Physique conso avion décollage

Intro Depuis mon enfance, je suis passionné par l’aéronautique. En effet, j’adorais observer les avions décoller depuis l’aérogare, je pouvais les contempler pendant des heures sans jamais m’en lasser. C’était un plaisir de les voir quitter le sol et s’envoler dans les nuages. Cependant, ce qui était le plus gênant pendant cette phase, c’est le fait qu’ils rejetaient beaucoup de gaz carbonique dans l’atmosphère entraînant des problèmes environnementaux. Je me suis donc demandé s’il n’existait pas un moyen de les faire décoller tout en limitant leur consommation de kérosène dans l’optique de limiter leur impact environnemental. Sachant que l’industrie aéronautique est en pleine croissance tout autour du globe, il semble légitime de trouver une solution à ce problème majeur du 21ème siècle Dans quelle mesure peut-on déterminer l’accélération optimale d’un avion au décollage pour limiter l’impact environnemental ? Nous établirons dans un premier temps les actions mécaniques qui s’exercent sur un avion, dans un second temps nous étudierons le lien entre la poussée des réacteurs et la combustion. Enfin, on en déduira l’accélération obtenue. Développement Dans un premier temps, nous allons définir les forces qui s’exercent sur l’avion lors de son décollage. Pour cela, commençons par définir le système à étudier en l’occurrence l’avion. Ensuite, il est nécessaire de choisir le bon référentiel d’étude. On prendra le référentiel terrestre car l’avion décolle à la surface de la Terre. Suite à cela, on peut définir les forces extérieures exercées sur l’avion en précisant leur direction et leur sens. Dans le cas d’un avion, il en existe 4. Tout d’abord, la poussée qui est dirigée horizontalement dans le sens du mouvement de l’avion. Ensuite la traînée qui est orientée dans le sens opposé du mouvement de l’aéronef. Puis le poids qui est orienté verticalement vers le bas. Enfin la portance dirigée verticalement vers le haut. Par souci de simplification, on considérera que ces forces s’appliquent sur un même et seul point d’application. Mais en réalité, ce n’est pas le cas. Intéressons nous désormais sur la force de poussée qui est celle qui permet à l’aéronef d’accélérer. La question qui se pose donc à présent est: Comment est-elle produite ? Pour qu’un avion puisse décoller, il a besoin de produire une poussée à partir de ces moteurs qu’on appelle turboréacteurs. Le turboréacteur est un système de propulsion qui transforme l’énergie chimique contenu dans le carburant, associé à un comburant, en énergie cinétique permettant de générer une force de réaction dans le sens opposé à l’éjection. Ceci est une conséquence de la troisième loi de Newton qui énonce que tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d’intensité égale, de même direction mais de sens opposé, exercée par le corps B. Plus concrètement, un dégagement d’énergie est provoqué par la combustion du kérosène, dans le dioxygène de l’air qui traverse la machine. Une partie de l’énergie produite est récupérée par la turbine à la sortie de la chambre de combustion, puis va entraîner le compresseur situé juste en aval de l’entrée d’air. L’autre partie du flux chaud, produit la poussée par détente dans la tuyère d’éjection. Sauf que pour accélérer, l’avion nécessite toute la puissance de ces turboréacteurs pour créer la poussée de décollage. Par conséquent, ces turboréacteurs ont besoin de produire un important dégagement

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d’énergie qui se manifeste par une très grosse injection de kérosène dans la chambre de combustion favorisant ainsi un rejet conséquent de CO2 dans l’atmosphère. Maintenant, sachant d’où vient la production de la poussée, nous devons déterminer l’accélération obtenue au décollage. D’après les données d’Airbus et Boeing, un avion, à accélération constante, décolle à une vitesse moyenne de 72 m/s sur une distance de 1600 mètres environ. Donc par définition de la vitesse moyenne,Vmoy=(Vf+Vi)/2=d/t. De plus, en supposant que l’accélération est constante, valeur est égale au coefficient directeur de la vitesse en fonction du temps ( par définition l’accélération est égale à la dérivée de la vitesse par rapport au temps) soit a=(Vf-Vi)/t (a est égale au coefficient directeur de la droite de v(t)) Étant donné qu’on connaît les valeurs de d, Vf et Vi, on en déduit l’accélération en combinant les 2 formules, soita=(Vf²-Vi²)/2d. On obtient donc une accélération de 1.62 m/s². Or les deux avionneurs recommandent une accélération optimale comprise entre 1.8 et 2.0 m/s² . On en conclut qu’elle n’est pas optimale. Néanmoins, n’existe-t-il pas un autre paramètre permettant d’optimiser cette accélération ? Conclu Effectivement, la seconde loi de Newton, énonce que l’accélération d’un avion ne dépend que de celui-ci car la somme des forces extérieures est égale au produit de la masse par l’accélération. Ainsi, pour accroître l’accélération au décollage de l’avion, il faut diminuer sa masse en utilisant par exemple des matériaux composites tels que le GLARE, qui est un assemblage de fibres de verre et d’aluminium, ou alliages. Ces matériaux ont la particularité d’être légers ce qui rend leur utilisation bénéfique dans l’aéronautique d’autant plus qu’ils permettent aux avions d’augmenter leur accélération tout en réduisant leur consommation de carburant au décollage et par conséquent, l’impact environnemental lié. Support -Formule de la vitesse, vitesse moyenne et accélération (dérivée de la vitesse) -Schéma d’un avion avec les forces s’exerçant sur lui

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