HENNION BEERNAERT MORONVAL. L aéronautique. Comment calculer et déterminer la vitesse en vol d un avion?

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1 HENNION BEERNAERT MORONVAL 1S1 L aéronautique Comment calculer et déterminer la vitesse en vol d un avion?

2 I II Sommaire Vue d ensemble de l avion Les principaux éléments de l avion Les trois axes Instrument de mesures Les instruments principaux L anémomètre III Un peu d histoire Henri Pitot Ludwig Prandtl IV Tube de Pitot La pression Les formules Risques et solutions V Théorème de Bernoulli VI Production VII Conclusion 2

3 1) Vue d ensemble de l avion Les éléments principaux de l avion sont le nez endroit où se trouvent le pilote et le copilote, le turboréacteur qui sert à avancer, les ailes qui servent à planer, le stabilisateur qui sert à stabiliser l avion et la gouverne de direction qui elle sert à modifier le lacet de l avion. L avion possède trois principaux axes qui sont le lacet, le roulis et le tangage. Le Lacet sert à incliner l avion sur un axe vertical et est contrôlé par la gouverne de direction. Le roulis incline l avion sur un axe horizontal et est contrôlé par les ailerons. Le tanguage va faire cabrer ou piquer (basculer) l avion et est contrôlé par la gouverne de profondeur. 3

4 2) Instruments de mesure Le cockpit est composé de plusieurs instruments de mesures comme l anémomètre qui va permettre au pilote de connaitre la vitesse à laquelle il vole. L altimètre va permettre d informer le pilote sur l altitude à laquelle il vole. Le variomètre va permettre de savoir si le pilote monte ou descend. La bille et le fil de laine permettent de savoir la direction du vent relatif et son intensité. Le compas permet au pilote de connaitre son cap et fait office de boussole. 4

5 La radio va permettre au pilote de communiquer avec la tour de contrôle et de savoir sur quelle piste il va atterrir et donc d éviter les collisions. Sur l anémomètre: l arc blanc correspond à la configuration «volets sortis». La vitesse inférieure à cet arc notée VS0 correspond à la vitesse de décrochage volets sortis. La vitesse supérieure à cet arc est notée VFE. L arc vert correspond à la configuration en «lisse», la vitesse inférieure à cet arc notée VS est la vitesse de décrochage en lisse. La vitesse supérieure à cet arc, notée VNO (Vitesse normal opération) ne pourra pas être franchie si il y a des turbulences dans l air. L arc jaune correspond à la vitesse élevée que le pilote ne peut atteindre que dans des conditions en air calme. Enfin le trait rouge correspond à la vitesse à ne jamais dépasser (Vitess never exceed, notée VNE) sous peine de dégâts irréversibles sur l appareil et de mort potentielle du pilote. 5

6 3. Un peu d histoire Henri Pitot est né à Aramon (Gard) le 29 mai 1695 et est mort à Aramon le 27 décembre C est un Ingénieur en hydraulique français. Pitot s'intéresse ensuite aux problèmes de fluides, notamment à l'écoulement de l'eau dans les rivières, et découvre que beaucoup de théories de son époque sont infondées. Il invente par la suite un instrument destiné à la mesure de la vitesse des fluides connu aujourd hui sous le nom de Tube de Pitot et est employé dans de nombreux domaines notamment en aéronautique pour les anémomètres. Ludwig Prandtl est né le 4 février 1875 à Freising et est mort le 15 Août 1953 à Göttingen. C est un ingénieur et physicien allemand. Il a apporté d importantes contributions à la mécanique des fluides et à la théorie de la résistance des solides. Prandtl pense à utiliser le tube de Pitot dans une canalisation pour mesurer les vitesses locales d'écoulement des fluides. 4. Tube de Pitot La pression d un fluide en mouvement peut dépendre de trois critères qui sont la vitesse de ce fluide, la pression statique environnante et la hauteur de ce fluide. La mesure de la pression peut nous faire connaitre la vitesse. L avion, pour cela, possède un instrument simple qui mesure ces pressions (statique, dynamique et totale) : le tube de Pitot. Le dernier ayant amélioré le tube est Ludwig Prandtl, aujourd hui, cet instrument ultrasimple, n a plus évolué depuis un siècle. Mais il y a toujours des dangers car l eau, la glace et les insectes risquent d obstruer le tube et donc le pilote perd des informations vitales car sa vitesse devient fausse et il peut ne pas sentir un décrochage et donc peut mourir (une des conséquences du vol Rio-Paris). Pour éviter ça, l inspection des tubes de Pitot est OBLIGATOIRE avant le vol. Pour éviter la glace l hiver, chaque aéroport est équipé d un système de dégivrage. A la fin des vols, au parking, les tubes de Pitot seront protégés par un manchon spécial «REMOVE BEFORE FLIGHT» 6

7 5) Théorème de Bernoulli La pression peut aussi être trouvée par le calcul mais cela se fait uniquement au sol car le pilote, en vol, n a pas le temps d effectuer ce calcul : - La pression totale, mesurée avec le tube de Pitot, est trouvée par l expression ½.ρ.v 2 + Ps = Pt - La pression dynamique, mesurée avec l antenne de Prandtl, se calcule avec l expression ½.ρ.v 2 Avec un Tube en U, la mesure de la différence entre la pression totale et la pression statique en millimètre permet de calculer la vitesse avec la formule de Bernoulli modifiée qui est : 6) Production Notre production est une vidéo d une expérience réalisée à l atelier de Lille Planeurs. Au fond de cet atelier, se trouve la représentation d un tube en U. Un tube en U est un tube en forme de U relié à une sonde Pitot dans lequel est contenu un certain volume de liquide (eau en général). La différence (en millimètres) entre les deux ménisques du liquide peut, avec Bernoulli, donner l information de vitesse au pilote. Trois cas sont montrés dans la vidéo : - Dans le premier cas, le souffle représente un vent plutôt faible. La différence entre les deux ménisques est faible et donc la vitesse de l appareil sera faible. - Dans le deuxième cas, le souffle représente un vent moyennement fort. La différence entre les deux ménisques 7

8 est plus grande que dans le premier cas et donc l avion volera plus vite. - Dans le troisième et dernier cas, le souffle représente un vent très fort. La différence entre les deux ménisques est très grande et l appareil volera à une vitesse importante voire dangereuse si elle est trop importante. 7) Conclusion Notre réponse à la problématique qui est : «comment calculer et déterminer la vitesse en vol d un avion?» est donc qu on peut la déterminer grâce au Tube de Pitot et qu on peut la calculer avec le théorème de Bernoulli une fois revenu au sol (sauf s il y a deux pilotes dans l appareil : un qui calcule et un qui maintient l avion). 8