Comment fonctionnent les avions, la science du vol - Expliquez que Stuff
W e prendre pour acquis que ce que nous pouvons voler d'un bout du monde à l'autre en quelques heures, mais il y a un siècle, cette étonnante capacité à courir dans l'air venait d'être découvert. Quels seraient les frères Wright pionniers du vol font alimenté d'un âge où quelque chose comme 100.000 avions prendre le ciel chaque jour aux États-Unis seulement? Ils seraient surpris, bien sûr, et ravi aussi. Merci à leurs expériences réussies avec le vol propulsé, l'avion est à juste titre reconnu comme l'un des plus grandes inventions de tous les temps. Jetons un coup d'oeil de plus près comment ça marche!
Photo: Vous avez besoin de grandes ailes pour soulever un gros avion comme cette US Air Force C-17 Globemaster. Les ailes sont 51.75m (169ft) de large qui est juste la longueur légèrement inférieure du corps du plan de 53m (174ft). La masse maximale au décollage est 265,352kg (585,000lb), à peu près autant que 40 éléphants adultes! Photo courtoisie Jeremy Lock, de l'US Air Force.
Comment piloter des avions?
Si vous avez déjà regardé un avion à réaction au décollage ou à venir pour la terre, la première chose que vous aurez remarqué le bruit des moteurs. Les moteurs à réaction. qui sont de longs tubes métalliques brûlant une course continue du carburant et de l'air, sont loin plus bruyants (et beaucoup plus puissant) que les moteurs à hélice traditionnels. Vous pourriez penser que les moteurs sont la clé pour faire un avion voler, mais vous auriez tort. Les choses peuvent voler très heureusement sans moteurs, comme planeurs (avions sans moteurs), des avions de papier, et même les oiseaux de vol à voile nous montrer facilement.
Photo: Quatre forces agissent sur un avion en vol. Lorsque l'avion vole horizontalement à une vitesse constante, lever des ailes compense exactement le poids de l'avion et la poussée compense exactement la traînée. Cependant, lors du décollage, ou lorsque l'avion tente de monter dans le ciel (comme indiqué ici), la poussée des moteurs poussant l'avion dépasse en avant la traînée (résistance à l'air) en le tirant en arrière. Cela crée une force de portance, plus grande que le poids de l'avion, qui alimente le plan plus haut dans le ciel. Photo par Nathanael Callon avec la permission de l'US Air Force.
Si vous essayez de comprendre comment les avions volent, vous devez être clair sur la différence entre les moteurs et les ailes et les différents emplois qu'ils font. Les moteurs d'un avion sont conçus pour se déplacer vers l'avant à grande vitesse. Cela rend le flux d'air rapidement sur les ailes, qui jettent l'air vers le sol, générant une force ascendante appelée ascenseur qui permet de surmonter le poids de l'avion et qu'elle détient dans le ciel. Ce sont donc les moteurs qui se déplacent d'un plan avant. tandis que les ailes se déplacent vers le haut.
Comment les ailes font ascenseur?
En une phrase, les ailes font ascenseur en changeant la direction et de la pression de l'air qui se bloque en eux comme les moteurs les tirer à travers le ciel.
Les différences de pression
D'accord, donc les ailes sont la clé pour faire quelque chose de voler, mais comment fonctionnent-ils? La plupart des ailes d'avion ont une surface supérieure incurvée et une surface inférieure plate, faisant une forme de section transversale appelée une aile (ou aerofoil, si vous êtes britannique):
Dans beaucoup de livres scientifiques et des pages web, vous allez lire une explication erronée de la façon dont un profil aérodynamique comme celui-ci génère de la portance. Il va comme ceci: Lorsque l'air se précipite sur la surface supérieure de l'aile courbe, il doit se déplacer plus loin que l'air qui passe au-dessous, il doit aller plus vite (pour couvrir plus de distance dans le même temps). Selon un principe de l'aérodynamique appelé la loi de Bernoulli, l'air en mouvement rapide est à une pression inférieure à l'air lent, de sorte que la pression au-dessus de l'aile est inférieure à la pression ci-dessous, et cela crée l'ascenseur qui alimente l'avion vers le haut.
Bien que cette explication de la façon dont fonctionnent les ailes est largement répété, il est faux: il donne la bonne réponse, mais pour les mauvaises raisons complètement! Pensez-y un instant et vous verrez que si cela était vrai, des avions acrobatiques ne pouvaient pas voler à l'envers. En feuilletant un avion au-dessus produirait « downlift » et l'envoyer s'écraser au sol. Non seulement cela, mais il est parfaitement possible de concevoir des avions avec gouvernes symétriques (en regardant vers le bas l'aile) et ils produisent encore un ascenseur. Par exemple, des avions en papier (et ceux fabriqués à partir de bois mince balsa) génèrent ascenseur, même si elles ont des ailes plates.
« L'explication populaire de levée est commune, rapide, semble logique et donne la bonne réponse, mais introduit également des idées fausses, utilise un argument physique absurde et invoque trompeusement l'équation de Bernoulli. »
Professeur Holger Babinsky, Université de Cambridge
Mais l'explication standard de la portance est problématique pour une autre raison importante ainsi: le tir de l'air sur l'aile ne doit pas rester en phase avec l'air d'aller en dessous, et rien ne dit qu'il doit parcourir une plus grande distance dans le même temps . Imaginez deux molécules d'air arrivant à l'avant de l'aile et de séparation, donc on tire au-dessus du haut et les autres sifflets directement sous le fond. Il n'y a aucune raison pour laquelle ces deux molécules doivent arriver exactement en même temps à l'extrémité arrière de l'aile: ils pourraient se retrouver avec d'autres molécules d'air au lieu. Cette faille dans l'explication standard d'une aile va par le nom technique de la « théorie de transit égale. » C'est juste un nom de fantaisie pour la (mauvaise) idée que le flux d'air se démonte à l'avant de l'aile et se réunit une manière ordonnée à nouveau à l'arrière.
Alors, quelle est la véritable explication? Comme une aile de surface portante incurvée vole à travers le ciel, il dévie l'air et modifie la pression de l'air au-dessus et au-dessous. C'est intuitivement évident. Pensez comment il se sent quand vous marchez lentement à travers une piscine et sentir la force de l'eau poussant contre votre corps: votre corps est réoriente les flux d'eau car il pousse à travers, et une aile aérodynamique fait la même chose (beaucoup plus spectaculaire -Parce c'est ce qu'il est conçu pour faire). Comme un avion vole vers l'avant, la partie supérieure incurvée de l'aile diminue la pression de l'air directement au-dessus, de sorte qu'il se déplace vers le haut.
Comment les ailes portantes génèrent ascenseur n ° 1: Un profil aérodynamique se sépare à part l'air entrant, abaisse la pression du courant d'air supérieur, et accélère vers le bas les deux courants d'air. Comme l'air accélère vers le bas, le côté (et l'avion) se déplacent vers le haut. Plus un profil aérodynamique dévie le trajet de l'air venant en sens inverse, plus mécaniques qu'il génère.
Si vous avez déjà un hélicoptère était près. vous saurez exactement comment il reste dans le ciel: il crée un énorme « rabattement » (projet de déplacement vers le bas) d'air qui équilibre son poids. rotors d'hélicoptères sont très similaires à gouvernes d'avion, mais tournent en cercle au lieu d'avancer en ligne droite, comme ceux sur un avion. Cependant, les avions créent rabattant exactement de la même façon que les hélicoptères, il est juste que nous ne remarquons pas. Le rabattement est pas si évident, mais il est tout aussi important que c'est avec un hachoir.
Comment les ailes portantes génèrent ascenseur # 2: La forme incurvée d'une aile crée une zone de basse pression au-dessus de lui (rouge), ce qui génère de la portance. La basse pression permet d'accélérer l'air sur l'aile, et la forme incurvée de l'aile (et la pression d'air plus élevée, bien au-dessus du courant d'air modifié) force l'air dans un rabattement puissant, poussant également le plan vers le haut. Cette animation montre comment les différents angles d'attaque (l'angle entre l'aile et l'air entrant) changer la zone de basse pression au-dessus d'une aile et l'ascenseur, il fait. Quand une aile est plat, sa surface supérieure incurvée crée une zone de basse pression modeste et une petite quantité de levée (rouge). Lorsque l'angle d'attaque augmente, la portance augmente considérablement trop jusqu'à un certain point, lorsque de plus en plus fait glisser le décrochage de l'avion (voir ci-dessous). Si nous inclinons l'aile vers le bas, nous produisons plus basse pression en dessous, ce qui rend la chute d'avion. Sur la base Aérodynamique. un domaine public film de formation Département de la Guerre de 1941.
Vous pourriez vous demander pourquoi l'air circule derrière une aile du tout. Pourquoi, par exemple, ne pas frapper le devant de l'aile, courbe sur le dessus, puis continuez horizontalement? Pourquoi est-il un rabattant plutôt que simplement une horizontale « contre-courant »? Pensez à notre discussion précédente de la pression: une aile abaisse la pression d'air immédiatement au-dessus. Plus haut, bien au-dessus de l'avion, l'air est encore à sa pression normale, ce qui est plus élevé que l'air juste au-dessus de l'aile. Ainsi, l'air à pression normale bien au-dessus de l'aile pousse vers le bas sur l'air basse pression immédiatement au-dessus, efficacement « gicler » air vers le bas et derrière l'aile dans un contre-courant. En d'autres termes, la différence de pression qu'une aile crée et le rabattement de l'air derrière ne sont pas deux choses distinctes mais tous partie intégrante du même effet: une aile d'aile inclinée crée une différence de pression qui fait rabattant, et ce produit ascenseur.
Combien ascenseur pouvez-vous faire?
En général, l'air circulant sur le haut et le bas d'une aile suit la courbe des surfaces des ailes très étroitement tout comme vous pouvez le suivre si vous tracez le contour avec un stylo. Mais comme l'angle d'attaque augmente, le flux d'air lisse derrière l'aile commence à se décomposer et devenir plus turbulente et qui réduit l'ascenseur. A un certain angle (généralement ronde environ 15 °, bien qu'elle varie), l'air ne coule plus facilement autour de l'aile. Il y a une grande augmentation de la traînée, une grande réduction de la portance et l'avion est dit avoir au point mort. C'est un terme un peu déroutant parce que les moteurs continuent à fonctionner et le plan continue de voler; décrochage signifie simplement une perte de portance.
Photo: Comment un avion stands: Voici un profil d'aile dans un tunnel de vent face à l'air venant en sens inverse à un angle d'attaque raide. Vous pouvez voir les lignes d'air enfumé approche de la droite et déviant autour de l'aile qui se déplacent vers la gauche. Normalement, les lignes de flux d'air suivraient la forme (profil) de l'aile de très près. Ici, en raison de l'angle d'attaque abrupt, le débit d'air est séparé derrière l'aile et de la turbulence et la traînée ont augmenté de manière significative. Un avion volant comme celui-ci connaîtrait une perte soudaine de portance, que nous appelons « décrochage ». Photo gracieuseté du Centre de recherche Langley de la NASA.
Sans surprise, plus les ailes, plus ils créent un ascenseur: doubler la surface d'une aile (qui est la zone plate que vous voyez regardant vers le bas en haut) double à la fois l'ascenseur et faites-le glisser fait. C'est pourquoi les avions gigantesques (comme le C-17 Globemaster dans notre photo du haut) ont des ailes gigantesques. Mais de petites ailes peuvent aussi produire beaucoup d'ascenseur si elles se déplacent assez vite. Pour produire de la portance au moment du décollage, les avions ont des rabats sur leurs ailes, ils peuvent étendre à pousser plus d'air vers le bas. Portance et la traînée varient avec le carré de la vitesse, de sorte que si un avion va deux fois plus vite, par rapport à l'air venant en sens inverse, ses ailes produisent quatre fois plus levage (et glisser). Les hélicoptères produisent une grande quantité de levage en faisant tourner les pales de rotor (ailes essentiellement minces qui tournent dans un cercle) très rapidement.
Wing tourbillons
Maintenant, un avion ne jette pas l'air derrière d'une manière tout à fait propre. (Vous pouvez imaginer, par exemple, quelqu'un pousser une grande caisse de l'air hors de la porte arrière d'un transporteur militaire il tombe directement vers le bas. Mais il ne fonctionne pas tout à fait comme ça!) Chaque aile aérienne envoie effectivement vers le bas en faisant un vortex tournant (une sorte de mini-tornade) immédiatement derrière. Il est un peu comme quand vous êtes debout sur une plate-forme à une gare et un train à grande vitesse se précipite sans s'arrêter, laissant ce qui ressemble à un énorme vide de succion dans son sillage. Avec un avion, le tourbillon est tout à fait une forme complexe et la plus grande partie se déplace vers le bas, mais pas tous. Il y a un énorme projet d'air en mouvement dans le centre, mais un peu d'air vers le haut tourbillonne en fait part et d'autre de l'extrémité des ailes, réduisant la portance.
Comment les avions orienter?
Qu'est-ce que la direction?
Directeur quoi que ce soit à partir d'une planche à roulettes ou un vélo pour une voiture ou un jet-jumbo signifie que vous changez la direction dans laquelle il est en voyage. En termes scientifiques, signifie la direction de Voyage de changer quelque chose que vous changez sa vitesse. qui est la vitesse qu'il a dans une direction particulière. Même si elle va à la même vitesse, si vous changez la direction de Voyage, vous changez la vitesse. Modification de la vitesse de quelque chose (y compris sa direction de Voyage) signifie que vous accélérez le. Encore une fois, il n'a pas d'importance si la vitesse reste la même: un changement de direction signifie toujours un changement de vitesse et une accélération. Les lois du mouvement de Newton nous disent que vous ne pouvez accélérer quelque chose (changer sa vitesse ou la direction de Voyage) en utilisant une force autrement dit, en poussant ou en le tirant en quelque sorte. Pour couper une longue histoire courte, si vous voulez orienter quelque chose que vous devez appliquer une force à elle.
Photo: direction d'un plan par la banque à un angle raide. Photo de Ben Bloker avec la permission de l'US Air Force.
Directeur en théorie
Oeuvre: Lorsqu'un banques d'avion, la portance générée par ses ailes incline sous un angle. La plupart de l'ascenseur vers le haut agit toujours, mais certains penche d'un côté, fournissant la force centripète qui fait le tour de braquage de l'avion dans un cercle. Plus l'angle de la banque, plus l'ascenseur est incliné vers le côté, moins il y a force vers le haut pour équilibrer le poids, et plus la perte d'altitude (à moins que le pilote compense).
Directeur dans la pratique
Il y a un contrôle de direction dans le cockpit, mais c'est la seule chose qu'un avion a en commun avec une voiture. Comment orientez-vous quelque chose qui vole dans l'air à grande vitesse? Simple! Vous faites le flux d'air d'une manière différente devant les ailes de chaque côté. Les avions sont déplacés vers le haut et vers le bas, dirigées de gauche à droite, et mis à l'arrêt par un ensemble complexe de volets mobiles appelées surfaces de contrôle sur les bords d'attaque et de fuite des ailes et de la queue. Ceux-ci sont appelés, les ascenseurs, les ailerons, spoilers safrans et des freins à air. Maintenant voler un avion est très complexe et je ne suis pas à écrire le manuel d'un pilote ici: c'est juste une introduction très basique à la science des forces et le mouvement qu'ils appliquent aux avions. Pour un simple aperçu de tous les différents contrôles d'avion et comment ils fonctionnent, jetez un oeil à l'article de Wikipédia sur les surfaces de contrôle. introduction de base de la NASA pour vol a un bon dessin des commandes de cockpit d'avion et comment les utiliser pour piloter un avion. Vous trouverez beaucoup plus de détails dans le Guide officiel de la connaissance aéronautique de la FAA Pilot (chapitre 6 couvre les commandes de vol).
Une façon de comprendre les surfaces de contrôle est de vous construire un avion en papier et expérience. Tout d'abord, vous construire un avion de papier de base et assurez-vous qu'il vole en ligne droite. Ensuite, couper ou déchirer le dos des ailes pour faire des ailerons. les incliner vers le haut et vers le bas et voir quel effet ils ont dans différentes positions. Inclinez un et un vers le bas et voir quelle différence cela fait. essayez de construire un nouvel avion avec une aile plus grande que l'autre (ou plus lourds, en ajoutant paperclips). La façon de faire un avion en papier steer est d'obtenir une aile pour générer plus de portance que l'autre et vous pouvez le faire dans toutes sortes de façons différentes!
Plus de parties d'un avion
Voici quelques autres éléments clés des plans:
- Réservoir d'essence. Vous avez besoin de carburant pour alimenter un avion beaucoup. Un Airbus A380 détient plus de 310 000 litres (82.000 gallons) de carburant, qui est d'environ 25 000 fois plus que d'une voiture typique! en toute sécurité à l'intérieur des ailes énormes emballés de l'avion de carburant.
- Train d'atterrissage. Les avions décollent et atterrissent sur des roues robustes et pneus, qui sont rétractés rapidement dans le train d'atterrissage (le bas de caisse de l'avion) par des vérins hydrauliques pour réduire la traînée (résistance à l'air) quand ils sont dans le ciel.
- Radio et radar. Les frères Wright ont dû voler leur avion pionnier Kitty Hawk entièrement par la vue. Cela n'a pas d'importance parce qu'il a volé près du sol, est resté en l'air pendant 12 secondes, et il n'y avait pas d'autres avions à se soucier! Ces jours-ci, le ciel sont emballés avec des avions qui volent par jour, la nuit, et dans toutes sortes de conditions météorologiques. Radio. radar. et les systèmes de satellites sont essentiels pour la navigation.
- Les cabines pressurisées. La pression d'air diminue avec hauteur au-dessus de la surface de la Terre qui est pourquoi ont besoin d'utiliser les alpinistes bouteilles d'oxygène pour atteindre des hauteurs extrêmes. Le sommet du mont Everest est un peu moins de 9km (5,5 miles) au-dessus du niveau de la mer, mais les avions à réaction voler régulièrement à des altitudes plus élevées que cela et avions militaires ont volé près de trois fois plus! Voilà pourquoi les avions de passagers ont des cabines pressurisées: les dans lequel l'air chauffé est régulièrement pompée afin que les gens peuvent respirer correctement. Les pilotes militaires évitent le problème en portant des masques et des costumes du corps sous pression.
Remerciements
Je suis très reconnaissant à Steve Noskowicz pour une aide précieuse dans le raffinage et l'amélioration de mon explication de la façon dont les ailes génèrent un ascenseur.