grand oral physique et les ailes d'avion

« GRAND ORAL SUJET 1 : “Existe-t-il une aile d’avion idéale et universelle ?” (Physique) L'aviation est l'art de voler, domaine fascinant qui a révolutionné le monde avec une combinaison de technologie, de sciences aéronautiques. Depuis les premiers avions construits par les frères Wright en 1903, les défis et les réalisations des pionniers de l'aviation continuent à innover et à inspirer.

L’aéronautique est une science qui évolue constamment pour répondre à des besoins toujours plus complexes et variés. Lorsqu’on aborde le sujet des ailes d’avion, une question se pose : existet-il une aile d’avion universelle ? Par cette question, j’entends une aile qui serait efficace pour tous les types d’avions, peu importe leur usage ou leurs caractéristiques.

Pour y répondre, nous allons comprendre quelles sont les forces qui agissent sur un avion en vol puis nous allons examiner le fonctionnement de base d’une aile d’avion et explorer différents profils d’ailes.

Cela nous permettra de déterminer si une aile unique peut satisfaire tous les besoins. Pour commencer, il est crucial de comprendre les quatre forces principales qui agissent sur un avion en vol :  Le poids : C'est la force exercée sur l’avion par la gravité.

Elle est proportionnelle à la masse de l’avion (son expression est donnée par P=m.g) et est orientée verticalement vers le centre de la terre  La portance : Cette force s’oppose au poids, c’est une force ascendante exercée par l’air qui se déplace sur une aile.  La poussée : Générée par les moteurs de l’avion, elle permet de propulser l’avion vers l’avant.

En tournant, l’hélice attire l’air lent vers elle et pousse l’air rapide derrière elle.

Cela génère une force directement derrière l’hélice : l'action, et une force qui pousse l’avion vers l’avant : la réaction.  La traînée : C'est la résistance de l'air qui s'oppose à la poussée et ralentit l’avion.

En effet, l’air peut résister, ou freiner un mouvement qui le traverse.

Plus la vitesse est grande, plus la résistance est grande.

Cela ressemble au comportement de l’eau lorsqu'on essaie de marcher ou de nager à travers elle.

Il en va de même pour les avions. Ensuite, il est important de comprendre comment une aile permet à l’avion de générer une force de portance capable de le faire voler.

L'aile est conçue pour créer une différence de pression entre l'extrados (partie supérieure de l’aile) et l'intrados (partie inférieure, face au sol).

Pour l’expliquer, je dois faire une approximation sur le fluide de l’air que je considère ici comme un fluide incompressible.

Je peux donc utiliser les principes de Bernoulli et plus particulièrement l’effet venturi.

En effet, lorsque que le flux d’air rencontre le bord d’attaque de l’aile, il est séparé en deux.

Une partie s’écoule tout au long de l’intrados et l’autre le long de l’extrados par effet Coandă.

Or, la distance que parcourt l’air sur une même durée est plus importante au-dessus de l’avion qu’en dessous et par conséquent, le flux d’air se déplace plus rapidement sur l’extrados que sur l’intrados.

L’air est donc accéléré du côté de l’extrados par effet venturi, et on sait grâce à la relation de Bernoulli que l’accélération d’un fluide entraîne une dépression.

Il y a alors une différence de pression qui s’installe autour de l’aile.

La dépression au-dessus couplée à la surpression au-dessous de l’aile explique que l’aile est tirée vers le haut et l’avion tout entier avec elle. Ce phénomène se modélise grâce à une formule, trouvable grâce à la relation de Bernoulli où la portance est 1/2.⍴.𝑠.𝑣².𝐶𝑧 avec ⍴ la masse volumique de l’air, s la surface de l’aile, v² la vitesse au carré et Cz le coefficient de portance modifiable selon l’angle d'attaque de l’aile ou la forme de l’aile, Cz est une sorte de fonction propre à chaque aile. Pour comprendre cette formule, nous pouvons réaliser quelques expériences simples.

Par exemple, lorsque vous sortez votre main par la fenêtre d’une voiture en mouvement, vous sentez une force qui la pousse vers le haut.

Cette force augmente avec la vitesse, ce qui montre l'influence de 𝑣² dans la formule de portance. De même, si votre main était plus grande (c’est-à-dire si la surface 𝑠 était plus grande), elle serait plus fortement poussée vers le haut.

L’angle d’attaque joue également un rôle crucial : en inclinant davantage votre main, vous ressentez une portance plus forte, jusqu’à un certain point où la traînée augmente considérablement et la portance diminue. Il existe de nombreux profils d’ailes, chacun étant conçu pour répondre à des besoins spécifiques.

Examinons quelques exemples typiques : 1.

Avions de Voltige Les avions de voltige ont des profils d’aile symétriques par rapport à l’axe de la corde.

Cela signifie que l’extrados et l’intrados.... »