Ici sur Terre, nous avons tendance à tenir pour acquis la résistance à l'air (alias «traînée»). Nous supposons simplement que lorsque nous lançons une balle, lançons un avion, désorbitons un vaisseau spatial ou tirons une balle avec un pistolet, le fait qu'il se déplace dans notre atmosphère le ralentira naturellement. Mais quelle en est la raison? Comment l'air peut-il ralentir un objet, que ce soit en chute libre ou en vol?
En raison de notre dépendance à l'égard des voyages en avion, de notre enthousiasme pour l'exploration spatiale et de notre amour du sport et de la fabrication de choses en vol (y compris nous-mêmes), la compréhension de la résistance de l'air est essentielle à la compréhension de la physique et fait partie intégrante de nombreuses disciplines scientifiques. Dans le cadre de la sous-discipline connue sous le nom de dynamique des fluides, elle s'applique aux domaines de l'aérodynamique, de l'hydrodynamique, de l'astrophysique et de la physique nucléaire (pour n'en nommer que quelques-uns).
Définition:
Par définition, la résistance de l'air décrit les forces qui s'opposent au mouvement relatif d'un objet lors de son passage dans l'air. Ces forces de traînée agissent à l'opposé de la vitesse d'écoulement venant en sens inverse, ralentissant ainsi l'objet vers le bas. Contrairement aux autres forces de résistance, la traînée dépend directement de la vitesse, car elle est la composante de la force aérodynamique nette agissant en sens inverse de la direction du mouvement.
Une autre façon de le dire serait de dire que la résistance à l’air est le résultat de collisions de la surface avant de l’objet avec des molécules d’air. On peut donc dire que les deux facteurs les plus courants qui ont un effet direct sur la quantité de résistance à l'air sont la vitesse de l'objet et la section transversale de l'objet. Ergo, à la fois une augmentation de la vitesse et des sections transversales entraînera une augmentation de la résistance à l'air.
En termes d'aérodynamique et de vol, la traînée fait référence à la fois aux forces agissant à l'opposé de la poussée, ainsi qu'aux forces travaillant perpendiculairement à celle-ci (c'est-à-dire la portance). En astrodynamique, la traînée atmosphérique est à la fois une force positive et négative selon la situation. C'est à la fois une perte de carburant et d'efficacité lors du décollage et une économie de carburant lorsqu'un vaisseau spatial revient sur Terre depuis son orbite.
Calcul de la résistance à l'air:
La résistance à l'air est généralement calculée à l'aide de «l'équation de traînée», qui détermine la force subie par un objet se déplaçant dans un fluide ou un gaz à une vitesse relativement élevée. Cela peut être exprimé mathématiquement comme:
Dans cette équation, FD représente la force de traînée, p est la densité du fluide, v est la vitesse de l'objet par rapport au son, UNE est l'aire de la section transversale, etCD est le coefficient de traînée. Le résultat est ce qu'on appelle la «traînée quadratique». Une fois cela déterminé, le calcul de la puissance nécessaire pour surmonter la traînée implique un processus similaire, qui peut être exprimé mathématiquement comme:
Ici, Pdest la puissance nécessaire pour surmonter la force de traînée, Fd est la force de traînée, v est la vitesse, p est la densité du fluide, v est la vitesse de l'objet par rapport au son, UNE est l'aire de la section transversale, etCD est le coefficient de traînée. Comme il le montre, les besoins en énergie sont le cube de la vitesse, donc s'il faut 10 chevaux pour aller à 80 km / h, il faudra 80 chevaux pour aller à 160 km / h. En bref, un doublement de la vitesse nécessite une application de huit fois la puissance.
Types de résistance à l'air:
Il existe trois principaux types de traînée en aérodynamique - Lift Induced, Parasitic et Wave. Chacun affecte la capacité d'un objet à rester en altitude ainsi que la puissance et le carburant nécessaires pour le maintenir. La traînée induite par la portance (ou juste induite) se produit à la suite de la création d'une portance sur un corps de levage tridimensionnel (aile ou fuselage). Il a deux composants principaux: la traînée vortex et la traînée visqueuse induite par la portance.
Les tourbillons proviennent du mélange turbulent d'air de pression variable sur les surfaces supérieures et inférieures du corps. Ceux-ci sont nécessaires pour créer un ascenseur. À mesure que la portance augmente, la traînée induite par la portance augmente également. Pour un avion, cela signifie qu'à mesure que l'angle d'attaque et le coefficient de portance augmentent jusqu'au point de décrochage, la traînée induite par la portance augmente également.
En revanche, la traînée parasite est causée par le déplacement d'un objet solide à travers un fluide. Ce type de traînée est composé de plusieurs composants, dont la «traînée de forme» et la «traînée de friction de la peau». Dans l'aviation, la traînée induite a tendance à être plus grande à des vitesses inférieures car un angle d'attaque élevé est nécessaire pour maintenir la portance, de sorte que la vitesse augmente, cette traînée devient beaucoup moins, mais la traînée parasite augmente parce que le fluide circule plus rapidement autour des objets en saillie, augmentant la friction. La courbe de traînée globale combinée est minimale à certaines vitesses et sera égale ou proche de son efficacité optimale.
La traînée des vagues (traînée de compressibilité) est créée par la présence d'un corps se déplaçant à grande vitesse à travers un fluide compressible. En aérodynamique, la traînée des vagues se compose de plusieurs composants en fonction du régime de vitesse du vol. En vol transsonique - à des vitesses de Mach 0,5 ou plus, mais toujours inférieures à Mach 1,0 (aka. Vitesse du son) - la traînée des vagues est le résultat d'un écoulement supersonique local.
Le flux supersonique se produit sur des corps se déplaçant bien en dessous de la vitesse du son, car la vitesse locale de l'air sur un corps augmente lorsqu'elle accélère sur le corps. En bref, les avions volant à des vitesses transsoniques subissent souvent une traînée de vagues en conséquence. Cela augmente à mesure que la vitesse de l'avion se rapproche de la barrière acoustique de Mach 1.0, avant de devenir un objet supersonique.
En vol supersonique, la traînée des vagues est le résultat d'ondes de choc obliques formées aux bords d'attaque et de fuite du corps. Dans les écoulements hautement supersoniques, des ondes d'arc se formeront à la place. À des vitesses supersoniques, la traînée des vagues est généralement séparée en deux composantes, la traînée des ondes dépendant de la portance supersonique et la traînée des ondes dépendant du volume supersonique.
Comprendre le rôle des frottements aériens dans le vol, connaître sa mécanique et connaître les types de puissance nécessaires pour la surmonter sont tous cruciaux en ce qui concerne l'aérospatiale et l'exploration spatiale. Savoir tout cela sera également essentiel quand viendra le temps d'explorer d'autres planètes de notre système solaire et d'autres systèmes stellaires!
Nous avons écrit de nombreux articles sur la résistance à l'air et le vol ici à Space Magazine. Voici un article sur Qu'est-ce que la vitesse terminale?, Comment volent les avions?, Quel est le coefficient de frottement?, Et quelle est la force de gravité?
Si vous souhaitez plus d'informations sur les programmes d'avions de la NASA, consultez le Guide du débutant en aérodynamique et voici un lien vers l'équation de traînée.
Nous avons également enregistré de nombreux épisodes connexes d'Astronomy Cast. Écoutez ici, épisode 102: Gravité.