La traînée est la force aérodynamique qui s’oppose au mouvement d’un avion dans l’air. La traînée est générée par chaque partie de l’avion (même les moteurs !).Comment la traînée est-elle générée ?
La traînée est une force mécanique. Elle est générée par l’interaction et le contact d’un corps solide avec un fluide (liquide ou gaz). Elle n’est pas générée par un champ de force, au sens d’un champ gravitationnel ou d’un champ électromagnétique, où un objet peut affecter un autre objet sans être en contact physique. Pour que la résistance soit générée, le corps solide doit être en contact avec le fluide. S’il n’y a pas de fluide, il n’y a pas de traînée. La traînée est générée par la différence de vitesse entre l’objet solide et le fluide. Il doit y avoir un mouvement entre l’objet et le fluide. S’il n’y a pas de mouvement, il n’y a pas de traînée. Il n’y a pas de différence si l’objet se déplace dans un fluide astatique ou si le fluide passe devant un objet solide statique.
La traînée est une force et est donc une quantité vectorielle ayant à la fois une magnitude et une direction.La traînée agit dans une direction opposée au mouvement de l’avion. La portance agit perpendiculairement au mouvement.Il y a de nombreux facteurs qui affectent l’ampleur de la traînée.Beaucoup de ces facteurs affectent aussi la portancemais il y a certains facteurs qui sont uniques à la traînée de l’avion.
Nous pouvons penser à la traînée comme à une friction aérodynamique, et l’une des sources de la traînée est la friction de la peau entre les molécules de l’air et la surface solide de l’avion. Comme le frottement cutané est une interaction entre un solide et un gaz, l’ampleur du frottement cutané dépend des propriétés du solide et du gaz. Pour le solide, une surface lisse et cirée produit moins de frottement cutané qu’une surface rugueuse. Pour le gaz, l’ampleur dépend de la viscosité de l’air et de l’importance relative des forces visqueuses par rapport au mouvement de l’écoulement, exprimée par le nombre de Reynolds. Le long de la surface solide, une couche limite d’écoulement de faible énergie est générée et l’ampleur du frottement de la peau dépend des conditions dans la couche limite.
On peut aussi considérer la traînée comme une résistance aérodynamique au déplacement de l’objet dans le fluide. Cette source de traînée dépend de la forme de l’avion et est appelée traînée de forme. Lorsque l’air s’écoule autour d’un corps, la vitesse et la pression locales sont modifiées. Comme la pression est une mesure de l’élan des molécules de gaz et qu’un changement d’élan produit une force, une distribution de pression variable produira une force sur le corps. Nous pouvons déterminer l’ampleur de la force en intégrant (ou en additionnant) la pression locale multipliée par la surface du corps entier. La composante de la force aérodynamique qui est opposée au mouvement est la traînée ; la composante perpendiculaire au mouvement est la portance.La force de portance et la force de traînée agissent toutes deux par le centre de pression de l’objet.
Il existe une composante de traînée supplémentaire causée par la génération de la portance. Les aérodynamiciens ont nommé cette composante la traînée induite.Elle est aussi appelée « traînée due à la portance » car elle ne se produit que sur des ailes finies et portantes. La traînée induite est due au fait que la répartition de la portance n’est pas uniforme sur une aile, mais varie de l’emplanture à l’extrémité de l’aile. Des tourbillons se forment aux extrémités de l’aile, ce qui produit un écoulement tourbillonnaire qui est très fort près des extrémités de l’aile et qui diminue vers l’emplanture de l’aile. L’angle d’attaque local de l’aile est augmenté par l’écoulement induit du tourbillon de bout d’aile, ce qui donne une composante supplémentaire, orientée vers l’aval, à la force aérodynamique agissant sur l’aile. Cette force est appelée traînée induite car elle a été « induite » par l’action des tourbillons de bout d’aile.L’ampleur de la traînée induite dépend de la quantité de portance générée par l’aile et de la répartition de la portance sur l’envergure. Les ailes longues et minces (dans le sens de la corde) ont une faible traînée induite ; les ailes courtes avec une grande corde ont une forte traînée induite. Les ailes avec une répartition elliptique de la portance ont une traînée induite minimale. Les avions de ligne modernes utilisent des ailettes pour réduire la traînée induite de l’aile.
Deux sources supplémentaires de traînée sont la traînée de vague et la traînée de bélier. Lorsqu’un avion s’approche de la vitesse du son, des ondes de choc sont générées le long de la surface. Les ondes de choc produisent un changement de pression statique et une perte de pression totale.La traînée d’onde est associée à la formation des ondes de choc. L’ampleur de la résistance aux ondes dépend du nombre de Mach de l’écoulement. La traînée de compression est produite lorsque de l’air libre est amené à l’intérieur de l’avion.Les moteurs à réaction amènent de l’air à bord, mélangent l’air avec du carburant, brûlent le carburant, puis évacuent les produits de combustion pour produire de la poussée.Si nous examinons l’équation de base de la poussée, il y a un terme de débit massique multiplié par la vitesse d’entrée qui est soustrait de la poussée brute.Ce terme de « poussée négative » est la traînée de bélier.Les entrées de refroidissement sur l’avion sont également des sources de traînée de bélier.
Vous pouvez visionner un court-métrage de « Orville et Wilbur Wright » discutant de la force de traînée et de la façon dont elle a affecté le vol de leur avion. Le fichier du film peut être enregistré sur votre ordinateur et visionné en podcast sur votre lecteur de podcast.
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