne pourrais pas exprimer plus clairement mon idée
Avec une vidéo tout ça serait limpide en quelques secondes.
J'attends que Golfcharlie me dise où je me trompe
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  jihef le Lun 5 Oct 2009 - 7:01

Depuis que j'ai le doc donné, je m'en tient à l'accélération du flux d'air vers le bas comme une écope. D'ailleurs accélération d'un flux d'air devrait rappeler des choses aux ATPL-istes, notemment sur la propulsion à réaction.
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  Flyerinjoker le Lun 5 Oct 2009 - 11:19

tout ceci me parait fort intéressant, en revanche en ATPL tout ce qu'on dit sur la déviation du flux d'air vers le bas, c'est que en Amérique (FAA) il considère que cela amène la majeur partie de la portance, alors qu'en Europe (JAA) on considère cette "poussée" comme négligeable et par conséquent on n'en parle même pas dans les exams !

amicalement, Rémy
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  jihef le Lun 5 Oct 2009 - 11:29

D'après ce que j'ai compris les deux explications (différence de pression et déviation du flux d'air) sont équivalentes.

En vertu du principe d'action-réaction la déviationdu flux d'air vers me bas crée de la portance (vers le haut).
En rasion du même principe la différence de pression entre l'intrados et l'extrados de l'aile communique au flux d'air une force opposée qui le fait dévier vers le bas.
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  Alexis_ le Lun 5 Oct 2009 - 11:52

Pour moi c'est l'incidence qui crée la portance et non la forme du profil en elle même. Ca revient effectivement à avoir un chemin plus long sur l'extrados que sur l'intrados et donc par pression différentielle l'apparition d'une force de portance.

Donc ce qui fait voler un avion en premier ordre, c'est l'incidence de son aile ! Tout le reste n'est qu'optimisation, et avec un bon moteur je suis sûr qu'on peut faire voler une planche à repasser !
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  Flyerinjoker le Lun 5 Oct 2009 - 11:54

jihef a écrit:la différence de pression entre l'intrados et
l'extrados de l'aile communique au flux d'air une force opposée qui le
fait dévier vers le bas.

De ce que j'en sais ce n'est pas tout à fais ça, au lieu de créer une portance, ce flux d'air qui remonte le long de l'extrados va créer une traînée qui viendra détériorer la portance donc si on pouvait s'en passer on s'en passerait bien ;)

en revanche pour ce qui est de la déviation de l'air vers le bas c'est uniquement dû au profile, à titre démonstratif place le dos d'une cuillère sous le filet d'eau du robinet et remarque la course de l'eau !!

c'est tout ce que je connais je pense si ce n'est pas ça veuillez me reprendre !!
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  Alexis_ le Lun 5 Oct 2009 - 12:18

Pour étayer ce que je dis au dessus un extrait de "Mécanique du Vol" de Kermode :

"Lorsque l'air s'écoule sur une plaque plane ou n'importe quel objet faisant un certain angle avec la vitesse de l'écoulement, la pression de l'air diminue sur la face supérieure et augmente sur la face inférieure" etc ...

Par conséquent je comprends que c'est bien l'angle (d'incidence, d'attaque, ...) d'un profil qui est à l'origine de la portance, et non sa forme elle même !
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  jihef le Lun 5 Oct 2009 - 14:58

Flyerinjoker a écrit:
jihef a écrit:la différence de pression entre l'intrados et
l'extrados de l'aile communique au flux d'air une force opposée qui le
fait dévier vers le bas.

De ce que j'en sais ce n'est pas tout à fais ça, au lieu de créer une portance, ce flux d'air qui remonte le long de l'extrados va créer une traînée qui viendra détériorer la portance donc si on pouvait s'en passer on s'en passerait bien ;)

en revanche pour ce qui est de la déviation de l'air vers le bas c'est uniquement dû au profile, à titre démonstratif place le dos d'une cuillère sous le filet d'eau du robinet et remarque la course de l'eau !!

Oui je pense que tu as raison.
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  jihef le Lun 5 Oct 2009 - 15:02

Alexis_ a écrit:Pour étayer ce que je dis au dessus un extrait de "Mécanique du Vol" de Kermode :

"Lorsque l'air s'écoule sur une plaque plane ou n'importe quel objet faisant un certain angle avec la vitesse de l'écoulement, la pression de l'air diminue sur la face supérieure et augmente sur la face inférieure" etc ...

Par conséquent je comprends que c'est bien l'angle (d'incidence, d'attaque, ...) d'un profil qui est à l'origine de la portance, et non sa forme elle même !

C'est aussi ce qui est dit en substance dans le doc que j'ai donné.

Par contre l'explication de la distance parcourue (ton message précédent Alexis_) me parait pipeau au possible. Puisque même un profil asymétrique peut générer de la portance en inversé.
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  Oscar Lima le Lun 5 Oct 2009 - 15:09

Alexis_ a écrit:Par conséquent je comprends que c'est bien l'angle (d'incidence, d'attaque, ...) d'un profil qui est à l'origine de la portance, et non sa forme elle même !
La cambrure d'un profil équivaut à donner de l'incidence au bord de fuite, donc en gros un profil asymétrique sans incidence équivaut à un profil symétrique avec une légère incidence (en terme de portance hein, ils n'auront pas la même finesse !)
C'est certainement pour ça que les planeurs ont un profil concave : le bord de fuite a une incidence beaucoup plus grande que le bord d'attaque -> l'incidence augmente progressivement le long du profil, d'où la même portance pour moins de traînée (mais en contrepartie, une efficacité merdique aux très faibles incidences, l'incidence du bord d'attaque étant négative et celle du bord de fuite positive)
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  Alexis_ le Lun 5 Oct 2009 - 17:11

jihef a écrit:

Par contre l'explication de la distance parcourue (ton message précédent Alexis_) me parait pipeau au possible. Puisque même un profil asymétrique peut générer de la portance en inversé.

Différence de pression < Différence de vitesse < Différence de distance parcourue, non ?
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  jihef le Lun 5 Oct 2009 - 17:50

Alexis_ a écrit:
jihef a écrit:

Par contre l'explication de la distance parcourue (ton message précédent Alexis_) me parait pipeau au possible. Puisque même un profil asymétrique peut générer de la portance en inversé.

Différence de pression < Différence de vitesse < Différence de distance parcourue, non ?

J'ai toujours l'impression que tu fais référence au 'temps de parcours égal', où deux molécules voisines au bord d'ataque se retourvent au bord de fuite, l'une étant passé dessus l'aile et l'autre dessous. C'est ce modèle là qui est faux.

De même une différence de vitesse créé effectivement une différence de pression, le contraire n'est pas toujours vrai.

C'est justement l'origine de cette différence de vitesse que je ne m'explique pas. Autant je peux comprendre que la vitesse à l'intrados soit plus faible (phénomène visqueux et rencontre d'un obstacle) autant l'accélération à l'extrados ???
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  Oscar Lima le Lun 5 Oct 2009 - 18:28

jihef a écrit:autant l'accélération à l'extrados ???
Accélération en norme. L'air est dévié vers le bas (côté bord de fuite), cette vitesse verticale s'ajoute à la composante horizontale de l'écoulement
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Re: Comment vole un avion / planeur ?

Message  Alexis_ le Lun 5 Oct 2009 - 18:55

jihef a écrit:

J'ai toujours l'impression que tu fais référence au 'temps de parcours égal', où deux molécules voisines au bord d'ataque se retourvent au bord de fuite, l'une étant passé dessus l'aile et l'autre dessous. C'est ce modèle là qui est faux.

De même une différence de vitesse créé effectivement une différence de pression, le contraire n'est pas toujours vrai.

C'est justement l'origine de cette différence de vitesse que je ne m'explique pas. Autant je peux comprendre que la vitesse à l'intrados soit plus faible (phénomène visqueux et rencontre d'un obstacle) autant l'accélération à l'extrados ???

Exact j'ai mélangé les causes et les conséquences. De toute façon l'aérodynamique c'est pas ma tasse de thé, j'suis un méca moi Very Happy.

Alexis


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