Quelques aspects de la physique du vol avec l'A380

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Temps, mouvement et évolution
Type : Exercice | Année : 2015 | Académie : Nouvelle-Calédonie

 

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Nouvelle-Calédonie • Novembre 2015

Exercice 3 • 5 points

Quelques aspects de la physique du vol avec l’A380

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ph © rsum/iStock photo

Dans cet exercice, on s’intéresse à quelques forces mises en jeu dans la physique du vol d’un avion telles que la force de poussée, la portance et la traînée.

L’A380 est le plus gros avion civil jamais conçu et le troisième plus gros avion de l’Histoire. Surnommé « Super Jumbo », il possède un double pont qui s’étend sur toute la longueur du fuselage, lui permettant d’accueillir 555 passagers. D’une masse au décollage de 560 tonnes et emportant jusqu’à 310 000 L de carburant, ce quadriréacteur offre une autonomie record de 15 200 km (grâce en particulier à l’usage massif de matériaux composites). La force de poussée maximale d’un réacteur d’A380 vaut 310 kN.

Modélisation de la physique du vol d’un avion à réaction

Dans le référentiel terrestre supposé galiléen, en vol, l’avion à réaction est soumis essentiellement à l’action de quatre forces :

119988-Eqn1, le poids de l’avion ;

119988-Eqn2 , la portance, générée par l’écoulement de l’air autour de l’avion, de direction perpendiculaire à la direction du mouvement et orientée vers le haut ;

119988-Eqn3 , la traînée, générée également par l’écoulement de l’air autour de l’avion, de même direction que celle du mouvement de l’avion et de sens opposé ;

119988-Eqn4 , la force de poussée exercée par les gaz éjectés à la sortie des réacteurs. On se limite à des situations où la direction et le sens de cette force sont les mêmes que ceux du mouvement de l’avion.

Forces aérodynamiques

La portance et la traînée sont deux forces dites aérodynamiques car elles résultent de l’action exercée par l’air en mouvement relatif sur la surface de l’avion (essentiellement les ailes).

Des expériences effectuées en soufflerie utilisant un écoulement d’air de vitesse variable permettent d’établir les lois suivantes pour des forces aérodynamiques :

119988-Eqn5   119988-Eqn6

avec :

119988-Eqn7, masse volumique de l’air (kg ⋅ m–3) ;

119988-Eqn8, vitesse d’écoulement de l’air par rapport à l’avion (m ⋅ s–1) ;

119988-Eqn9, coefficient de portance (sans unité) ;

119988-Eqn10, coefficient de traînée (sans unité) ;

S, surface utile (en m2).

1. Plein gaz au décollage !

Caroline est une élève de terminale S curieuse et passionnée d’aviation. Elle se demande si le fonctionnement des quatre réacteurs est nécessaire lors de la phase de roulage, c’est-à-dire lorsque l’avion accélère sur la piste avant de décoller.

En lisant un article spécialisé décrivant la phase de roulage de l’A380, elle relève les données techniques suivantes :

distance parcourue sur la piste horizontale : AB = 1,8 km ;

vitesse au début de la phase de roulage (point A) : 0 km ⋅ h–1 ;

vitesse de l’avion à la fin de la phase de roulage (point B) : 320 km ⋅ h–1.

Caroline choisit de faire trois hypothèses valables pendant la phase de roulage :

la force de poussée 119988-Eqn11 est considérée constante ;

la force de traînée est négligeable par rapport à la force de poussée ;

on ne prendra pas en compte les forces de frottement exercées par le sol sur les roues.

1 Calculer la variation d’énergie cinétique 119988-Eqn12 de l’avion entre le début et la fin de la phase de roulage. (0,5 point)

2 La variation d’énergie cinétique de l’avion pendant la phase de roulage est égale à la somme du travail des différentes forces qu’il subit sur ce trajet :

119988-Eqn13

Dans le cadre des hypothèses choisies par Caroline, calculer la valeur de la force de poussée 119988-Eqn14 lors de la phase de roulage et justifier la nécessité ou non du fonctionnement des quatre réacteurs lors de la phase de roulage. (1 point)

2. Le vol de croisière

En vol de croisière entre New York et Hong Kong, l’A380 possède les caractéristiques suivantes :

vitesse de croisière dans le référentiel terrestre : 945 km ⋅ h–1 ;

altitude constante : 10 km ;

surface utile : 845 m2 ;

coefficient de portance 119988-Eqn15 = 0,32 ;

coefficient de traînée 119988-Eqn16 = 0,020 ;

intensité de la pesanteur : = 9,8 m ⋅ s–2.

pchT_1511_11_00C_02

Évolution de la masse volumique de l’air ρ en fonction de l’altitude h

(Modèle de l’atmosphère type internationale ISA, norme ISO2533 : 1975)

Durant le vol de croisière sur une durée suffisamment courte, on considère que :

l’A380 est animé d’un mouvement rectiligne horizontal uniforme ;

sa masse est constante ;

l’atmosphère est supposée immobile dans le référentiel terrestre.

L’étude suivante se fera dans ces conditions. On assimilera l’avion à un point qui sera considéré comme le point d’application des forces auxquelles il est soumis.

1 Représenter sans souci d’échelle mais en tenant compte de la réalité physique, et en justifiant votre tracé, les forces appliquées sur l’avion en vol de croisière. Indiquer le sens de déplacement de l’avion. (0,5 point)

2 Déterminer la valeur de la force de poussée et la comparer à la valeur de la force de poussée maximale des quatre réacteurs. (1 point)

3 Pourquoi est-il pertinent de voler à haute altitude en vol de croisière ? (0,5 point)

4 Calculer la masse de l’Airbus A380 sur cette portion de vol et commenter la valeur obtenue. (1,5 point)

Les clés du sujet

Notions et compétences en jeu

Énergie, travail et forces • Première loi de Newton

Conseils du correcteur

Partie 1

1 L’énergie cinétique est donnée par Ec = 119988-Eqn16bismV2.

2 Utilisez la relation donnée dans l’énoncé entre la variation d’énergie cinétique et le travail des forces s’appliquant sur l’avion. Faites le bilan des forces. N’oubliez pas que le travail d’une force perpendiculaire au déplacement est nul car le cosinus est nul.

Partie 2

1 Pensez au principe d’inertie : l’avion est en mouvement rectiligne uniforme.

2 La force de traînée est égale à celle de poussée. Utilisez le graphique de l’énoncé pour trouver la masse volumique.

3 Il faut encore utiliser le principe d’inertie (la première loi de Newton) : le poids a la même valeur que la portance de l’avion (car le mouvement est rectiligne et uniforme). Déterminez donc la portance, puis le poids et enfin la masse de l’avion.