Le vol supersonique sans
"bang".
...Imaginons
un profil lenticulaire immergé dans un courant gazeux supersonique. Des
ondes de choc (attachées) vont se créer, des ondes planes. Deux
de ces ondes partiront du bord d'attaque et deux autres se localiseront au voisinage
du bord de fuite. En perspective :
Vue de profil :
Analogie hydraulique.
...Il
existe une façon très simple de comprendre, par analogie, le mécanisme
de formation des ondes de choc. Dans un écoulement liquide à surface
libre, la propagation des ondes de surface est équivalente à celle
du son dans un gaz. Prenons par exemple une masse fluide au repos. Un pêcheur
à la ligne surveille son bouchon et tire légèrement sur
son fil. Ce flotteur va osciller et entraîner le départ d'ondes
circulaires, qui vont se propager à une vitesse de l'ordre de quelques
centimètres par seconde :
...Dans
votre baignoire, vous arriverez au même résultat en déplaçant
de bas en haut un cure-dent, ou une allumette.
Si le fluide est en mouvement
(vue du dessus), ces ondes circulaires, qui n'ont pas été émises
au même moment, vont se décentrer :
...L'image
de droite correspond à un mouvement "sonique". Les ondes sonores sont
l'image d'une perturbation de pression dans un gaz. Ces expériences d'analogie
hydraulique, jadis enseignée à l'Ecole Nationale Supérieure
de l'Aéronautique (Supaéro), dont je suis issu, faisaient l'objet
de travaux pratiques.
...Que
se passe-t-il quand le fluide se déplace à une vitesse supérieure
à la vitesse de propagation des ondes de surface ? On obtient le schéma
ci-après :
..Les
perturbations émises par l'objet vont avoir tendance à s'accumuler
selon une deux lignes issues de l'objet.
...Tout
le monde n'a pas un cours d'eau à portée de la main. Aussi, au
lieu de considérer un objet immobile placé dans un courant liquide
on peut tout aussi bien déplacer celui-ci et obtenir le même résultat.
Vous ferez de même dans l'eau de votre baignoire, en déplaçant
votre allumette, ou la pointe de votre cure-dent en bois, plus pointue. Se formeront
alors ce qu'on appelle des "ondes de Mach". Si on connaît la vitesse a
de déplacement des ondes de surface et la vitesse V de déplacement
de l'objet, il est facile de calculer l'angle de Mach a
.
...Inversement,
si on mesure cet angle a
on peut calculer la vitesse V du fluide.
...Ces
ondes de Mach seront d'autant lus couchées que cette vitesse V est élevée.
...Un
déversoir est un excellent laboratoire d'hydraulique où la vitesse
V est variable, croissante vers l'aval. Si on place son allumette dans l'eau,
on observera ceci :
..Un
autre "laboratoire d'hydraulique" est constitué par un caniveau. Les
aspérités présentes à la surface verticale du trottoir,
en contact avec l'eau en écoulement, entraînent le départ
d'ondes de Mach,de même que celles qui bordent l'autre extrémité
du canal liquide. La surface de l'eau est ainsi strillée par ce réseau
d'onde, qui indiquent à la fois la direction et la vitesse de l'écoulement.
Le fluide s'écoule selon la bissectrice intérieure des ondes de
Mach. SI l'écoulement, dans le caniveau, s'effectue à vitesse
constante, la surface liquide se trouve striée d'ondelettes, d'ondes
de Mach, formant des "hachures parallèles" :
...Si
la vitesse de l'eau croît, vers l'aval, parce que la déclivité
croît, les ondes vont se coucher :
..Phénomène
inverse s'il y a ralentissement du fluide, parce que la pente diminue :
..Ce
ralentissement, dans un caniveau, peut être dû au frottement de
l'eau sur le sol, quand la profondeur devient assez faible. Si vous regardez
de près un écoulement, vous observerez ceci :
...Les
ondes de Mach se redressent au fur et à mesure qu'on approche du "bord
de l'eau", le frottement sur le sol ralentissant l'écoulement. Quand
les ondes deviennent perpendiculaires à l'écoulement, la vitesse
s'est abaissée jusqu'à celle de la propagation des ondes de surface.
L'écoulement est devenu "subsonique". Dans cette région les ondes
de mach disparaissent. Si vous plongez une allumette ou une épingle à
cheveux dans l'écoulement, vous pourrez le vérifier.
...Il
y a ainsi beaucoup de choses à apprendre de l'observation des caniveaux.
...Si
le caniveau tourne, on aura deux cas de figure. Voici le premier :
..En
prenant ce virage, l'eau va s'accélérer. On obtient ce qu'on appelle
en mécanique des fluides un "éventail de détente". Le fait
que les caractéristiques se couchent signalent cette accélération.
Corrélativement, la hauteur l'eau, équivalant à la pression
dans un gaz, va baisser. On peut compléter ce dessin en faisant figurer
la deuxième famille d'ondes de Mach :
....Pour en savoir plus sur la MHD,
se référer à la bande dessinée que j'ai publiée
en 1983 aux Editions Belin, 8 rue Férou, Paris 75006. Vous pouvez avoir
également la version-cd de cet album sur le "Cd-Lanturlu".
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Compteur initialisé le 1° juin 2000