Analyse du mouvement d’un avion

Analyse du mouvement d’un avion

Analyse du mouvement d’un avion

Contexte : La dynamique du décollage d'un Airbus A320.

Le décollage est une phase critique du vol d'un avion. Il s'agit d'une transition complexe où l'appareil, initialement au repos, doit acquérir une vitesse suffisante pour que la portanceForce aérodynamique qui permet à un avion de s'élever et de se maintenir en l'air. Elle est dirigée vers le haut, perpendiculairement à la direction du vent relatif. générée par ses ailes puisse vaincre son poidsForce d'attraction gravitationnelle exercée par la Terre sur l'avion. Elle est dirigée verticalement vers le bas. Sa formule est P = m * g.. Cet exercice se concentre sur l'analyse des forces et du mouvement de l'avion durant sa course sur la piste, en appliquant les principes fondamentaux de la mécanique newtonienne.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à modéliser une situation physique réelle, à réaliser un bilan des forces et à appliquer la deuxième loi de Newton pour déterminer des grandeurs cinématiques clés comme l'accélération, la durée et la distance.


Objectifs Pédagogiques

  • Identifier les forces s'exerçant sur un système en mouvement.
  • Appliquer la première et la deuxième loi de Newton dans un référentiel galiléenUn référentiel dans lequel le principe d'inertie est vérifié : un corps isolé (non soumis à des forces) est soit au repos, soit en mouvement rectiligne uniforme. Le référentiel terrestre est considéré comme galiléen pour cet exercice..
  • Utiliser les équations du mouvement rectiligne uniformément accéléré.
  • Distinguer les conditions dynamiques de la phase de décollage et de la phase de croisière.

Données de l'étude

On étudie les phases de décollage et de croisière d'un Airbus A320. L'avion part du repos. On simplifiera le problème en considérant que les forces sont constantes durant chaque phase étudiée.

Schéma de l'avion
Nom du Paramètre Symbole Valeur Unité
Masse de l'avion (constante) \(m\) 75 000 kg
Poussée totale des moteurs (au décollage) \(F_{\text{poussée, d}}\) 240 000 N
Force de frottement totale (au décollage) \(F_{\text{frottement, d}}\) 30 000 N
Vitesse de décollage \(v_{\text{décollage}}\) 270 km/h
Force de traînée (en croisière) \(F_{\text{traînée, c}}\) 25 000 N
Intensité de la pesanteur \(g\) 9.81 N/kg

Questions à traiter

  1. Phase de décollage : Faire le bilan des forces s'exerçant sur l'avion durant sa course sur la piste.
  2. Phase de décollage : En appliquant la deuxième loi de Newton, déterminer l'expression littérale de l'accélération \(a\) de l'avion, puis calculer sa valeur numérique.
  3. Phase de décollage : Calculer la durée \(\Delta t\) nécessaire pour que l'avion atteigne sa vitesse de décollage.
  4. Phase de décollage : Déterminer la longueur de piste minimale \(L\) requise pour ce décollage.
  5. Phase de croisière : L'avion vole maintenant à altitude et vitesse constantes. Faire le bilan des forces s'exerçant sur l'avion.
  6. Phase de croisière : En appliquant le principe d'inertie (première loi de Newton), déterminer la valeur de la force de portance et de la nouvelle poussée des moteurs.

Les bases sur la Dynamique Newtonienne

Pour résoudre cet exercice, il est essentiel de maîtriser les lois de Newton, qui décrivent la relation entre le mouvement d'un objet et les forces qui lui sont appliquées.

1. La Première Loi de Newton (Principe d'Inertie)
Dans un référentiel galiléen, si la somme vectorielle des forces qui s'exercent sur un corps est nulle, alors son centre de masse est soit au repos, soit en mouvement rectiligne uniforme. \[ \sum \vec{F}_{\text{ext}} = \vec{0} \iff \vec{v} = \overrightarrow{\text{constante}} \]

2. La Deuxième Loi de Newton (Principe Fondamental de la Dynamique)
Dans un référentiel galiléen, la somme vectorielle des forces extérieures appliquées à un système est égale au produit de la masse du système par son vecteur accélération. \[ \sum \vec{F}_{\text{ext}} = m \cdot \vec{a} \]


Correction : Analyse du mouvement d’un avion

Question 1 : Faire le bilan des forces s'exerçant sur l'avion durant sa course sur la piste.

Principe

La première étape de tout problème de dynamique est d'identifier TOUTES les forces qui agissent sur le système étudié (ici, l'avion). Une force est une action capable de modifier le mouvement d'un objet ou de le déformer. On les représente par des vecteurs.

Mini-Cours

Les forces agissant sur l'avion sur la piste sont :

  • Le Poids (\(\vec{P}\)) : Force verticale vers le bas, due à l'attraction terrestre.
  • La Réaction du sol (\(\vec{R}\)) : Force verticale vers le haut, exercée par la piste sur l'avion, qui l'empêche de s'enfoncer.
  • La Poussée (\(\vec{F}_{\text{poussée}}\)) : Force horizontale vers l'avant, générée par les moteurs.
  • Les Frottements (\(\vec{F}_{\text{frottement}}\)) : Force horizontale vers l'arrière, qui s'oppose au mouvement.
La portance est négligeable à faible vitesse et ne compense pas encore le poids.

Remarque Pédagogique

Un bon réflexe est de toujours commencer par un schéma à main levée pour visualiser le système et les forces en jeu. Cela aide à ne rien oublier et à bien orienter les vecteurs.

Normes

Cette analyse se base sur le modèle de la mécanique Newtonienne, qui est la norme pour l'étude des mouvements à des vitesses non-relativistes (très inférieures à la vitesse de la lumière).

Formule(s)

À ce stade qualitatif, aucune formule de calcul n'est nécessaire. Il s'agit d'identifier les vecteurs force : \(\vec{P}\), \(\vec{R}\), \(\vec{F}_{\text{poussée}}\), \(\vec{F}_{\text{frottement}}\).

Hypothèses

Le système étudié est {l'avion}. Le référentiel est le référentiel terrestre, considéré comme galiléen pour la durée de l'étude.

Donnée(s)

Aucune donnée numérique n'est requise pour cette question, qui est purement descriptive.

Astuces

Pour mémoriser les forces, on peut penser à classer les forces de contact (Réaction, Frottements, Poussée) et les forces à distance (Poids).

Schéma (Avant les calculs)

Le schéma de l'énoncé est la représentation visuelle attendue pour cette question. Il est essentiel de bien le comprendre.

Rappel du bilan des forces
F (poussée)F (frottement)PR
Calcul(s)

Aucun calcul n'est demandé dans cette question.

Schéma (Après les calculs)

Le schéma confirmant le bilan des forces est le même que celui présenté avant les calculs, car cette question est une analyse qualitative.

Confirmation du bilan des forces
F (poussée)F (frottement)PR
Réflexions

Ce bilan montre que le mouvement horizontal (accélération) est gouverné par la compétition entre la poussée et les frottements, tandis que le mouvement vertical est équilibré (le poids compense la réaction du sol).

Points de vigilance

Il ne faut pas oublier de force (notamment les frottements) ni en ajouter qui n'agissent pas encore (comme la portance, qui ne devient significative qu'à plus haute vitesse).

Points à retenir

Tout problème de dynamique commence par un bilan des forces extérieures appliquées au système.

Le saviez-vous ?

La force de réaction du sol \(\vec{R}\) n'est pas une seule force mais la somme de toutes les forces exercées par le sol sur chacune des roues du train d'atterrissage.

FAQ
Résultat Final

Le bilan des forces est la liste des quatre forces identifiées : le poids \(\vec{P}\), la réaction normale du sol \(\vec{R}\), la poussée des moteurs \(\vec{F}_{\text{poussée}}\) et la force de frottement \(\vec{F}_{\text{frottement}}\).

A vous de jouer

Quelle force supplémentaire devrait-on considérer si le décollage se faisait sous une pluie battante ?


Question 2 : En appliquant la deuxième loi de Newton, déterminer l'expression littérale de l'accélération \(a\) de l'avion, puis calculer sa valeur numérique.

Principe

La deuxième loi de Newton nous permet de relier les forces (la cause) à l'accélération (l'effet). En projetant cette loi vectorielle sur un axe judicieusement choisi (celui du mouvement), on peut isoler et calculer l'accélération.

Mini-Cours

La projection d'un vecteur sur un axe consiste à trouver sa "composante" selon cet axe. Si un vecteur est parallèle à l'axe et dans le même sens, sa projection est sa norme (positive). S'il est en sens opposé, sa projection est l'opposé de sa norme (négative). S'il est perpendiculaire, sa projection est nulle.

Remarque Pédagogique

Le conseil du professeur : définissez toujours explicitement votre repère (axes, origine) avant de commencer la projection. Cela évite 90% des erreurs de signe.

Normes

L'utilisation du Système International d'unités (mètre, kilogramme, seconde, Newton) est la norme pour garantir la cohérence des calculs en physique.

Formule(s)
\[ \sum \vec{F}_{\text{ext}} = \vec{P} + \vec{R} + \vec{F}_{\text{poussée}} + \vec{F}_{\text{frottement}} = m \cdot \vec{a} \]
Hypothèses

On choisit un repère cartésien (O, \(\vec{i}\)) avec l'axe (Ox) horizontal, orienté dans le sens du mouvement. Le référentiel est terrestre, supposé galiléen. Les forces de poussée et de frottement sont considérées constantes.

Donnée(s)
  • \(F_{\text{poussée}} = 240 000 \text{ N}\)
  • \(F_{\text{frottement}} = 30 000 \text{ N}\)
  • \(m = 75 000 \text{ kg}\)
Astuces

Calculez d'abord la force résultante horizontale (force nette motrice) : \(F_{\text{nette}} = F_{\text{poussée}} - F_{\text{frottement}}\). Ensuite, il suffit de diviser par la masse pour obtenir l'accélération.

Schéma (Avant les calculs)

On reprend le schéma des forces en y ajoutant l'axe de projection (Ox) pour clarifier le calcul.

Schéma des forces avec l'axe de projection
F (poussée)F (frottement)xAxe de projection (Ox)
Calcul(s)

On projette la relation vectorielle sur l'axe horizontal (Ox). Les forces verticales (\(\vec{P}\) et \(\vec{R}\)) ont une projection nulle. La poussée est dans le sens de l'axe et les frottements en sens opposé.

\[ P_x + R_x + F_{\text{poussée},x} + F_{\text{frottement},x} = m \cdot a_x \]
\[ 0 + 0 + F_{\text{poussée}} - F_{\text{frottement}} = m \cdot a \]

Expression littérale :

\[ a = \frac{F_{\text{poussée}} - F_{\text{frottement}}}{m} \]

Application numérique :

\[ \begin{aligned} a &= \frac{240000 \text{ N} - 30000 \text{ N}}{75000 \text{ kg}} \\ &= \frac{210000}{75000} \\ &= 2.8 \text{ m/s}^2 \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

Le résultat est le vecteur accélération, qui est horizontal et dirigé dans le sens du mouvement.

Vecteur accélération résultant
a
Réflexions

Une accélération de 2.8 m/s² signifie que chaque seconde, la vitesse de l'avion augmente de 2.8 m/s (soit environ 10 km/h). C'est une accélération significative, comparable à celle d'une voiture de sport.

Points de vigilance

L'erreur la plus commune est une erreur de signe lors de la projection. La force de frottement s'oppose au mouvement, sa projection est donc négative.

Points à retenir

La deuxième loi de Newton, projetée sur l'axe du mouvement, permet de trouver l'accélération à partir du bilan des forces motrices et résistantes : \(a = \frac{\sum F_{\text{motrices}} - \sum F_{\text{résistantes}}}{m}\).

Le saviez-vous ?

En réalité, la poussée des réacteurs n'est pas parfaitement constante. Elle diminue légèrement lorsque la vitesse de l'avion augmente. De même, la traînée aérodynamique (frottement de l'air) augmente avec le carré de la vitesse. L'accélération n'est donc pas rigoureusement constante.

FAQ
Résultat Final
\[ a = 2.8 \text{ m/s}^2 \]
A vous de jouer

Que deviendrait l'accélération si l'avion était plus chargé, avec une masse de 80 000 kg ?


Question 3 : Calculer la durée \(\Delta t\) nécessaire pour que l'avion atteigne sa vitesse de décollage.

Principe

Comme l'accélération est constante, le mouvement est rectiligne uniformément accéléré (MRUA). On peut donc utiliser les équations cinématiques, en particulier celle reliant la vitesse, l'accélération et le temps.

Mini-Cours

Pour un MRUA, la vitesse à un instant \(t\) est donnée par \(v(t) = a \cdot t + v_0\). Si l'objet part du repos, \(v_0 = 0\), et la formule se simplifie en \(v(t) = a \cdot t\). On peut alors facilement isoler le temps : \(t = v/a\).

Remarque Pédagogique

Avant tout calcul, vérifiez la cohérence de vos unités. C'est une étape cruciale souvent négligée. Ici, la vitesse est en km/h et l'accélération en m/s², une conversion est obligatoire.

Normes

Les formules de cinématique ne sont valides que si toutes les grandeurs sont exprimées dans des unités cohérentes du Système International (m, s, m/s, m/s²).

Formule(s)
\[ v(t) = a \cdot t + v_0 \Rightarrow \Delta t = \frac{v_f - v_0}{a} \]
Hypothèses

L'avion part du repos, donc sa vitesse initiale \(v_0\) est nulle. L'accélération \(a\) est constante et vaut 2.8 m/s².

Donnée(s)
  • \(v_{\text{décollage}} = 270 \text{ km/h}\)
  • \(a = 2.8 \text{ m/s}^2\)
  • \(v_0 = 0 \text{ m/s}\)
Astuces

Pour convertir des km/h en m/s, retenez le facteur 3.6. On divise par 3.6. Pour passer de m/s en km/h, on multiplie par 3.6.

Schéma (Avant les calculs)

On peut visualiser le problème sur une ligne de temps.

Ligne de temps du mouvement
t = 0v = 0t = ?v = 270 km/h
Calcul(s)

Étape 1 : Conversion de la vitesse

\[ \begin{aligned} v_{\text{décollage}} &= \frac{270}{3.6} \\ &= 75 \text{ m/s} \end{aligned} \]

Étape 2 : Calcul de la durée

\[ \begin{aligned} \Delta t &= \frac{v_{\text{décollage}} - v_0}{a} \\ &= \frac{75 - 0}{2.8} \\ &\approx 26.785... \text{ s} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

Le graphique de la vitesse en fonction du temps est une droite passant par l'origine, illustrant l'accélération constante.

Graphique Vitesse-Temps
t (s)v (m/s)26.875O
Réflexions

Une durée d'environ 27 secondes pour atteindre 270 km/h est tout à fait réaliste pour un avion de ligne, confirmant la validité de notre modèle simplifié.

Points de vigilance

L'erreur la plus fréquente ici est d'oublier de convertir la vitesse en m/s, ce qui conduirait à un résultat totalement faux (\(\Delta t = 270 / 2.8 \approx 96\) s).

Points à retenir

Pour un mouvement uniformément accéléré partant du repos, la durée pour atteindre une vitesse \(v_f\) est simplement \(t = v_f / a\).

Le saviez-vous ?

La vitesse de décollage n'est pas fixe. Elle dépend de nombreux facteurs : la masse de l'avion, l'altitude de l'aéroport (l'air est moins dense en altitude), la température, et même la direction et la force du vent.

FAQ
Résultat Final
\[ \Delta t \approx 26.8 \text{ s} \]
A vous de jouer

Combien de temps faudrait-il à l'avion pour atteindre sa vitesse de décollage si, à cause du vent de face, la vitesse à atteindre n'était que de 250 km/h ?


Question 4 : Déterminer la longueur de piste minimale \(L\) requise pour ce décollage.

Principe

Toujours dans le cadre d'un mouvement rectiligne uniformément accéléré, on peut utiliser les équations cinématiques de la position pour trouver la distance parcourue pendant la phase d'accélération.

Mini-Cours

Pour un MRUA, la position est \(x(t) = \frac{1}{2} a t^2 + v_0 t + x_0\). Une autre relation, très utile car elle ne dépend pas du temps, lie la vitesse et la distance : \(v_f^2 - v_i^2 = 2 a d\). Elle est idéale quand on ne connaît pas ou ne veut pas utiliser la durée.

Remarque Pédagogique

Utiliser la formule \(v_f^2 - v_i^2 = 2 a d\) est souvent plus précis, car elle évite de propager une éventuelle erreur d'arrondi faite sur le calcul de la durée \(\Delta t\) de la question précédente.

Normes

L'utilisation d'unités cohérentes du Système International est, encore une fois, indispensable.

Formule(s)
\[ x(t) = \frac{1}{2} a \cdot t^2 + v_0 \cdot t + x_0 \quad \text{ou} \quad v_f^2 - v_i^2 = 2 \cdot a \cdot d \]
Hypothèses

L'avion part de l'origine de la piste (\(x_0 = 0\)) avec une vitesse initiale nulle (\(v_0 = 0\)). L'accélération est constante.

Donnée(s)
  • \(v_{\text{décollage}} = 75 \text{ m/s}\)
  • \(a = 2.8 \text{ m/s}^2\)
  • \(\Delta t \approx 26.785 \text{ s}\) (calculé précédemment)
Astuces

La distance parcourue en MRUA est aussi la moyenne des vitesses initiale et finale, multipliée par le temps : \(d = \frac{v_i + v_f}{2} \times t\). Ici, \(d = \frac{0 + 75}{2} \times 26.785\), ce qui donne le même résultat.

Schéma (Avant les calculs)

On représente la piste comme un segment orienté, du point de départ au point de décollage.

Schéma de la distance de décollage
x = 0x = L = ?Distance L
Calcul(s)

Méthode (plus directe et recommandée) :

\[ v_{\text{décollage}}^2 - v_0^2 = 2 \cdot a \cdot L \Rightarrow L = \frac{v_{\text{décollage}}^2}{2a} \]

Application numérique :

\[ \begin{aligned} L &= \frac{(75 \text{ m/s})^2}{2 \times 2.8 \text{ m/s}^2} \\ &= \frac{5625}{5.6} \\ &\approx 1004.46... \text{ m} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

La distance parcourue \(L\) peut être visualisée comme l'aire sous la courbe du graphique vitesse-temps.

Aire sous la courbe Vitesse-Temps
t (s)v (m/s)26.875Aire = LO
Réflexions

Le résultat d'environ 1004 mètres est cohérent avec la longueur des pistes des aéroports internationaux, qui mesurent généralement entre 2 et 4 kilomètres pour accueillir de gros porteurs en toute sécurité, en incluant des marges de sécurité.

Points de vigilance

Une erreur fréquente est d'oublier le facteur 1/2 dans la formule \(x = \frac{1}{2}at^2\) ou le facteur 2 dans \(v_f^2 = 2ad\). Attention aussi à bien mettre la vitesse au carré.

Points à retenir

La distance de freinage ou d'accélération est proportionnelle au carré de la vitesse. Pour aller deux fois plus vite, il faut quatre fois plus de distance.

Le saviez-vous ?

Sur les porte-avions, les pistes sont bien trop courtes. Les avions sont donc catapultés pour atteindre leur vitesse de décollage en moins de 100 mètres, subissant des accélérations de plus de 3g (3 fois l'accélération de la pesanteur).

FAQ
Résultat Final
\[ L \approx 1004 \text{ m} \]
A vous de jouer

Quelle serait la longueur de piste requise si l'accélération n'était que de 2.5 m/s² (par exemple par temps chaud où les moteurs sont moins performants) ?


Question 5 : L'avion vole maintenant à altitude et vitesse constantes. Faire le bilan des forces s'exerçant sur l'avion.

Principe

En phase de croisière, l'avion est en l'air et son mouvement est rectiligne uniforme (vitesse constante). Le bilan des forces est différent de celui au sol : la réaction du sol disparaît et la portance devient une force essentielle.

Mini-Cours

Les quatre forces fondamentales de l'aérodynamique en vol stabilisé sont :

  • Le Poids (\(\vec{P}\)) : Inchangé, toujours vertical vers le bas.
  • La Portance (\(\vec{F}_{\text{portance}}\)) : Force aérodynamique verticale vers le haut, générée par les ailes, qui contre le poids.
  • La Poussée (\(\vec{F}_{\text{poussée}}\)) : Force horizontale vers l'avant, générée par les moteurs.
  • La Traînée (\(\vec{F}_{\text{traînée}}\)) : Force de frottement de l'air, horizontale et vers l'arrière, qui s'oppose au mouvement.

Remarque Pédagogique

L'erreur classique est d'oublier que la réaction du sol n'existe plus en vol. Elle est remplacée par la portance pour s'opposer au poids.

Normes

L'analyse est toujours régie par les lois de la mécanique Newtonienne.

Formule(s)

Il s'agit d'identifier les vecteurs force : \(\vec{P}\), \(\vec{F}_{\text{portance}}\), \(\vec{F}_{\text{poussée}}\), \(\vec{F}_{\text{traînée}}\).

Hypothèses

Le système est {l'avion} en mouvement rectiligne uniforme (\(\vec{v} = \overrightarrow{\text{constante}}\)) dans le référentiel terrestre galiléen.

Donnée(s)

Aucune donnée numérique n'est requise pour cette question qualitative.

Astuces

Pensez aux forces par paires opposées : Poids vs. Portance (vertical) et Poussée vs. Traînée (horizontal).

Schéma (Avant les calculs)

On représente l'avion en vol avec les quatre forces agissant sur son centre de gravité.

Bilan des forces en phase de croisière
PousséeTraînéePoidsPortance
Calcul(s)

Aucun calcul n'est demandé.

Schéma (Après les calculs)

Le schéma illustre l'équilibre des forces : les vecteurs opposés ont la même longueur.

Équilibre des forces en croisière
Réflexions

Le fait que l'avion soit en mouvement rectiligne uniforme implique que, vectoriellement, la somme de ces quatre forces est nulle. C'est le principe d'inertie.

Points de vigilance

Ne pas confondre la "traînée" (frottement de l'air) avec les "frottements" au sol. En vol, la traînée est la seule force résistante.

Points à retenir

En vol de croisière, les quatre forces sont : Poids, Portance, Poussée, Traînée.

Le saviez-vous ?

La portance est créée par la différence de vitesse de l'air entre le dessus (extrados) et le dessous (intrados) de l'aile. L'air allant plus vite sur le dessus bombé, la pression y est plus faible (principe de Bernoulli), ce qui crée une aspiration vers le haut.

FAQ
Résultat Final

Le bilan des forces en croisière est la liste des quatre forces identifiées : le poids \(\vec{P}\), la portance \(\vec{F}_{\text{portance}}\), la poussée \(\vec{F}_{\text{poussée}}\) et la traînée \(\vec{F}_{\text{traînée}}\).

A vous de jouer

Si le pilote réduit la poussée des moteurs sans changer d'altitude, que va-t-il se passer initialement ?


Question 6 : En appliquant le principe d'inertie, déterminer la valeur de la portance et de la poussée en croisière.

Principe

Le mouvement est rectiligne uniforme, donc l'accélération est nulle (\(\vec{a} = \vec{0}\)). La première loi de Newton (principe d'inertie) s'applique : la somme vectorielle des forces est nulle.

Mini-Cours

L'équation vectorielle \(\sum \vec{F}_{\text{ext}} = \vec{0}\) peut être projetée sur deux axes (horizontal et vertical) pour obtenir deux équations scalaires. Cela permet de trouver des forces inconnues si les autres sont connues.

Remarque Pédagogique

C'est un cas d'équilibre statique "en mouvement". Même si l'avion bouge, du point de vue des forces, tout se passe comme s'il était immobile car il n'y a pas d'accélération.

Normes

Les calculs doivent être faits en utilisant le Système International pour les unités.

Formule(s)
\[ \sum \vec{F}_{\text{ext}} = \vec{P} + \vec{F}_{\text{portance}} + \vec{F}_{\text{poussée}} + \vec{F}_{\text{traînée}} = \vec{0} \]
Hypothèses

On utilise un repère cartésien (O, \(\vec{i}\), \(\vec{j}\)) avec (Ox) horizontal et (Oy) vertical. Le vol est parfaitement horizontal.

Donnée(s)
  • \(m = 75 000 \text{ kg}\)
  • \(g = 9.81 \text{ N/kg}\)
  • \(F_{\text{traînée, c}} = 25 000 \text{ N}\)
Astuces

Résolvez les équations pour les axes vertical et horizontal séparément. L'un vous donnera la portance, l'autre la poussée.

Schéma (Avant les calculs)

On reprend le schéma de la question 5 en y ajoutant les axes de projection (Ox) et (Oy).

Bilan des forces avec les axes de projection
yx
Calcul(s)

Projection sur l'axe vertical (Oy) :

\[ \begin{aligned} \sum F_y = F_{\text{portance}} - P &= 0 \\ F_{\text{portance}} &= P \\ &= m \cdot g \\ &= 75000 \text{ kg} \times 9.81 \text{ N/kg} \\ &= 735750 \text{ N} \end{aligned} \]

Projection sur l'axe horizontal (Ox) :

\[ \begin{aligned} \sum F_x = F_{\text{poussée}} - F_{\text{traînée}} &= 0 \\ F_{\text{poussée}} &= F_{\text{traînée}} \\ &= 25000 \text{ N} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

Le schéma illustre l'équilibre des forces : les vecteurs opposés ont la même longueur.

Équilibre des forces en croisière
25 000 N25 000 N735 750 N735 750 N
Réflexions

On remarque que la poussée nécessaire en croisière (25 000 N) est bien plus faible que celle au décollage (240 000 N). C'est parce qu'au décollage, les moteurs doivent vaincre les frottements ET accélérer la masse énorme de l'avion, alors qu'en croisière, ils ne font que compenser la traînée de l'air.

Points de vigilance

Ne pas confondre le poids (une force, en Newtons) avec la masse (en kg). Le poids est la force que la masse subit dans un champ de gravité : \(P = m \cdot g\).

Points à retenir

En vol de croisière (mouvement rectiligne uniforme), les forces se compensent deux à deux : la Poussée est égale à la Traînée, et la Portance est égale au Poids.

Le saviez-vous ?

Les avions de ligne volent à haute altitude (environ 10-12 km) car l'air y est moins dense. La traînée est donc plus faible, ce qui signifie que les moteurs ont besoin de fournir moins de poussée pour maintenir la vitesse. Cela permet d'économiser d'énormes quantités de carburant.

FAQ
Résultat Final
\[ F_{\text{portance}} = 735 750 \text{ N} \quad \text{et} \quad F_{\text{poussée}} = 25 000 \text{ N} \]
A vous de jouer

Quelle serait la poussée nécessaire si, à cause d'un changement d'altitude, la traînée de l'avion augmentait à 28 500 N ?


Outil Interactif : Simulateur de Décollage

Utilisez les curseurs pour voir comment la poussée des moteurs et la masse de l'avion influencent son accélération et la distance de décollage nécessaire.

Paramètres d'Entrée
240 kN
75000 kg
Résultats Clés
Accélération (\(a\)) - m/s²
Distance de décollage (\(L\)) - m

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Si la poussée des moteurs augmente, que devient l'accélération de l'avion ?

2. En phase de croisière, si la vitesse est constante, alors...

3. Si la masse de l'avion augmente (plus de passagers ou de cargo), la longueur de piste nécessaire pour décoller...

4. Dans quel référentiel doit-on se placer pour appliquer les lois de Newton ?

5. L'unité de la force dans le Système International est le...


Deuxième loi de Newton
Aussi appelée Principe Fondamental de la Dynamique, elle énonce que la somme des forces extérieures appliquées à un corps est égale au produit de sa masse par son accélération (\(\sum \vec{F} = m\vec{a}\)).
Force
Action mécanique capable de déformer un corps ou de modifier son état de mouvement. Son unité est le Newton (N).
Portance
Force aérodynamique orientée vers le haut, perpendiculaire au vent relatif, qui permet à un aéronef de voler.
Poussée
Force motrice générée par les moteurs d'un avion, dirigée vers l'avant.
Référentiel Galiléen
Un référentiel dans lequel le principe d'inertie (première loi de Newton) est vérifié. Le référentiel terrestre est une bonne approximation d'un référentiel galiléen pour les mouvements de courte durée.
Traînée
Force aérodynamique qui s'oppose au mouvement d'un corps dans un fluide (l'air). Elle est synonyme de frottement de l'air.
Analyse du mouvement d’un avion

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Mouvement d’une boîte sur un plan incliné
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Calcul de l’Énergie Électrique
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Calcul de la Diffraction à travers une Fente
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Calculer l’Accélération d’un Véhicule
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Application des Lois de Newton
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Calcul de la Force Électrostatique
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Analyse d’une onde électromagnétique
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Évaluation de la Pollution Atmosphérique
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Vitesse de Propagation d’une Onde Sismique
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Temps et Vitesse pour un Parachutiste
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Perturbation le long d’une corde
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Principe d’incertitude de Heisenberg
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Application de la Loi de Gay-Lussac
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Diffraction à travers une fente simple
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Calcul de la Fréquence et de l’Énergie
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