Bonjour les fans d’aviation !

Bienvenue sur ce tout premier article, qui traite de notions fondamentales qui permettent de bien comprendre le fonctionnement d’un moteur d’avion.

Exceptionnellement, ce sera un peu abstrait, mais je vais faire de mon mieux pour le rendre ludique et intéressant. Promis, la suite sera plus « appliquée », plus concrète.

Pour avoir une idée du cheminement que l’on suivra, je vous invite à consulter cette page qui donne le fil conducteur qui me guidera. N’hésitez pas à y laisser un commentaire si vous avez des remarques, des questions, ou simplement si ça vous plaît et que vous souhaitez m’encourager à aller au bout ! 🙂

Alors vous êtes confortablement installés ? C’est parti !

La deuxième loi de Newton

Ce principe a été énoncé par un scientifique bien connu, the one and only Isaac Newton. Il est généralement désigné sous le nom de « seconde loi de Newton ». En plus court, voici comment on l’écrit :

Cette loi permet de quantifier le lien qu’il y a entre les forces appliquées à un corps et la façon dont il va se déplacer. Balèze non ? Croyez-moi, des ingénieurs utilisent cela tous les jours sous une forme ou une autre. C’est hyper utile.

Vous n’avez pas tout compris ? Pas de panique, la suite est là pour vous aider.

Avant d’aller plus loin, notez les flèches qu’il y a sur le F et le a. Ce sont des quantités vectorielles. C’est un terme un peu pompeux pour dire que l’équivalence (le « = ») porte sur l’intensité, mais aussi sur la direction.

Remarque : pour la suite, nous allons nous affranchir de ces flèches… Principalement parce que je débute avec WordPress et que je n’ai pas encore trouvé le moyen d’intégrer les équations… Je corrigerai quand j’aurai trouvé le bon système. 🙂

Avant de voir ce que veut dire cette équation (n’ayons pas peur des mots), expliquons les différents termes :

F : la force appliquée à un corps, à un objet (ça peut être une fusée, un humain, une boîte de sauce tomate… N’importe, ça marche de la même manière).

m : la masse du corps en question (quelques centaines de tonnes dans le cas d’une fusée, 500g dans le cas d’une boîte de sauce tomate… enfin vous avez compris…)

a : l’accélération. Ah, c’est plus abstrait ça, on va s’y attarder un peu.

L’accélération, c’est la variation de la vitesse du corps qu’on considère. Ceci peut vouloir dire plusieurs choses :

• Une accélération dans le sens de la vitesse implique une augmentation de la vitesse. Jusque là, c’est assez intuitif.
• Une accélération dans le sens opposé à la vitesse implique une diminution de la vitesse. Quoi ? Une accélération qui fait ralentir ? Eh oui, en mécanique, on parle d’accélération dans tous les cas. Il est vrai que dans la vie courante on parle plutôt de décélération, mais en mécanique, une variation de la vitesse est une accélération, qu’elle soit positive ou négative.
• Une accélération perpendiculaire à la vitesse ne modifie pas l’amplitude de la vitesse, mais modifie sa direction… *Mind blown* … On peut donc accélérer en allant toujours à la « même vitesse » ? Oui ! Rappelez-vous qu’on parle bien de quantités vectorielles, donc la direction est bien à prendre en compte également ! Donc changer de direction, tout en allant toujours à la « même vitesse » (en amplitude) est bien une accélération.

Ok, j’espère que les différents termes sontplus clairs. Revenons à Newton, et sa seconde loi : la force est égale à la vitesse fois l’accélération (en termes vectoriels).

Considérons quelques exemples pour rendre tout ça plus intuitif.

Imaginer un petit wagon sur des rails. Il est tout seul, immobile, et un peu triste.

Cas 1 : Le wagon est vide, donc sa masse m est faible.

Vous appuyez du bout du doigt sur le côté du wagon. Votre doigt applique une force ().

Comme vous appliquez une force, le wagon va commencer à bouger : il accélère ( devient différent de zéro, sa vitesse qui était nulle augmente).

Votre doit suit son mouvement et continue à appuyer avec la même force sur le wagon. Le wagon continue donc à accélérer de façon constante : la vitesse continue à augmenter.

Comme il est très léger, il atteint vite une vitesse élevée.Le temps qu’il met pour atteindre une certaine vitesse (disons par exemple 10 km/h) est assez court.

Cas 2 : Le wagon est rempli de plomb, donc sa masse m est très élevée.

Vous appuyez du bout du doigt sur le côté du wagon. Votre doigt applique une force (F), la même que pour le cas 1.

Comme vous appliquez une force, le wagon va commencer à bouger : il accélère (sa vitesse qui était nulle augmente).

Votre doit suit son mouvement et continue à appuyer avec la même force sur le wagon. Le wagon continue donc à accélérer de façon constante : la vitesse continue à augmenter.

Comme il est très lourd, sa vitesse augment très lentement. Le temps qu’il met pour atteindre une certaine vitesse (disons par exemple 10 km/h) est beaucoup plus long.

Bon, ces exemples restent un peu abstraits, mais avec un peu de chance ça vous donner un peu plus d’intuition sur ce que veut dire physiquement cette fameuse seconde loi de Newton.

D’ailleurs, maintenant que nous avons un peu plus d’intuition sur ce qui se passe, nous pouvons formuler cette loi d’une façon plus intuitive comme ceci :

La variation de vitesse d’un objet qui subit une force se fera dans la direction de la force, et avec une intensité proportionnelle à cette force (et le facteur de proportionnalité est la masse).

C’est clair comme ça ? 🙂

Ok cool. Mais en quoi ça nous intéresse ? Eh bien ça va déjà nous être utile dans la suite de cet article, mais surtout, ça nous sera utile quand nous explorerons les différentes parties du moteur d’avion (parce qu’après tout, c’est bien le but de ce blog 🙂 ).

La troisième loi de Newton : le principe d’action-réaction

Que dit ce principe ? L’énoncé moderne que l’on retrouve le plus souvent est le suivant :

« Tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d’intensité égale, mais de sens opposé, exercée par le corps B. »

Bon. Ça sonne bien. Mais qu’est-ce que ça veut dire au juste ?

Imaginons un bloc de granite énorme. Et vous posez votre main sur son côté pour le pousser. (n’hésitez pas à en faire l’expérience si vous avez justement un énorme bloc de granite chez vous)

Cette troisième loi de Newton nous dit que quand on pose la main sur le bloc, celui-ci résiste. Notre main exerce une force dessus, et le bloc exerce une force sur la main.

Premier cas : Imaginons d’abord que le bloc est posé sur le sol.

Est-ce que vous pensez qu’il bougera ? Non, évidemment. Parce qu’il existe une autre force, les frottements, qui empêchent le bloc de se déplacer par rapport au sol.

Le bloc appuie donc sur votre main avec la même intensité que vous appuyez sur lui. Mais dans l’autre sens. Mais… Vous allez bouger à cause de cette force alors ? Non plus, bien sûr, puisque vous aussi êtes posés sur le sol, et il existe aussi des frottements entre vous et le sol !

Dans l’image ci-dessus, les flèches rouges sont les forces appliquées par le bloc de granite, les flèches vertes par vous, et les flèches bleues par le sol. Chaque couleur apparaît deux fois : chaque élément (bloc, sol, vous) applique une force dans un sens à un autre élément, et cette force est compensée par une autre sur un autre élément.

Le système [bloc de granite + vous + le sol] est à l’équilibre : toutes les forces se compensent, et rien ne bouge.

Deuxième cas : Imaginez maintenant qu’on a supprimé la gravité et que le bloc flotte dans l’air.

Vous appuyez très légèrement sur le bloc. Si lourd qu’il soit, il n’y a rien pour compenser la force que vous lui appliquez, l’équilibre n’est plus là. Il va donc se déplacer.

Comment ? Eh bien :  ! La force que vous appliquez dictera directement l’accélération qu’il subira, donc la manière dont il gagnera de la vitesse ! Si vous appuyez doucement, il prendra lentement de la vitesse, si vous appuyez très fort, sa vitesse augmentera plus vite.

Et cette fois, qu’est-ce qui vous arrivera, à vous ? Si vous flottez également dans l’air, vous allez vous aussi être mis en mouvement.

Comment ? Eh bien ici aussi : . La force  qui s’applique sur vous sera de la même amplitude que la force appliquée sur le bloc , mais dans l’autre sens. Mais comme vous êtes (probablement) beaucoup moins lourd qu’un bloc de granite, votre vitesse augmentera beaucoup plus rapidement (comme , si l’amplitude de est la même, mais que  est plus petit, il faut que l’amplitude de soit plus grand, pour maintenir l’équivalence) !

Moteur d’avion

Ben oui… Je ne vous raconte pas tout ça par hasard. Un avion vaut bien un bloc de granite. Surtout un bloc de granite qui flotte en l’air.

Bien sûr, appuyer de la main sur un avion en vol pour le faire avancer n’est pas si simple. Trouvons autre chose.

Autour de l’avion, il n’y a que de l’air. Il faudra bien s’en contenter. Par chance, nous avons vu que même quelque chose de très léger (vous) pouvait mettre en mouvement quelque chose de très lourd (le bloc de granite). Il faut simplement tenir compte du fait que ce quelque chose de très léger doit accélérer beaucoup plus vite que le quelque chose de très lourd.

Ça vous paraît un peu abstrait ? Courage, j’arrive au très concret :

• Nous savons maintenant que nous pouvons faire avancer l’avion en créant une force de réaction sur l’air, c’est-à-dire si l’avion prend appui sur l’air pour se propulser en avant (de la même manière que le bloc de granite peut avancer grâce à l’appui qu’il a sur vous).
• Comme l’air est très léger par rapport à l’avion, il va falloir l’accélérer très vite (a grand) ou en accélérer beaucoup (m grand) (ou les deux) pour qu’il accélère à son tour suffisamment.

Remarque en passant : je parle ici de l’avion qui prend appui sur l’air, et de bloc de granite qui prend appui sur vous, alors que plus haut je parlais de vous qui appuyiez sur le bloc de granite. C’est parce que c’est parfaitement équivalent ! Le principe d’action réaction étant totalement symétrique, peu importe qu’on considère que vous appuyez sur le bloc de granite ou que le bloc de granite appuie sur vous, c’est physiquement parfaitement la même chose.

Voilà le rôle des moteurs d’avion, quels qu’ils soient (turbojet, turbofan, turboprop, open rotor, électrique…). Absolument tous les aéronefs propulsés (pas les planeurs ou parapentes donc), fonctionnent sur ce principe.

Le rôle des moteurs est de propulser de l’air dans une direction, pour que par réaction l’aéronef subisse une force dans le sens opposé. Comme les aéronefs, en particulier les avions de ligne, sont beaucoup plus lourds que l’air, il faut propulser beaucoup d’air à grande vitesse.

Ce que je vous propose dans ce blog, c’est d’explorer au fur et à mesure des articles comment les moteurs qui propulsent nos avions remplissent ce rôle, comment ils sont conçus et fabriqués, quels sont les enjeux et comment fonctionne la maintenance de ces machines, quelles sont les perspectives d’avenir, comment les industriels et les startups cherchent à réinventer la propulsion pour la rendre plus verte… On n’aura pas le temps de s’ennuyer !

Qu’avons-nous appris dans cet article ?

• Newton était un gars très malin qui nous a appris, entre autres :
  • Que l’accélération que subit un corps dépend de la force qui lui est appliquée et de sa masse.
  • Que le fait d’appliquer une force à un corps fait qu’on subit une force en retour.
• Ces deux lois combinées nous permettent de comprendre le rôle du moteur des avions :
  • Les moteurs appliquent une force sur l’air environnant, pour que par réaction l’avion soit propulsé dans la direction opposée.
  • La force appliquée par le moteur sur l’air est due au fait que le moteur accélère l’air environnant.

Dans le prochain article, nous verrons pourquoi les avions volent, ce qui nous permettra d’introduire d’autres notions intéressantes pour comprendre les moteurs.

Le mot de la fin

Pour en savoir plus sur qui je suis et mes motivations, n’hésitez pas à venir faire un tour sur la page d’introduction, où je vous en dis plus sur mon parcours d’ingénieur en aéronautique !

Ceci est le premier article, qui introduit un sujet un peu complexe mais passionnant, et que je souhaite faire découvrir et rendre accessible à un maximum de monde ! J’ai tenté de présenter des notions fondamentales en mécanique (les lois de Newton) sous un angle intuitif et abordable, mais si quelque chose n’est pas clair, si vous avez des questions, des recommandations ou autre, n’hésitez pas à les partager en commentaire. Le travail que j’entreprends n’a pas de sens s’il ne vous parle pas !