Personne ne peut expliquer pourquoi les avions restent dans les airs

Einstein a ensuite donné une explication qui supposait une incompressible, sans friction fluide, cest-à-dire un fluide idéal. Sans mentionner Bernoulli par son nom, il a donné un compte rendu conforme au principe de Bernoulli en disant que la pression du fluide est plus grande là où sa vitesse est plus lente, et vice versa. Pour profiter de ces différences de pression, Einstein a proposé un profil aérodynamique avec un renflement sur le dessus de sorte que la forme augmenterait la vitesse du flux dair au-dessus du renflement et donc diminuerait la pression là aussi.

Einstein pensait probablement que son idéal- lanalyse des fluides sappliquerait également aux écoulements de fluides du monde réel. En 1917, sur la base de sa théorie, Einstein a conçu un profil aérodynamique qui est devenu plus tard connu sous le nom daile arrière de chat en raison de sa ressemblance avec le dos bossu dun chat qui sétire. Il a apporté la conception à lavionneur LVG (Luftverkehrsgesellschaft) à Berlin, qui a construit une nouvelle machine volante autour de lui. Un pilote dessai a rapporté que lengin se baladait dans les airs comme «un canard en gestation». Bien plus tard, en 1954, Einstein lui-même a qualifié son excursion dans laéronautique de «folie juvénile». Lindividu qui nous a donné des théories radicalement nouvelles qui ont pénétré à la fois les plus petits et les plus grands composants de lunivers na néanmoins pas réussi à apporter une contribution positive à la compréhension de la portance ou à proposer une conception de profil aérodynamique pratique.

une théorie complète de la portance

Les approches scientifiques contemporaines de la conception daéronefs sont du domaine des simulations de dynamique des fluides computationnelles (CFD) et des équations dites de Navier-Stokes, qui prennent pleinement en compte la viscosité réelle de lair réel . Les solutions de ces équations et les résultats des simulations CFD donnent des prévisions de distribution de pression, des modèles de flux d’air et des résultats quantitatifs qui sont à la base des conceptions d’avions très avancées d’aujourd’hui. Pourtant, ils ne donnent pas en eux-mêmes une explication physique et qualitative de la portance.

Ces dernières années, cependant, le principal aérodynamicien Doug McLean a tenté daller au-delà du formalisme mathématique et de sattaquer à la cause physique. et-effectuez des relations qui expliquent la portance dans toutes ses manifestations réelles. McLean, qui a passé la majeure partie de sa carrière professionnelle en tant quingénieur chez Boeing Commercial Airplanes, où il sest spécialisé dans le développement de code CFD, a publié ses nouvelles idées dans le texte de 2012 Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics.

Considérant que le livre comporte plus de 500 pages danalyse technique assez dense, il est surprenant de voir quil comprend une section (7.3.3) intitulée « Une explication de base de la portance sur un profil aérodynamique, accessible à un public non technique. » Produire ces 16 pages na pas été facile pour McLean, un maître du sujet, en effet, cétait «probablement la partie la plus difficile du livre à écrire», dit lauteur. « Il a vu plus de révisions que je ne peux en compter. Je nai jamais été entièrement satisfait. »

Lexplication complexe de la portance de McLean commence par lhypothèse de base de toute aérodynamique ordinaire: lair autour dune aile agit comme « un matériau continu qui se déforme pour suivre les contours du profil aérodynamique. » Cette déformation se présente sous la forme dune bande profonde découlement de fluide à la fois au-dessus et en dessous de laile. «Le profil aérodynamique affecte la pression sur une large zone dans ce quon appelle un champ de pression», écrit McLean. «Lorsquune portance est produite, un nuage diffus de basse pression se forme toujours au-dessus du profil aérodynamique, et un nuage diffus de haute pression se forme généralement en dessous. . Là où ces nuages touchent le profil, ils constituent la différence de pression qui exerce une portance sur le profil. »

Laile pousse lair vers le bas, ce qui entraîne une rotation vers le bas du flux dair. L’air au-dessus de l’aile est accéléré selon le principe de Bernoulli. De plus, il existe une zone de haute pression sous laile et une zone de basse pression au-dessus. Cela signifie quil y a quatre composants nécessaires dans lexplication de McLean de la portance: une rotation vers le bas du flux dair, une augmentation de la vitesse du flux dair, une zone de basse pression et une zone de haute pression.

Mais cest linterrelation entre ces quatre éléments qui est laspect le plus nouveau et le plus distinctif du récit de McLean. «Ils se soutiennent dans une relation réciproque de cause à effet, et aucun nexisterait sans les autres», écrit-il. «Les différences de pression exercent la force de portance sur le profil aérodynamique, tandis que la rotation vers le bas du flux et les changements de la vitesse découlement maintiennent les différences de pression.«C’est cette interrelation qui constitue un cinquième élément de l’explication de McLean: la réciprocité entre les quatre autres. C’est comme si ces quatre composants se mettaient collectivement en vie et se maintenaient par des actes simultanés de création et de causalité mutuelles.

Il semble y avoir un soupçon de magie dans cette synergie. Le processus décrit par McLean ressemble à quatre agents actifs qui se tirent les uns sur les autres pour se maintenir collectivement dans l’air. Ou, comme il le reconnaît, il sagit dun cas de «cause à effet circulaire». Comment est-il possible pour chaque élément de linteraction de soutenir et de renforcer tous les autres? Et quest-ce qui cause cette interaction mutuelle, réciproque et dynamique? Réponse de McLean: la deuxième loi du mouvement de Newton.

La deuxième loi de Newton énonce que laccélération dun corps, ou dune parcelle de fluide, est proportionnelle à la force exercée sur lui. « La deuxième loi de Newton nous dit que lorsquune différence de pression impose une force nette sur une parcelle de fluide, elle doit provoquer un changement de vitesse ou la direction (ou les deux) du mouvement du colis », explique McLean. Mais réciproquement, la différence de pression dépend et existe à cause de l’accélération du colis.

Nobtient-on pas quelque chose pour rien ici? McLean dit non: si laile était au repos, aucune partie de ce groupe dactivités se renforçant mutuellement nexisterait. Mais le fait que laile se déplace dans les airs, chaque parcelle affectant tous les autres, fait exister ces éléments co-dépendants et les maintient tout au long du vol.

Activer la réciprocité de portance

Peu de temps après la publication de Understanding Aerodynamics, McLean sest rendu compte quil navait pas pleinement pris en compte tous les éléments de la portance aérodynamique, car il nexpliquait pas de manière convaincante ce qui faisait changer les pressions sur laile par rapport à la pression ambiante. Ainsi, en novembre 2018, McLean a publié un article en deux parties dans The Physics Teacher dans lequel il proposait «une explication physique complète» de la portance aérodynamique.

Bien que larticle répète largement largumentation précédente de McLean, il tente également dajouter une meilleure explication de ce qui fait que le champ de pression nest pas uniforme et de prendre la forme physique quil a. En particulier, son nouvel argument introduit une interaction mutuelle au niveau du champ découlement afin que le champ de pression non uniforme soit un résultat dune force appliquée, la force vers le bas exercée sur lair par le profil aérodynamique.

La question de savoir si la section 7.3.3 de McLean et son article de suivi réussissent à fournir un compte rendu complet et correct de la portance est ouverte à linterprétation Il y a des raisons pour lesquelles il est difficile de produire un compte rendu clair, simple et satisfaisant de la portance aérodynamique. Dune part, les écoulements de fluide sont plus complexes et plus difficiles à comprendre que les mouvements dobjets solides, en particulier de fluides flux qui se séparent au bord dattaque de laile et sont soumis à des forces physiques différentes en haut et en bas. Certains des litiges concernant la portance nimpliquent pas les faits eux-mêmes mais plutôt la manière dont ces faits doivent être interprétés, ce qui peut impliquer des problèmes quil est impossible de résoudre par expérience.

Néanmoins, il ny en a pour linstant que quelques-uns questions en suspens qui nécessitent des explications. La portance, comme vous vous en souviendrez, est le résultat des différences de pression entre les parties supérieure et inférieure dun profil aérodynamique. Nous avons déjà une explication acceptable de ce qui se passe dans la partie inférieure dun profil: lair venant en sens inverse pousse sur laile à la fois verticalement (produisant de la portance) et horizontalement (produisant de la traînée). La poussée vers le haut existe sous la forme dune pression plus élevée sous laile, et cette pression plus élevée est le résultat dune simple action et réaction newtonienne.

Les choses sont assez différentes en haut de laile, cependant. Il existe une région de pression inférieure qui fait également partie de la force de levage aérodynamique. Mais si ni le principe de Bernoulli ni la troisième loi de Newton ne l’expliquent, qu’en est-il? Nous savons grâce aux lignes de courant que lair au-dessus de laile adhère étroitement à la courbure vers le bas du profil aérodynamique. Mais pourquoi les parcelles d’air se déplaçant sur la surface supérieure de l’aile doivent-elles suivre sa courbure vers le bas? Pourquoi ne peuvent-ils pas sen séparer et rentrer directement?

Mark Drela, professeur de dynamique des fluides au Massachusetts Institute of Technology et auteur de Flight Vehicle Aerodynamics, propose une réponse: « Si les colis sont momentanément a volé de manière tangente à la surface supérieure du profil aérodynamique, il y aurait littéralement un vide créé en dessous deux », explique-t-il.« Ce vide aspirerait ensuite les colis jusquà ce quils remplissent principalement le vide, cest-à-dire jusquà ce quils se déplacent à nouveau tangent au profil aérodynamique . Cest le mécanisme physique qui force les colis à se déplacer le long de la forme du profil aérodynamique. Il reste un léger vide partiel pour maintenir les parcelles dans un chemin incurvé. »

Ce retrait ou le retrait de ces colis aériens de leurs parcelles voisines au-dessus est ce qui crée la zone de pression inférieure au sommet de laile.Mais un autre effet accompagne également cette action: la vitesse du flux dair plus élevée au sommet de laile. «La pression réduite sur une aile de levage tire également horizontalement sur les colis aériens lorsquils sapprochent de lamont, de sorte quils ont une vitesse plus élevée au moment où ils arrivent au-dessus de laile», explique Drela. peut être considéré comme un effet secondaire de la pression réduite. »

Mais comme toujours, quand il sagit dexpliquer la portance à un niveau non technique, un autre expert aura une autre réponse. Babinsky, aérodynamicien de Cambridge, déclare: « Je déteste être en désaccord avec mon estimé collègue Mark Drela, mais si la création dun vide en était lexplication, alors il est difficile dexpliquer pourquoi parfois le flux se sépare quand même de la surface. Mais il a raison dans Le problème est qu’il n’y a pas d’explication simple et rapide. »

Drela lui-même admet que son explication n’est pas satisfaisante à certains égards. , » il dit. Alors, où en sommes-nous? En fait, là où nous avons commencé: avec John D. Anderson, qui a déclaré: « Il ny a pas de réponse simple à cette question. »