I) Les G en aéronautique

 

La force centrifuge consent d’expliquer d’une manière simple certains phénomènes physiques. En effet, elle permet de connaître l’accélération subite par l’objet, lors d’un déplacement. Cette force est présente en continu, dès que nous marchons, que nous nous baissons. Elle existe à partir du moment où notre corps effectue un mouvement circulaire ou une accélération. Cependant, la quantité de G subit est infime, c’est pour cela que nous ne la sentons pas. Elle s’exerce en aéronautique dans trois situations principales : lors d’un looping avant ou arrière, d’un virage, et lors d’une accélération. Les loopings peuvent être cumulés à des virages. Cette force d’accélération est répercutée sous forme d’une variation de poids. Cette force gravitationnelle existe sous différentes formes appelées les G positifs ou les G négatifs. La dénomination de la force dépend du sens de rotation dans lequel les loopings sont exercés. Les virages et loopings arrière (sens contraire des aiguilles d’une montre) créeront des G positifs, contrairement aux G négatifs qui n’existent qu’en cas de looping avant.

 

   G positif

G négatif

En plus de ces deux forces d’accélération, il y a aussi les G obliques. Ils agissent lors d’une accélération brutale et linéaire.

 

G oblique

A bord de son avion, le pilote peut regarder le nombre de G qu’il subît sur un appareil de bord : l’accéléromètre. Cet instrument de mesure est représenté par un boitier contenant une petite masselotte qui, lors d’un virage, exerce des pressions sur des ressorts. Une masselotte est une bille qui va pousser plus ou moins fort un ressort lors d’une soumission aux G. La pression perçue par le ressort va indiquer un nombre de G plus ou moins importants. L’accéléromètre sert à calculer les différents axes : l’axe vertical, horizontal et oblique. Un avion de chasse en possède plusieurs. Il en a un qui indique les G perçus en fonction de la vitesse fournie par le moteur. Il se situe dans sa centrale inertielle. Une centrale inertielle est un appareil placé dans l’avion qui calcule l’accélération, la vitesse angulaire et ,,,,,la vitesse. La donnée perçue par l’accéléromètre tiendra donc compte de ces facteurs. Un autre accéléromètre est placé dans la valve anti-g du pilote. Ce dernier tient compte de l’intensité des G sans prendre en considération d’autres facteurs.

Sur ce schéma nous pouvons voir un rectangle bleu qui représente la masselotte et un ressort. Dans ce cas, les G calculés seront dans l’axe vertical et c‘est pour cela qu’un avion en possède plusieurs afin d’avoir tout les axes (horizontal, vertical, oblique).

accéléromètre avec aiguilles

de nos jours, les avions de chasses sont équipés d'accéléromètre éléctronique.

Cependant cette force d’accélération peut être calculée à l’aide de formules. Ces formules obtiennent des résultats en m/s² c’est pour cela que l’on change l’unité pour les exprimer en G, afin d’être plus explicite : 2G équivaut à dire que l’objet pèse deux fois le poids d’origine. Pour effectuer ce changement nous savons qu’un G équivaut à 9,81 m/s², on divisera donc le nombre de m/s² par 9,81. Par exemple, si la force centrifuge est de 60 m/s² alors l’objet subira une force de 6,11G (60/9,81). Cependant, la transition en m/s² peut varier en fonction de la latitude ou de l’altitude. 9,81m/s² est la valeur utilisée à Paris. Par exemple, à 20 000 mètres il faut utiliser la transition : 9,745 m/s²= 1G. Dans le cadre ou cela s’applique dans un cercle : 1G=32,2 π /s²

La force centrifuge n’est pas perçue dans tous les référentiels.Ainsi, si l’on est dans un référentiel inertiel, elle n’existe pas car on voit simplement l’inertie de l’objet, c’est à dire le déplacement des objets. Dans un référentiel inertiel les lois de Newton s’exercent, c’est à dire que les forces se compensent et que l’objet effectue un mouvement rectiligne et uniforme. C’est pour cela que l’on se place toujours dans un référentiel non inertiel. La force centrifuge et la force centripète sont liées, en effet, si la force centripète est relâchée, la force centrifuge n’existe plus. Cependant, il faut bien distinguer ces deux dernières, la force centripète est la force qui maintient l’objet dans l’axe de rotation contrairement à la force centrifuge qui le pousse vers l’extérieur, ces deux forces se compensent. En aéronautique, ces deux forces exercent des pressions sur l’avion, mais seule la force centrifuge en exerce une sur le pilote. La force centrifuge et la force centripète disparaissent dès que l’avion quitte son virage. A partir du moment où il arrête de tourner, il part en suivant l’axe de la tangente au cercle

De nombreuses formules peuvent permettre de calculer le nombre de G crées. Les G se créent dans une ligne droite ou dans un virage. Nous nommerons « a » cette force d’accélération.

Tout d’abord cette force peut être constatée suite à une accélération rectiligne. Dans ce cas, on utilise la formule suivante :

a= (V2-V1) / (T2-T1)

V1 correspond à la vitesse pour le temps 1 (T1) et V2 pour T2

La vitesse est en m/s² ou Km/h et le temps en minute ou heure

Nous pouvons illustrer cette formule avec l’exemple suivant :

Lors du décollage d’un avion, l’avion subit une accélération très rapide lui permettant ainsi de lutter contre l’attraction terrestre. Lors de son décollage il suit un mouvement uniforme et rectiligne. Durant cette manœuvre, trois forces principales peuvent être remarquées: la poussée, la force d’inertie et le poids. La force d’inertie et le poids donnent la force résultante.

Par exemple, un avion de chasse, au décollage, passe de 0 à 216 km/h (0m/s à 60m/s) en 10 secondes.

a= (V2-V1) / (T2-T1)

Dans ce cas, F= (60-0) / (10-0)

= 60/10

= 6 m/s²

Or comme sur Terre 1G = 9.81 m/s², le pilote subira 6 / 9.81 = 0.6 G.

Dans ce cas, il s’agira de G oblique. L’avion reste dans le même axe.

On peut donc conclure que hormis les manœuvres de catapultage d’un porte avion, le décollage d’un avion de chasse n’a pas une valeur très élevée.

D’autre part, le facteur « G » peut être perçu dans une courbe, dans ce cas d’autres éléments seront pris en comptes tel que le rayon du cercle de la trajectoire:

a= v²/R

v en km/ h et R en km ou v en m/s et R en m

Nous utiliserons comme exemple avion effectuant un virage à vitesse et inclinaison constante, c’est un mouvement circulaire uniforme. Il y a quatre vecteurs forces qui s’exercent alors : la vitesse (en tout point tangent au cercle), l’accélération (orienté vers le centre du cercle = centripète/radiale), et la force F d’inertie (orienté à l’opposé) et la force centrifuge.

Soit un avion effectuant un virage de rayon 1 km, à une vitesse constante de 900 km/h soit 257 m/s.

Ainsi, l’accélération sera : v²/r soit 257²/1000 = 66m/s²

66/9.81 = 6.73 G

On remarquera que ce sont lors des manœuvres et des courbes que l’avion et le pilote subissent les plus fortes accélérations. Cette formule peut aussi être prise en compte lors de loopings. Cette formule sera simplement utilisée dans l’axe vertical. Si l’avion effectue un looping arrière, les G crées seront donc des G positifs. Il n’y pas de formules à proprement dit qui obtiennent des résultats en G négatifs, cependant, il nous suffit de voir l’axe dans lequel l’avion effectue son looping pour voir s’il s’agit de G dit positif ou négatif.

Enfin, dans certains cas, comme dans une centrifugeuse, la vitesse n’est pas exprimée en m/s mais en rad/s, on utilise donc la formule :

a= r.w²

a : force d’accélération

r :rayon du bras de la centrifugeuse

w : vitesse de rotation

w= kπ /t

k π : angle en radian

t : temps en seconde

Pour avoir des mesures en π on peut utiliser un cercle trigonométrique :

Par exemple :

Si lors d’un entraînement militaire un apprenti pilote est dans une centrifugeuse qui possède une capsule au bout d’un bras de 5m effectuant la moitié d’un tour (pi/2) en 1s, on peut calculer la vitesse de rotation de la façon suivante:

On sait qu’un demi tour est égal à π donc w= π/1= π

a =5. π²

=49,36 m/s²

=49,36 / 9,81 G

=5,03 G

L’apprenti subît donc 5,03 G.

Puisque les G peuvent être dangereux, il fut important de développer une autre machine qui pouvait recréer cette force d’accélération sans risquer que le pilote perde connaissance et que cela puisse entraîner sa mort et ou celle d’autrui. Des ingénieurs ont donc cherchés un moyen de les créer sans devoir être à bord d’un avion, c’est pour cela qu’ils ont inventé la centrifugeuse. Cette idée leur est venue en constatant que cette force n’existait que lors de virage. Ils ont donc inventés une machine qui tournait autour d’un axe. La première centrifugeuse à taille humaine fut inventée par les professeurs Franks et Banting qui voulaient réaliser des expériences sans avoir à subir les aléas climatiques. Ils souhaitaient diminuer le risque de décès causé par une perte de connaissance. La centrifugeuse fut fabriquée en 1931. Elle était composée d’un bras et d’un cockpit, le moteur qui la faisait s’actionner provenait d’un moteur de tramways de 200 chevaux. Lorsqu’elle était mise en route, tout le quartier était privé de tramways, à cause de sa consommation importante en électricité.

La première centrifugeuse

Centrifugeuse utilisée par la NASA

Un autre moyen a été utilisé par l’armée pour placer des militaires dans des situations réelles, il s’agit de simulateur de vol à vérin hydraulique dans lequel le pilote est attaché. Des vérins placés sous ses jambes exercent des forces en fonction du virage ou de la rotation effectués par le pilote. Nous savons que ce genre de simulateur existe sur des mirages 2000. Cependant, ceci étant un dossier secret défense, aucune photo n’est disponible.

Par ailleurs, cette force n’est pas toujours supportée par le corps humain et l’avion, elle peut engendrer des dégâts si elle est trop longue et si la valeur des G est conséquente.

La force centrifuge a des répercutions sur l'organisme,c'est pour cela que de nombreux spécialistes cherchent tous les dégats que cette force peut causer sur l'organisme.

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