*Une aile d’avion est conçue pour créer la portance nécessaire pour maintenir l’avion en l’air. Plus la force de portance est grande et moins la traînée est grande, plus la qualité aérodynamique d'une aile est grande. La portance et la traînée d'une aile dépendent des caractéristiques géométriques de l'aile. Les caractéristiques géométriques de l'aile se réduisent aux caractéristiques de l'aile en plan et aux caractéristiques

Les ailes des avions modernes sont de plan elliptique (a), rectangulaire (b), trapézoïdal (c), en flèche (d), triangulaire (e)

Angle transversal V d'une aile Caractéristiques géométriques d'une aile La forme d'une aile en plan est caractérisée par son envergure, son allongement, sa conicité, sa flèche et son V transversal. L'envergure L est la distance entre les extrémités de l'aile en ligne droite. doubler. La surface de l'aile dans le plan Scr est limitée par les contours de l'aile.

L'aire des ailes trapézoïdales et en flèche est calculée comme l'aire de deux trapèzes où b 0 est la corde racine, m ; bk - accord de fin, m ; - corde moyenne de l'aile, m Le rapport d'aspect de l'aile est le rapport entre l'envergure de l'aile et la corde moyenne. Si au lieu de bav nous substituons sa valeur à partir de l'égalité (2.1), alors le rapport d'aspect de l'aile sera déterminé par la formule Pour moderne pour les avions supersoniques et transsoniques, le rapport d'aspect des ailes ne dépasse pas 2 à 5. Pour les avions à basse vitesse, le rapport d'aspect peut atteindre 12 -15 et pour les planeurs jusqu'à 25.

La conicité de l'aile est le rapport entre la corde axiale et la corde terminale. Pour les avions subsoniques, la conicité de l'aile ne dépasse généralement pas 3, mais pour les avions transsoniques et supersoniques, elle peut varier dans de larges limites. L'angle de flèche est l'angle entre la ligne du bord d'attaque de l'aile et l'axe transversal de l'avion. Le balayage peut également être mesuré le long de la ligne focale (1/4 de la corde du bord d'attaque) ou le long d'une autre ligne de l'aile. Pour les avions transsoniques, elle atteint 45° et pour les avions supersoniques, elle atteint 60°. L'angle V de l'aile est l'angle entre l'axe transversal de l'avion et l'intrados de l'aile. Dans les avions modernes, l'angle V transversal varie de +5° à -15°. Le profil d'une aile est la forme de sa section transversale. Les profils peuvent être symétriques ou asymétriques. Asymétrique, quant à lui, peut être biconvexe, plan-convexe, concave-convexe, etc. En forme de S. Lenticulaire et en forme de coin peuvent être utilisés pour les avions supersoniques. Les principales caractéristiques du profil sont : la corde du profil, l'épaisseur relative, la courbure relative.

La corde de profil b est un segment de ligne droite reliant les deux points les plus éloignés du profil. Formes des profils d'ailes 1 - symétriques ; 2 - non symétrique ; 3 - plan-convexe ; 4 - biconvexe ; 5 - en forme de S ; 6 - laminé; 7 - lenticulaire; 8 - en forme de losange ; 9 proéminent

Caractéristiques géométriques du profil : b - corde du profil ; Smax - plus grande épaisseur ; fmax - flèche de courbure ; Abscisse de la plus grande épaisseur Angles d'attaque de l'aile

La force aérodynamique totale et le point de son application R est la force aérodynamique totale ; Y - force de levage ; Q - force de traînée ; - angle d'attaque ; q - angle de qualité L'épaisseur relative du profil c est le rapport de l'épaisseur maximale Cmax à la corde, exprimé en pourcentage :

L'épaisseur relative du profil c est le rapport de l'épaisseur maximale Cmax à la corde, exprimé en pourcentage : La position de l'épaisseur maximale du profil Xc est exprimée en pourcentage de la longueur de la corde et est mesurée à partir du nez. Dans les avions modernes, l'épaisseur relative du profil est inférieure à 416 %. La courbure relative du profil f est le rapport de la courbure maximale f à la corde, exprimé en pourcentage. La distance maximale entre l'axe du profil et la corde détermine la courbure du profil. La ligne médiane du profil est tracée à égale distance des contours supérieur et inférieur du profil. Pour les profils symétriques, la courbure relative est nulle, mais pour les profils asymétriques, cette valeur est différente de zéro et ne dépasse pas 4 %.

CORDE AÉRODYNAMIQUE MOYENNE D'UNE AILE La corde aérodynamique moyenne d'une aile (MAC) est la corde d'une aile rectangulaire qui a la même aire, la même ampleur de la force aérodynamique totale et la position du centre de pression (CP) que celles données. aile à angles d'attaque égaux.

Pour une aile trapézoïdale non torsadée, le MAR est déterminé par construction géométrique. Pour ce faire, l'aile de l'avion est dessinée en plan (et à une certaine échelle). Sur la continuation de la corde fondamentale, un segment de taille égale à la corde terminale est posé, et sur la continuation de la corde terminale (vers l'avant), un segment égal à la corde fondamentale est posé. Les extrémités des segments sont reliées par une ligne droite. Dessinez ensuite la ligne médiane de l’aile, reliant le milieu droit des cordes racine et terminale. La corde aérodynamique moyenne (MAC) passera par le point d'intersection de ces deux lignes.

Connaissant l'ampleur et la position du MAR sur l'avion et en la prenant comme ligne de base, déterminez par rapport à lui la position du centre de gravité de l'avion, le centre de pression de l'aile, etc. La force aérodynamique de l'avion est créée par l'aile et appliqué au centre de pression. En règle générale, le centre de pression et le centre de gravité ne coïncident pas et un moment de force se forme donc. L'amplitude de ce moment dépend de l'amplitude de la force et de la distance entre le CG et le centre de pression, dont la position est définie comme la distance depuis le début du MAR, exprimée en quantités linéaires ou en pourcentage de la longueur du MAR.

WING DRAG La traînée est la résistance au mouvement d'une aile d'avion dans les airs. Il se compose d'une résistance profilée, inductive et d'onde : Xcr = Xpr + Hind + XV. La traînée des vagues ne sera pas prise en compte, car elle se produit à des vitesses de vol supérieures à 450 km/h. La résistance du profil est composée de la résistance à la pression et à la friction : Xpr = XD + Xtr. La traînée de pression est la différence de pression devant et derrière l'aile. Plus cette différence est grande, plus la résistance à la pression est grande. La différence de pression dépend de la forme du profilé, de son épaisseur relative et de sa courbure ; sur la figure elle est indiquée par Cx - le coefficient de résistance du profilé).

Plus l'épaisseur relative du profil est grande, plus la pression augmente devant l'aile et plus elle diminue derrière l'aile, au niveau de son bord de fuite. En conséquence, la différence de pression augmente et, par conséquent, la résistance à la pression augmente. Lorsqu'un flux d'air circule autour du profil de l'aile à des angles d'attaque proches du point critique, la résistance à la pression augmente considérablement. Dans ce cas, les dimensions du jet accompagnant le vortex et les tourbillons eux-mêmes augmentent fortement. La résistance au frottement apparaît en raison de la manifestation de la viscosité de l'air dans la couche limite du profil d'aile fluide. L'ampleur des forces de frottement dépend de la structure de la couche limite et de l'état de la surface profilée de l'aile (sa rugosité). Dans une couche limite d'air laminaire, la résistance de frottement est moindre que dans une couche limite turbulente. Par conséquent, plus la couche limite laminaire du flux d'air s'étend sur la surface de l'aile, plus la traînée de friction est faible. La quantité de traînée de friction est affectée par : la vitesse de l'avion ; rugosité de surface; forme d'aile. Plus la vitesse de vol est élevée, plus la surface de l'aile est traitée de mauvaise qualité et plus le profil de l'aile est épais, plus la résistance au frottement est élevée.

La traînée inductive est une augmentation de la traînée associée à la formation de la portance de l'aile. Lorsqu'un flux d'air non perturbé circule autour d'une aile, une différence de pression apparaît au-dessus et au-dessous de l'aile. En conséquence, une partie de l'air aux extrémités des ailes s'écoule. d'une zone de pression plus élevée à une zone de pression plus basse

L'angle selon lequel le flux d'air circulant autour de l'aile avec une vitesse V induite par la vitesse verticale U est dévié est appelé angle d'écoulement. Sa valeur dépend de la valeur de la vitesse verticale induite par la corde vortex et de la vitesse d'écoulement venant en sens inverse V

Par conséquent, en raison du biseau d'écoulement, l'angle d'attaque réel de l'aile dans chacune de ses sections différera de l'angle d'attaque géométrique ou apparent de chaque montant. Comme on le sait, la force de portance de l'aile ^ Y est toujours perpendiculaire au flux venant en sens inverse, sa direction. Par conséquent, le vecteur portance de l'aile dévie d'un angle et est perpendiculaire à la direction du flux d'air V. La force de portance ne sera pas la totalité de la force ^Y" mais sa composante Y, dirigée perpendiculairement au flux venant en sens inverse.

En raison de la petite valeur de la valeur, nous supposons qu'elle est égale à L'autre composante de la force Y" sera Cette composante est dirigée le long du flux et est appelée traînée inductive (figure ci-dessus). Pour trouver la valeur de la traînée inductive , il est nécessaire de calculer la vitesse ^ U et l'angle de biseau d'écoulement. La dépendance de l'angle de biseau d'écoulement sur l'allongement de l'aile, le coefficient de portance Su et la forme plane de l'aile est exprimée par la formule où A est un coefficient prenant en compte compte de la forme plane de l'aile.Pour les ailes d'avion, le coefficient A est égal à où eff est l'allongement de l'aile sans tenir compte de la surface du fuselage occupant une partie de l'aile ; est une valeur dépendant de la forme de l'aile par rapport à.

où Cxi est le coefficient de réactance inductive. Il est déterminé par la formule. À partir de la formule, on peut voir que Cx est directement proportionnel au coefficient de portance et inversement proportionnel au rapport d'aspect de l'aile. À un angle d'attaque de portance nulle, la traînée induite sera nulle. Aux angles d'attaque supercritiques, l'écoulement fluide autour du profil de l'aile est perturbé et, par conséquent, la formule permettant de déterminer Cx 1 n'est pas acceptable pour déterminer sa valeur. La valeur de Cx étant inversement proportionnelle à l'allongement de l'aile, les avions destinés aux vols longue distance ont donc un allongement d'aile important : = 14... 15.

QUALITÉ AÉRODYNAMIQUE D'UNE AILE La qualité aérodynamique d'une aile est le rapport de la force de portance à la force de traînée de l'aile à un angle d'attaque donné où Y est la force de portance, en kg ; Q - force de traînée, kg. En substituant les valeurs de Y et Q dans la formule, nous obtenons : Plus la qualité aérodynamique de l'aile est grande, plus elle est parfaite. La valeur de qualité des avions modernes peut atteindre 14 à 15 et celle des planeurs de 45 à 50. Cela signifie qu'une aile d'avion peut créer une force de portance qui dépasse la traînée de 14 à 15 fois, et même de 50 fois pour les planeurs.

La qualité aérodynamique est caractérisée par l'angle. L'angle entre les vecteurs de portance et les forces aérodynamiques totales est appelé angle de qualité. Plus la qualité aérodynamique est grande, plus l'angle de qualité est petit et vice versa. La qualité aérodynamique de l'aile, comme le montre la formule, dépend des mêmes facteurs que les coefficients Su et Cx, c'est-à-dire de l'angle d'attaque, de la forme du profil, de la forme du plan de l'aile, du nombre de Mach de vol et du traitement de surface. INFLUENCE SUR LA QUALITÉ AÉRODYNAMIQUE DE L'ANGLE D'ATTAQUE À mesure que l'angle d'attaque augmente jusqu'à une certaine valeur, la qualité aérodynamique augmente. A un certain angle d'attaque, la qualité atteint la valeur maximale Kmax. Cet angle est appelé l'angle d'attaque le plus favorable, naïf. À l'angle d'attaque de portance nulle, à peu près là où Su = 0, le rapport portance/traînée sera. est égal à zéro. L'influence sur la qualité aérodynamique de la forme du profil est associée à l'épaisseur relative et à la courbure du profil. Dans ce cas, la forme des contours du profil, la forme du bout et la position de l'épaisseur maximale du profil le long de la corde ont une grande influence. Pour obtenir de grandes valeurs de Kmax, l'épaisseur et la courbure optimales du le profil, la forme des contours et l'allongement de l'aile sont sélectionnés. Pour obtenir les valeurs de qualité les plus élevées, la meilleure forme d’aile est elliptique avec un bord d’attaque arrondi.

Graphique de la dépendance de la qualité aérodynamique sur l'angle d'attaque Formation de la force d'aspiration Dépendance de la qualité aérodynamique sur l'angle d'attaque et l'épaisseur du profil Evolution de la qualité aérodynamique de l'aile en fonction du nombre de Mach

WING POLAR Pour divers calculs des caractéristiques de vol des ailes, il est particulièrement important de connaître le changement simultané de Cy et Cx dans la plage des angles d'attaque de vol. A cet effet, un graphique de la dépendance du coefficient Cy sur Cx, appelé polaire, est tracé. Le nom « polaire » s'explique par le fait que cette courbe peut être considérée comme un diagramme polaire construit sur les coordonnées du coefficient de force aérodynamique totale CR et, où est l'angle d'inclinaison de la force aérodynamique totale R par rapport à la direction de la vitesse du flux venant en sens inverse (à condition que les échelles Cy et Cx soient considérées comme étant les mêmes). Principe de construction d'une aile polaire Aile polaire Si l'on trace un vecteur depuis l'origine, combiné avec le centre de pression du profil, jusqu'à n'importe quel point de la polaire, alors il représentera la diagonale d'un rectangle dont les côtés sont respectivement égal à Сy et Сх. coefficient de traînée et de portance selon les angles d'attaque - ce qu'on appelle la polarité de l'aile.

Le polaire est construit pour une aile très spécifique avec des dimensions géométriques et une forme de profil données. Sur la base de la polarité de l'aile, un certain nombre d'angles d'attaque caractéristiques peuvent être déterminés. L'angle de portance nulle o est situé à l'intersection de la polaire avec l'axe Cx. A cet angle d'attaque, le coefficient de portance est nul (Cy = 0). Pour les ailes des avions modernes, généralement o = Angle d'attaque auquel Cx a la plus petite valeur Cx. min. se trouve en traçant une tangente à la polaire parallèle à l'axe Cy. Pour les profils d'ailes modernes, cet angle varie de 0 à 1°. L’angle d’attaque le plus avantageux est le naïf. Puisqu'à l'angle d'attaque le plus favorable la qualité aérodynamique de l'aile est maximale, l'angle entre l'axe Cy et la tangente tirée de l'origine, c'est-à-dire l'angle de qualité, à cet angle d'attaque, selon la formule (2.19) , sera minime. Par conséquent, pour déterminer le naïf, vous devez tracer une tangente à la polaire à partir de l'origine. Le point de contact correspondra au naïf. Pour les ailes modernes, naïf se situe entre 4 et 6°.

Critique de l'angle d'attaque critique. Pour déterminer l'angle d'attaque critique, il est nécessaire de tracer une tangente à la polaire parallèle à l'axe Cx. Le point de contact correspondra au critique. Pour les ailes des avions modernes, crit = 16 -30°. Des angles d'attaque de même qualité aérodynamique sont trouvés en traçant une sécante de l'origine à la polaire. Aux points d'intersection on retrouvera les angles d'attaque (i) en vol, auxquels la qualité aérodynamique sera la même et nécessairement inférieure à Kmax.

POLAIRE DE L'AVION L'une des principales caractéristiques aérodynamiques de l'avion est la polaire de l'avion. Le coefficient de portance de l'aile Cy est égal au coefficient de portance de l'avion entier, et le coefficient de traînée de l'avion pour chaque angle d'attaque est supérieur au Cx de l'aile de la quantité de Cx. La polarité de l'avion sera décalée vers la droite de la polarité de l'aile du temps Cx. La polarisation de l'avion est construite à partir des données des dépendances Сy=f() et Сх=f(), obtenues expérimentalement par des modèles de soufflage en soufflerie. Les angles d'attaque sur le plan polaire de l'avion sont définis en traduisant horizontalement les angles d'attaque marqués sur le plan polaire de l'aile. La détermination des caractéristiques aérodynamiques et des angles d'attaque caractéristiques le long de la polarité de l'avion est effectuée de la même manière que pour la polarité de l'aile.

L'angle d'attaque d'un avion à portance nulle est pratiquement le même que l'angle d'attaque d'une aile à portance nulle. Étant donné que la force de portance à cet angle est nulle, à cet angle d'attaque, seul un mouvement vertical vers le bas de l'avion est possible, appelé piqué vertical, ou glissement vertical à un angle de 90°.

L'angle d'attaque auquel le coefficient de traînée a une valeur minimale est trouvé en traçant une tangente à la polaire parallèle à l'axe Cy. En volant à cet angle d’attaque, il y aura le moins de perte de traînée. A cet angle d'attaque (ou proche de celui-ci) le vol s'effectue à vitesse maximale. L'incidence la plus favorable (naïf) correspond à la valeur la plus élevée de la qualité aérodynamique de l'avion. Graphiquement, cet angle, tout comme pour l'aile, est déterminé en traçant une tangente à la polaire depuis l'origine. Le graphique montre que l'inclinaison de la tangente à la polaire de l'avion est supérieure à celle de la tangente à la polaire de l'aile. Conclusion : la qualité maximale de l'avion dans son ensemble est toujours inférieure à la qualité aérodynamique maximale d'une aile individuelle.

Le graphique montre que l'angle d'attaque le plus favorable de l'avion est 2 à 3° supérieur à l'angle d'attaque le plus favorable de l'aile. L'angle d'attaque critique d'un avion (crit) n'est pas différent en ampleur du même angle d'attaque d'une aile. Relever les volets en position de décollage (= 15 -25°) permet d'augmenter le coefficient de portance maximum Sumax avec une augmentation relativement faible du coefficient de traînée. Cela permet de réduire la vitesse de vol minimale requise, qui détermine pratiquement la vitesse de décollage de l'avion lors du décollage. En déployant les volets (ou volets) en position de décollage, la longueur de course au décollage est réduite jusqu'à 25 %.

Lorsque les volets (ou volets) sont sortis en position d'atterrissage (= 45 - 60°), le coefficient de portance maximal peut augmenter jusqu'à 80 %, ce qui réduit fortement la vitesse d'atterrissage et la longueur de course. Cependant, la traînée augmente plus rapidement que la force de portance, ce qui réduit considérablement la qualité aérodynamique. Mais cette circonstance est utilisée comme facteur opérationnel positif - la raideur de la trajectoire pendant le vol plané avant l'atterrissage augmente et, par conséquent, l'avion devient moins exigeant sur la qualité des approches vers la piste d'atterrissage. Cependant, lorsque des nombres M sont atteints pour lesquels la compressibilité ne peut plus être négligée (M > 0,6 - 0,7), les coefficients de portance et de traînée doivent être déterminés en tenant compte d'une correction de compressibilité. où Suszh est le coefficient de portance prenant en compte la compressibilité ; Suneszh est le coefficient de portance de l'écoulement incompressible pour le même angle d'attaque que Suszh.

Jusqu'aux nombres M = 0,6 -0,7, toutes les polaires coïncident pratiquement, mais aux grands nombres ^ M, elles commencent à se déplacer vers la droite et en même temps augmentent l'inclinaison vers l'axe Cx. Le déplacement des polaires vers la droite (par grand Cx) est dû à une augmentation du coefficient de traînée du profil due à l'influence de la compressibilité de l'air, et à une nouvelle augmentation du nombre (M > 0,75 - 0,8) due à l'apparition de la traînée des vagues. L'augmentation de l'inclinaison des polaires s'explique par l'augmentation du coefficient de traînée inductive, puisqu'au même angle d'attaque dans un écoulement subsonique de gaz compressible il augmentera proportionnellement.La qualité aérodynamique de l'avion à partir du moment où la compressibilité l'effet se manifeste sensiblement commence à diminuer.

Questions à réviser : Quelles expériences ont été réalisées pour montrer le rôle des forces de tension superficielle dans la respiration ? Pourquoi la synthèse constante de tensioactifs nous aide-t-elle à respirer, et que se passe-t-il lorsqu’elle s’arrête ? Pourquoi les plongeurs devraient-ils respirer de l’air comprimé sous l’eau ? Pourquoi, lors de descentes à de grandes profondeurs, les plongeurs ne peuvent pas utiliser d'air comprimé, mais doivent préparer des mélanges respiratoires spéciaux ? Qu’est-ce que le mal de décompression et comment l’éviter ?

Force de résistance au flux d'air La force de résistance est proportionnelle au nombre de molécules d'air que l'aile arrête, à leur masse et à leur vitesse F section transversale de résistance (frontale) de l'aile dans la direction du mouvement où est la densité de l'air, V est la vitesse de l'avion, et S est l'aire de son angle d'attaque de l'aile

Changement de la force de traînée dans l'élan de l'air Force de portance du flux d'air mV0mV0 mV1mV1 La force de portance est proportionnelle au nombre de molécules d'air que l'aile fait tourner, à leur masse et à leur vitesse où est la densité de l'air, V est la vitesse de l'avion et S est la superficie de son aile

Dépendance de la vitesse d'un avion sur sa masse. A puissance moteur constante, plus la masse de l'avion est grande, plus il vole lentement. A vitesse et qualités aérodynamiques constantes, c'est-à-dire C under / C resist = const, la capacité de charge est proportionnelle à la surface de l'aile

Existe-t-il un lien entre la fréquentation et les résultats scolaires ? fréquentation, % résultats des tests Comment quantifier si un changement dans deux quantités est étroitement lié ?

Présence, % de résultats de tests Comment quantifier si un changement dans deux quantités est étroitement lié ? Existe-t-il un lien entre la fréquentation et les résultats scolaires ?

Nous calculons le coefficient de corrélation (connexion), CORR, entre le rendement scolaire et l'assiduité, % des résultats des tests assiduité moyenne AB VG rendement scolaire moyen CORR(10 « B ») = 0

Niveaux I-III de l'école secondaire Skalistovskaya

Cours de physique au choix en 10e Projet de recherche sur le sujet

"Etude de la dépendance des qualités aérodynamiques d'une aile sur sa forme."

Bakhchisaraï.

Conseiller scientifique:

professeur de physique Dzhemilev Remzi Nedimovich

Travail réalisé par : Erofeev Sergey

élève de 10ème année

(École secondaire Skalistovskaya

niveaux scolaires I - III

Conseil du district de Bakhchisaray

République autonome de Crimée)

Mise à jour du sujet.

L'un des principaux problèmes de la conception de nouveaux avions est le choix de la forme optimale de l'aile et de ses paramètres (géométriques, aérodynamiques, résistance, etc.). Les concepteurs d’avions ont dû faire face à divers effets inattendus qui surviennent à grande vitesse. D’où les formes parfois inhabituelles des ailes des avions modernes. Les ailes se « replient », leur donnant l’apparence d’une flèche ; ou vice versa, les ailes prennent la forme d'un mouvement vers l'avant.

L'objet de nos recherches est la branche de la physique aérodynamique - il s'agit d'une branche de l'aéromécanique dans laquelle sont étudiées les lois du mouvement de l'air et d'autres gaz et leur interaction de force avec les corps solides en mouvement.

Le sujet de l'étude est de déterminer l'ampleur de la force de portance de l'aile à un certain

vitesse du flux d'air par rapport à l'aile. L'une des principales raisons affectant la forme de l'aile est le comportement complètement différent de l'air à grande vitesse.

L'aérodynamique est une science expérimentale. Il n'existe pas encore de formules permettant de décrire avec une précision absolue le processus d'interaction d'un corps solide avec un flux d'air entrant. Cependant, il a été remarqué que des corps ayant la même forme (avec des dimensions linéaires différentes) interagissent de la même manière avec le flux d’air. Par conséquent, dans la leçon, nous effectuerons des recherches sur les paramètres aérodynamiques de trois types d'ailes avec la même section transversale, mais des formes différentes : rectangulaires, en flèche et en flèche vers l'arrière lorsque l'air circule autour d'elles.

Les observations et expériences que nous réaliserons nous aideront à mieux comprendre certains nouveaux aspects des phénomènes physiques observés lors du vol des avions.

La pertinence de notre sujet réside dans la vulgarisation de l'aviation et de la technologie aéronautique.

Historique de l'étude.

Sentons-nous l’air qui nous entoure ? Si nous ne bougeons pas, nous ne le sentons pratiquement pas. Lorsque, par exemple, nous courons dans une voiture avec les fenêtres ouvertes, le vent qui frappe notre visage ressemble à un jet de liquide élastique. Cela signifie que l’air a une élasticité et une densité et peut créer une pression. Notre lointain ancêtre ne savait rien des expériences prouvant l'existence de la pression atmosphérique, mais il comprenait intuitivement que s'il agitait très fort ses bras, il serait capable de s'envoler depuis les airs, comme un oiseau. Le rêve de voler accompagne l’homme depuis aussi longtemps qu’il se souvienne. La célèbre légende d'Icare en parle. De nombreux inventeurs ont tenté de prendre leur essor. Dans différents pays et à différentes époques, il y a eu de nombreuses tentatives de conquête de l'élément aérien. Le grand artiste italien Léonard de Vinci a esquissé le projet d’un avion propulsé uniquement par la force musculaire humaine. Cependant, la nature n’a pas permis à l’homme de voler comme un oiseau. Mais elle l'a récompensé avec son intelligence, ce qui l'a aidé à inventer un appareil plus lourd que l'air, capable de décoller du sol et de soulever non seulement lui-même, mais aussi une personne avec des charges.

Comment a-t-il réussi à créer une telle machine ? Qu’est-ce qui maintient un avion en l’air ? La réponse est évidente : les ailes. Qu'est-ce qui retient les ailes ? L'avion se précipite, accélère et la portance se produit. À une vitesse suffisante, il soulèvera notre avion du sol et maintiendra l'avion pendant le vol.

Les premières études théoriques et résultats importants ont été réalisés au tournant des XIXe et XXe siècles par les scientifiques russes N. E. Zhukovsky et S. A. Chaplygin.

Nikolai Egorovich Zhukovsky (1847 -1921) - Scientifique russe, fondateur de l'aérodynamique moderne. Au début du siècle, il construit une soufflerie et développe la théorie d’une aile d’avion. En 1890, Joukovski publie son premier ouvrage dans le domaine de l’aviation, « Sur la théorie du vol ».

Sergei Alekseevich Chaplygin (1869 - 1942) Scientifique soviétique dans le domaine de la mécanique théorique, l'un des fondateurs de l'hydroaérodynamique moderne. Dans son ouvrage «On Gas Jets», il a présenté une théorie du vol à grande vitesse, qui a servi de base théorique à l'aviation moderne à grande vitesse.

"Une personne n'a pas d'ailes et, par rapport au poids de son corps et au poids de ses muscles, elle est 72 fois plus faible qu'un oiseau... Mais je pense qu’il volera en s’appuyant non pas sur la force de ses muscles, mais sur la force de son esprit. »

PAS. Joukovski

Bases de l'aérodynamique. Concepts de base.

Une soufflerie est une installation qui crée un flux d'air pour l'étude expérimentale du flux d'air autour des corps.

Les expériences en soufflerie sont réalisées sur la base du principe de réversibilité du mouvement - le mouvement d'un corps dans l'air peut être remplacé

mouvement du gaz par rapport à un corps immobile.

Une aile d’avion est la partie la plus importante d’un avion, la source de portance qui fait voler l’avion. Différents avions ont des ailes différentes, qui diffèrent par leur taille, leur forme et leur position par rapport au fuselage.

L'envergure est la distance entre les extrémités de l'aile en ligne droite.

Zone de l'aile S – c'est la zone limitée par les contours de l'aile. L'aire d'une aile en flèche est calculée comme l'aire de deux trapèzes.

S = 2 = bavɭ [ m2 ] (1)

La force aérodynamique totale est la force R avec laquelle le véhicule venant en sens inverse

le flux d'air agit sur un corps solide. En décomposant cette force en composantes verticales Fy et horizontales Fx (Fig. 1), nous obtenons respectivement la force de portance de l'aile et sa force de traînée.

Description de l'expérience.

Pour augmenter la clarté des démonstrations et de l'analyse quantitative des expériences, nous utiliserons un appareil de mesure - déterminant la valeur numérique de la force de portance de l'aile. L'appareil de mesure est constitué d'un cadre métallique sur lequel est monté un pointeur avec un levier à bras inégal. En dirigeant le flux d'air vers le modèle d'aile, l'équilibre du levier est perturbé et la flèche se déplace le long de l'échelle indiquant l'angle de déviation de l'aile par rapport à l'horizontale.

Les modèles d'ailes sont en mousse plastique mesurant 140 ͯ 50 mm. Les ailes des avions modernes peuvent être de forme rectangulaire, en flèche ou en flèche vers l'avant.

Le modèle de mesure de l'ampleur de la portance de l'aile comprend les blocs principaux suivants (Fig. 4.) :

Soufflerie;

Appareil de mesure;

Une plateforme fixe sur laquelle sont fixés les appareils ci-dessus.

Mener une expérience.

Le modèle fonctionne comme suit :

Pour l'expérience, le modèle d'aile est fixé au levier et installé à une distance de 20-25 cm de la soufflerie. Dirigez le flux d'air sur le modèle d'aile et observez comment il monte. Changer la forme de l'aile. Nous rééquilibrons le levier pour que le modèle reprenne sa position d'origine et déterminons l'ampleur de la force de levage à la même vitesse du flux d'air.

Si vous installez la plaque le long du flux (angle d'attaque nul), alors le flux sera symétrique. Dans ce cas, le flux d'air n'est pas dévié par le plateau et la force de portance Y est nulle. La résistance X est minime, mais pas nulle. Il sera créé par les forces de frottement des molécules d’air sur la surface de la plaque. La force aérodynamique totale R est minime et coïncide avec la force de traînée X.

À mesure que l’angle d’attaque augmente progressivement et que la pente d’écoulement augmente, la force de portance augmente. Évidemment, la résistance grandit également. Il convient de noter ici qu'aux angles d'attaque faibles, la portance augmente beaucoup plus rapidement que la traînée.

Aile rectangulaire.

• Masse de l'aile m ≈ 0,01 kg ;
• angle de déflexion de l'aile α = 130, g ≈ 9,8 N/kg.

Zone de l'aile S= 0,1 0,027 = 0,0027 m2

Portance de l'aile Rу = = 0,438 N

Faites glisser Rх = = 0,101 N

К = Fu/Fх =0,438/0,101 = 4,34

Plus la qualité aérodynamique de l’aile est grande, plus elle est parfaite.

• À mesure que l’angle d’attaque augmente, il devient de plus en plus difficile pour le flux d’air de circuler autour de la plaque. Bien que la portance continue d’augmenter, elle est plus lente qu’auparavant. Mais la traînée augmente de plus en plus vite, dépassant progressivement la croissance de la portance. En conséquence, la force aérodynamique totale R commence à dévier vers l’arrière. La situation change radicalement.

Les courants d'air ne peuvent pas circuler en douceur autour de la surface supérieure de la plaque. Un puissant vortex se forme derrière l’assiette. La portance diminue brusquement et la traînée augmente. Ce phénomène en aérodynamique est appelé FLOW START. Une aile « arrachée » cesse d'être une aile. Il arrête de voler et commence à tomber.

D'après notre expérience, même à un angle de déflexion de l'aile α = 600 ou plus, l'aile décroche ; elle ne vole pas, g ≈9,8 N/kg

Portance de l'aile Ry = = 0,113 N

Faites glisser Rх = = 0,196 N

Qualité aérodynamique de l'aile K = 0,113/0,196 = 0,58

Aile balayée.

Masse de l'aile m ≈ 0,01 kg ;

angle de déflexion de l'aile α = 200, g ≈ 9,8 N/kg

Zone de l'aile S= 0,028 m2

Portance de l'aile Rу = = 0,287 N

Faites glisser R x = = 0,104 N

Qualité aérodynamique de l'aile

К = Fu/Fх = 0,287/0,104 = 2,76

Aile en flèche vers l'avant.

Masse de l'aile m ≈ 0,01 kg ;

angle de déflexion de l'aile α = 150, g ≈ 9,8 N/kg

Zone de l'aile S= 0,00265 m2

Portance de l'aile Rу = = 0,380 N

Faites glisser Rх = =0,102 N

Qualité aérodynamique de l'aile

К = Fu/Fх = 0,171/0,119 = 3,73

Analyse de l'expérience

En analysant l'expérience et les résultats obtenus, nous sommes partis de la thèse selon laquelle plus la qualité aérodynamique de l'aile est grande, meilleure elle est.

Dans le premier cas de notre expérience, les meilleures ailes se sont avérées être une aile rectangulaire et une aile en flèche vers l'avant. Le principal avantage d'une aile droite est son coefficient de portance élevé K = 4,34. Pour une aile en flèche, le coefficient de portance est égal à K = 2,76 et, par conséquent, l'aile en flèche vers l'avant a un coefficient de portance égal à K = 3,73. Par conséquent, il s’est avéré que la meilleure aile s’est avérée être une aile rectangulaire et une aile en flèche vers l’avant.

Nous avons répété notre expérience avec une force d'écoulement d'air plus élevée : dans le même temps, les qualités aérodynamiques de l'aile droite et de l'aile en flèche vers l'avant ont diminué assez fortement jusqu'à K = 2,76 et K = 1,48, mais la qualité aérodynamique de l'aile en flèche a changé légèrement K = 2,25.

En analysant les résultats obtenus pour une aile en flèche, nous avons remarqué qu'avec une augmentation de la vitesse du flux d'air, la traînée de l'aile augmente assez lentement, tout en maintenant le coefficient de portance quasiment inchangé.

Dans ce travail, nous avons étudié la dépendance de la force de portance d'une aile uniquement par rapport à sa forme en plan. En vol réel, la force de portance d'une aile dépend de sa surface, de son profil, ainsi que de l'angle d'attaque, de la vitesse et de la densité du flux, ainsi que d'un certain nombre d'autres facteurs.

Pour que l’expérience soit propre, les conditions suivantes doivent être respectées :

• le débit d'air était maintenu constant ;
• L'axe de l'aile et l'axe de la soufflerie coïncidaient.
• la distance entre l'extrémité du tuyau et l'endroit où est fixée l'aile était toujours la même ;

• P.S. Kudryavtsev. ET MOI. Confédérés. Histoire de la physique et de la technologie. Manuel pour les étudiants des instituts pédagogiques. Maison d'édition éducative et pédagogique d'État du ministère de l'Éducation de la RSFSR. Moscou 1960
• La physique. J'explore le monde. Encyclopédie pour enfants. Moscou. AST. 2000
• V.B. Baydakov, A.S. Klumov. Aérodynamique et dynamique de vol des avions. Moscou. "Génie Mécanique", 1979
• Grande Encyclopédie soviétique. 13. Troisième édition. Moscou, « Encyclopédie soviétique », 1978.

Considérons maintenant le flux d'air autour d'une aile d'avion. L'expérience montre que lorsqu'une aile est placée dans un flux d'air, des tourbillons apparaissent près du bord de fuite aigu de l'aile, tournant dans le cas représenté sur la Fig. 345, dans le sens antihoraire. Ces tourbillons grandissent, se détachent de l'aile et sont emportés par le courant. Le reste de la masse d'air près de l'aile reçoit la rotation opposée (dans le sens des aiguilles d'une montre), formant une circulation autour de l'aile (Fig. 346). Superposée au flux général, la circulation provoque la répartition des lignes de courant représentées sur la Fig. 347.

Riz. 345. Un vortex se forme au bord tranchant du profil de l'aile

Riz. 346. Lorsqu'un vortex se forme, la circulation de l'air se produit autour de l'aile

Riz. 347. Le vortex est emporté par l'écoulement, et les lignes aérodynamiques s'écoulent doucement autour du profil ; ils sont condensés au-dessus de l'aile et clairsemés sous l'aile

Nous avons obtenu le même schéma d'écoulement pour le profil de l'aile que pour le cylindre rotatif. Et ici, le flux d'air général se superpose à la rotation autour de l'aile - circulation. Seulement, contrairement à un cylindre en rotation, la circulation ne se produit pas ici en raison de la rotation du corps, mais en raison de l'émergence de tourbillons à proximité du bord tranchant de l'aile. La circulation accélère le mouvement de l’air au-dessus de l’aile et le ralentit en dessous de l’aile. En conséquence, la pression au-dessus de l’aile diminue et en dessous de l’aile, elle augmente. La résultante de toutes les forces agissant du flux sur l'aile (y compris les forces de friction) est dirigée vers le haut et légèrement déviée vers l'arrière (Fig. 341). Sa composante perpendiculaire à l'écoulement est la force de portance et la composante dans la direction de l'écoulement est la force de traînée. Plus la vitesse du flux venant en sens inverse est grande, plus les forces de portance et de traînée sont importantes. Ces forces dépendent en outre de la forme du profil de l'aile et de l'angle avec lequel le flux s'approche de l'aile (angle d'attaque), ainsi que de la densité du flux venant en sens inverse : plus la densité est grande, plus ces forces. Le profil de l'aile est choisi de manière à offrir la plus grande portance possible avec la plus faible traînée possible. La théorie de l'émergence de la force de portance d'une aile lorsque l'air circule autour d'elle a été donnée par le fondateur de la théorie de l'aviation, fondateur de l'école russe d'aérodynamique et d'hydrodynamique, Nikolai Egorovich Zhukovsky (1847-1921).

Nous pouvons maintenant expliquer comment vole un avion. L'hélice de l'avion, entraînée en rotation par le moteur, ou la réaction du moteur à réaction, confère à l'avion une vitesse telle que la force de portance de l'aile atteint et dépasse même le poids de l'avion. Puis l'avion décolle. En vol rectiligne uniforme, la somme de toutes les forces agissant sur l'avion est nulle, comme cela devrait être le cas selon la première loi de Newton. En figue. 348 montre les forces agissant sur un avion lors d'un vol horizontal à vitesse constante. La force de poussée du moteur est égale en ampleur et en direction opposée à la force de traînée de l'air pour l'ensemble de l'avion, et la force de gravité est égale en ampleur et en direction opposée à la force de portance.

Riz. 348. Forces agissant sur un avion lors d'un vol horizontal uniforme

Les avions conçus pour voler à des vitesses différentes ont des ailes de tailles différentes. Les avions de transport volant lentement doivent avoir une grande surface d'aile, car à basse vitesse, la portance par unité de surface d'aile est faible. Les avions à grande vitesse reçoivent également une portance suffisante grâce à leurs ailes de petite surface. Étant donné que la portance d'une aile diminue avec la diminution de la densité de l'air, pour voler à haute altitude, l'avion doit se déplacer à une vitesse plus élevée que près du sol.

La portance se produit également lorsque l'aile se déplace dans l'eau. Cela permet de construire des navires qui se déplacent sur des hydroptères. La coque de ces navires quitte l'eau pendant le mouvement (Fig. 349). Cela réduit la résistance de l'eau au mouvement du navire et vous permet d'atteindre une vitesse élevée. Étant donné que la densité de l'eau est plusieurs fois supérieure à la densité de l'air, il est possible d'obtenir une force de levage suffisante d'un hydroptère avec une surface relativement petite et une vitesse modérée.

Riz. 349. Hydroptère

Le but d'une hélice d'avion est de donner à l'avion une vitesse élevée, à laquelle l'aile crée une force de portance qui équilibre le poids de l'avion. A cet effet, l'hélice de l'avion est fixée sur un axe horizontal. Il existe un type d’avion plus lourd que l’air qui ne nécessite pas d’ailes. Ce sont des hélicoptères (Fig. 350).

Riz. 350. Schéma de l'hélicoptère

Dans les hélicoptères, l'axe de l'hélice est situé verticalement et l'hélice crée une poussée vers le haut, qui équilibre le poids de l'hélicoptère, remplaçant la portance de l'aile. Un rotor d'hélicoptère produit une poussée verticale, que l'hélicoptère soit en mouvement ou non. Par conséquent, lorsque les hélices fonctionnent, l’hélicoptère peut rester immobile dans les airs ou s’élever verticalement. Pour déplacer un hélicoptère horizontalement, il faut créer une poussée dirigée horizontalement. Pour ce faire, vous n'avez pas besoin d'installer une hélice spéciale avec un axe horizontal, mais simplement de modifier légèrement l'inclinaison des pales de l'hélice verticale, ce qui se fait à l'aide d'un mécanisme spécial dans le moyeu de l'hélice.

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