Module 2: Physics

Module 2 : Physique — Vue d'ensemble

Le module 2 du programme de connaissances de base EASA Part-66 fournit les principes physiques fondamentaux qui sous-tendent tous les systèmes et structures des aéronefs. Il ne s'agit pas simplement d'un exercice académique ; c'est la base théorique essentielle permettant au personnel de certification de comprendre comment et pourquoi les composants d'un aéronef se comportent comme ils le font. Ce module couvre la matière, la mécanique, la thermodynamique, l'optique et le mouvement ondulatoire, et il est un prérequis pour comprendre les modules plus avancés sur l'aérodynamique, les systèmes électriques et les structures.

Le programme est structuré en sous-modules, chacun traitant d'un domaine central de la physique. Les niveaux de connaissances (1, 2 ou 3) déterminent la profondeur de compréhension requise. Pour une licence B1.1, une compréhension détaillée (niveau 3) est attendue pour la plupart des sujets, ce qui signifie que vous devez être capable d'appliquer les principes pour résoudre des problèmes et expliquer le comportement des systèmes.

Ce matériel d'étude synthétise les concepts clés du programme, en se concentrant sur les domaines les plus fréquemment examinés. Il est structuré pour construire votre compréhension, des définitions fondamentales aux applications complexes.

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2.1 Matière et Unités

Le Système international d'unités (SI)

L'aviation est une industrie internationale, et le système SI est la norme pour tous les calculs d'ingénierie, les publications techniques et les données de maintenance. Bien que les unités impériales héritées (psi, pouces, livres) puissent encore apparaître dans certains documents plus anciens, tous les manuels d'aéronefs modernes et les données de certification utilisent les unités SI. Le personnel de certification doit être à l'aise pour convertir entre ces systèmes.

Les sept unités de base du SI sont :

Toutes les autres unités sont dérivées de celles-ci. Par exemple, l'unité de force, le newton (N), est dérivée comme kg·m/s².

Unités dérivées clés en aviation

• Force : Le newton (N) est la force requise pour accélérer une masse de 1 kg à un taux de 1 m/s². C'est une définition fondamentale.
• Pression : Le pascal (Pa) est défini comme un newton par mètre carré (N/m²). Comme le pascal est une petite unité, les pressions en aviation sont souvent exprimées en kilopascals (kPa), mégapascals (MPa) ou bars (1 bar = 100 000 Pa).
• Énergie/Travail : Le joule (J) est le travail effectué lorsqu'une force de 1 newton déplace un objet de 1 mètre dans la direction de la force.
• Puissance : Le watt (W) est le taux d'exécution du travail, égal à un joule par seconde (J/s).
• Charge électrique : Le coulomb (C) est la quantité de charge transportée par un courant constant d'un ampère en une seconde.
• Fréquence : Le hertz (Hz) est un cycle par seconde.

Conversion d'unités

La capacité à convertir entre les unités impériales et SI est une compétence pratique pour la maintenance. Les conversions les plus critiques pour le module 2 sont :

• Pression : 1 psi = 6,89476 kPa. Par conséquent, une pression de système hydraulique courante de 3000 psi équivaut à 20,68 MPa.
• Longueur : 1 pouce = 25,4 mm ; 1 mètre = 1000 millimètres.
• Masse : 1 kg = 2,20462 lb.
• Force : 1 N = 0,2248 lbf.

Point d'examen : Vous devrez effectuer ces conversions avec précision. Une erreur courante consiste à mal placer la virgule décimale lors de la conversion entre mm² et m² (par exemple, 1 mm² = 1 × 10⁻⁶ m²).

Grandeurs scalaires et vectoriellesUne distinction fondamentale en physique existe entre les scalaires et les vecteurs.

• Les grandeurs scalaires n'ont qu'une magnitude (une valeur numérique). Des exemples incluent la masse, la température, le temps, la vitesse et l'énergie.
• Les grandeurs vectorielles ont à la fois une magnitude et une direction. Des exemples incluent la force, la vélocité, le déplacement et l'accélération.

Cette distinction est essentielle en mécanique. Par exemple, lors de l'analyse des forces agissant sur un aéronef, vous devez considérer à la fois la magnitude et la direction de chaque force.

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2.2 Mécanique : Statique, Dynamique et Résistance des Matériaux

Statique : Forces et Équilibre

La statique est l'étude des corps au repos ou se déplaçant à vitesse constante. Le principe fondamental est que pour qu'un corps soit en équilibre, la somme vectorielle de toutes les forces agissant sur lui doit être nulle (ΣF = 0), et la somme de tous les moments (couples) doit également être nulle (ΣM = 0).

Poids et Masse : Le poids d'un objet est la force exercée sur lui par la gravité. Il se calcule comme suit :

Où :

• $W$ = poids (N)
• $m$ = masse (kg)
• $g$ = accélération due à la gravité (9,81 m/s² sur Terre)

Une masse de 10 kg a donc un poids de 98,1 N. Cette distinction est cruciale : la masse est une propriété de la matière, tandis que le poids est une force qui dépend du champ gravitationnel local.

Moment (Couple) : Un moment est l'effet de rotation d'une force. Il se calcule comme le produit de la force et de la distance perpendiculaire entre le point de pivot et la ligne d'action de la force.

Où :

• $M$ = moment (N·m)
• $F$ = force (N)
• $d$ = distance perpendiculaire (m)

Ce principe est appliqué lors du serrage des fixations. Une force de 500 N appliquée perpendiculairement au manche d'une clé dynamométrique à une distance de 0,3 m produit un couple de 150 N·m.

Principe de Pascal : Ce principe est à la base de tous les systèmes hydrauliques. Il stipule que la pression appliquée à un fluide confiné est transmise de manière égale et sans diminution à chaque partie du fluide et aux parois du récipient. Cela permet la multiplication de la force :

Si une force de 200 N est appliquée à un petit piston d'entrée avec une surface de 0,005 m², la pression est de 40 000 Pa. Cette pression agit sur un piston de sortie plus grand avec une surface de 0,02 m², produisant une force de 800 N. La pression est la même dans tout le système, mais la force est proportionnelle à la surface.

Dynamique : Mouvement et Énergie

La dynamique est l'étude des corps en mouvement et des forces qui provoquent ce mouvement.

Les lois du mouvement de Newton :

1. Un corps au reste reste au repos, et un corps en mouvement reste en mouvement à vitesse constante, à moins qu'une force externe nette n'agisse sur lui.
2. L'accélération d'un corps est directement proportionnelle à la force nette agissant sur lui et inversement proportionnelle à sa masse : $F = ma$.
3. Pour chaque action, il existe une réaction égale et opposée.

Travail, Énergie et Puissance :

• Le travail est effectué lorsqu'une force déplace un objet sur une distance. $W = F \times d$. L'unité SI est le joule (J). Une force de 50 N déplaçant un objet de 3 m effectue un travail de 150 J.
• L'énergie cinétique est l'énergie qu'un corps possède en raison de son mouvement. $KE = \frac{1}{2}mv^2$. Une masse de 2 kg se déplaçant à 5 m/s a une énergie cinétique de 25 J.
• L'énergie potentielle est l'énergie qu'un corps possède en raison de sa position. $PE = mgh$.
• La puissance est le taux d'exécution du travail. $P = \frac{W}{t}$. L'unité SI est le watt (W), qui équivaut à un joule par seconde.Mouvement de rotation :
• Vitesse angulaire (ω) est le taux de variation du déplacement angulaire, mesuré en radians par seconde (rad/s). Pour convertir depuis le tr/min : $\omega = \frac{2\pi \times tr/min}{60}$.
• Moment d'inertie (I) est l'équivalent rotationnel de la masse. Il dépend de la masse et de sa répartition autour de l'axe de rotation.
• Énergie cinétique de rotation est donnée par $KE = \frac{1}{2}I\omega^2$. Un disque de turbine avec un moment d'inertie de 0,5 kg·m² tournant à 10 000 tr/min (ω = 1047,2 rad/s) stocke environ 274 kJ d'énergie. Cette énergie stockée est une considération de sécurité importante lors de la maintenance.

Résistance des matériaux

C'est un domaine critique pour le personnel de certification, car il traite du comportement des matériaux sous charge.

Contrainte est la résistance interne d'un matériau à une force appliquée, définie comme la force par unité de surface :

L'unité SI est le pascal (Pa). Un tirant en acier avec une section transversale de 120 mm² (120 × 10⁻⁶ m²) supportant une charge de traction de 18 kN subit une contrainte de 150 MPa.

Déformation est la déformation d'un matériau par rapport à sa longueur d'origine :

La déformation est sans dimension. Une tige qui s'étire de 1,200 m à 1,204 m a une déformation de 0,00333.

Loi de Hooke et module de Young : Dans la limite élastique, la contrainte est directement proportionnelle à la déformation. La constante de proportionnalité est le module de Young (E) :

Cela permet le calcul de l'allongement. Un tirant en acier (E = 200 GPa) avec une section transversale de 200 mm² supportant une charge de 40 kN subira une contrainte de 200 MPa, une déformation de 0,001 et un allongement de 0,5 mm sur une longueur de 500 mm.

Contrainte de cisaillement et torsion : La contrainte de cisaillement se produit lorsque des forces sont appliquées parallèlement à une surface. Dans un arbre soumis à une torsion, la contrainte de cisaillement maximale est donnée par :

Où :

• $T$ = couple (N·m)
• $r$ = rayon de l'arbre (m)
• $J$ = moment polaire de la section (m⁴), qui pour un arbre circulaire plein est $J = \frac{\pi d^4}{32}$

Fatigue : Un matériau soumis à une charge cyclique en dessous de sa limite d'élasticité peut se rompre soudainement après de nombreux cycles. Ce phénomène est connu sous le nom de fatigue. C'est un mécanisme de dommage structurel progressif et localisé et une préoccupation majeure pour l'intégrité structurelle des aéronefs. La rupture se produit sans déformation plastique significative, ce qui la rend particulièrement dangereuse.

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2.3 Thermodynamique

La thermodynamique est l'étude de la chaleur, du travail et du transfert d'énergie. Elle est fondamentale pour comprendre les moteurs, la climatisation et les systèmes hydrauliques.

Température et chaleur

• Température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des particules dans une substance. Elle est mesurée en kelvin (K) ou en degrés Celsius (°C). L'échelle Kelvin est une échelle absolue, avec 0 K étant le zéro absolu. $T(K) = T(°C) + 273,15$.
• Chaleur est le transfert d'énergie thermique entre des substances à différentes températures. Elle est mesurée en joules (J).

Capacité thermique massique (c) est la quantité d'énergie thermique nécessaire pour élever la température de 1 kg d'une substance de 1 K. L'énergie thermique nécessaire pour changer la température d'une masse est :

Où :

• $Q$ = énergie thermique (J)
• $m$ = masse (kg)
• $c$ = capacité thermique massique (J/(kg·K))
• $\Delta T$ = changement de température (K)

Par exemple, pour élever une pale de turbine de 0,5 kg (c = 450 J/(kg·K)) de 20°C à 620°C, il faut 135 kJ d'énergie.Chaleur sensible : il s'agit de la chaleur qui provoque un changement de température sans changement d'état. Le taux d'extraction de chaleur dans un pack de conditionnement d'air, par exemple, est calculé comme suit :

Où $\dot{m}$ est le débit massique (kg/s) et $c_p$ est la capacité thermique massique à pression constante. Pour l'air, $c_p$ ≈ 1005 J/(kg·K).

Lois des gaz

Le comportement des gaz est décrit par un ensemble de lois essentielles pour comprendre les systèmes pneumatiques, les accumulateurs et les cycles moteur.

• Loi de Boyle : À température constante, la pression d'une masse de gaz fixe est inversement proportionnelle à son volume. $P_1V_1 = P_2V_2$. Si le volume est réduit de moitié, la pression double.
• Loi de Gay-Lussac : À volume constant, la pression d'une masse de gaz fixe est directement proportionnelle à sa température absolue. $\frac{P_1}{T_1} = \frac{P_2}{T_2}$. Ceci est essentiel pour les accumulateurs hydrauliques, où une augmentation de température entraîne une augmentation de pression.
• Loi de Charles : À pression constante, le volume d'une masse de gaz fixe est directement proportionnel à sa température absolue.
• Loi des gaz parfaits : Elle combine les lois ci-dessus : $PV = nRT$, où $n$ est le nombre de moles et $R$ est la constante universelle des gaz.

Important : Lors de l'utilisation de ces lois, les températures doivent être en kelvin et les pressions doivent être absolues (pression manométrique + pression atmosphérique).

Mécanismes de transfert de chaleur

La chaleur est transférée par trois mécanismes :

1. Conduction : Transfert de chaleur à travers un matériau solide par collision moléculaire. Les métaux sont de bons conducteurs.
2. Convection : Transfert de chaleur par le mouvement global d'un fluide (liquide ou gaz). C'est le mode de transfert de chaleur dominant dans un fluide en mouvement, comme le fluide hydraulique dans une canalisation.
3. Rayonnement : Transfert de chaleur par ondes électromagnétiques. Il ne nécessite pas de milieu et est négligeable aux températures typiques des systèmes hydrauliques.

Processus thermodynamiques

• Processus isotherme : Se produit à température constante (la loi de Boyle s'applique).
• Processus adiabatique : Se produit sans transfert de chaleur (Q = 0). Dans une compression adiabatique, un travail est effectué sur le gaz, augmentant son énergie interne et donc sa température.
• Processus isentropique : Processus adiabatique et réversible, ce qui signifie que l'entropie reste constante. Pour un gaz parfait, $\frac{T_2}{T_1} = \left(\frac{P_2}{P_1}\right)^{(\gamma-1)/\gamma}$, où $\gamma$ est le rapport des chaleurs spécifiques (1,4 pour l'air).

La deuxième loi de la thermodynamique stipule que tous les processus réels sont irréversibles et entraînent une augmentation de l'entropie. C'est pourquoi le rapport de température réel à travers un ventilateur est plus élevé que le rapport isentropique idéal, ce qui indique des inefficacités.

Échangeurs de chaleur

Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans les systèmes de climatisation et de refroidissement de l'huile moteur. La différence de température moyenne logarithmique (DTML) est utilisée pour calculer la force motrice du transfert de chaleur dans un échangeur de chaleur. Pour un échangeur de chaleur à contre-courant :

Où $\Delta T_1$ et $\Delta T_2$ sont les différences de température entre les fluides chaud et froid à chaque extrémité de l'échangeur.

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2.4 Mécanique des fluides (statique et dynamique)

La mécanique des fluides est l'étude des liquides et des gaz en mouvement et au repos. Elle est fondamentale pour l'hydraulique, la pneumatique et l'aérodynamique.

Statique des fluides : Pression hydrostatiqueLa pression dans un fluide au repos augmente avec la profondeur en raison du poids du fluide au-dessus. L'augmentation de pression due à une hauteur de fluide est :

Où :

• $\rho$ = densité du fluide (kg/m³)
• $g$ = accélération due à la gravité (9,81 m/s²)
• $h$ = hauteur de la colonne de fluide (m)

La pression à la surface du fluide s'ajoute à cela pour trouver la pression absolue à la profondeur.

Pression relative vs. Pression absolue

• La pression relative est la pression mesurée par rapport à la pression atmosphérique.
• La pression absolue est la pression mesurée par rapport au vide parfait.

La relation est : Pression absolue = Pression relative + Pression atmosphérique.

Un système hydraulique fonctionnant à 3000 psi en pression relative a une pression absolue de 3000 psi + 14,7 psi = 3014,7 psi, soit environ 2,08 × 10⁷ Pa.

Dynamique des fluides : Principe de Bernoulli

Le principe de Bernoulli stipule que pour un fluide incompressible et sans frottement, une augmentation de la vitesse du fluide se produit simultanément avec une diminution de la pression ou une diminution de l'énergie potentielle du fluide. Pour un écoulement horizontal :

Le terme $\frac{1}{2}\rho v^2$ est la pression dynamique, et $P$ est la pression statique. La somme des deux est la pression totale.

Ce principe est la base de :

• Les tubes de Venturi utilisés dans la mesure du débit de carburant. Lorsque la vitesse du fluide augmente au col, la pression statique diminue.
• Les systèmes pitot-statiques utilisés pour mesurer la vitesse anémométrique. Le tube de Pitot mesure la pression totale, et la prise statique mesure la pression statique. La différence est la pression dynamique, qui est proportionnelle au carré de la vitesse anémométrique : $q = \frac{1}{2}\rho v^2$.

Actionneurs hydrauliques

La force exercée par un actionneur hydraulique est calculée comme suit :

Où $A$ est la surface effective du piston. Pour l'extension, la surface effective est la surface totale du piston. Pour la rétraction, c'est la surface du piston moins la surface de la tige.

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2.5 Électricité et circuits à courant continu

Cette section couvre les principes fondamentaux de l'électricité, qui sont essentiels pour comprendre les systèmes électriques des aéronefs.

Grandeurs de base

• Courant électrique (I) : Le débit de charge électrique, mesuré en ampères (A).
• Tension (V) ou force électromotrice (FEM) : La différence de potentiel électrique, mesurée en volts (V).
• Résistance (R) : L'opposition au passage du courant, mesurée en ohms (Ω).
• Charge (Q) : La quantité d'électricité, mesurée en coulombs (C). $Q = I \times t$. Une batterie fournissant 20 A pendant 30 minutes délivre 36 000 C.
• Capacité (C) : La capacité d'un composant à stocker une charge, mesurée en farads (F). $C = \frac{Q}{V}$. Un condensateur stockant 0,02 C à 100 V a une capacité de 200 µF.

Loi d'Ohm

La loi d'Ohm est la relation fondamentale dans les circuits à courant continu :

Une résistance avec 12 V à ses bornes et 3 A qui la traverse a une résistance de 4 Ω.

Circuits en série

Dans un circuit en série, le courant est le même à travers tous les composants, et la résistance totale est la somme des résistances individuelles :

Résistance interne

Une vraie batterie a une résistance interne (r). Lorsqu'elle fournit du courant à une charge (R), la tension aux bornes est inférieure à la FEM en raison de la chute de tension aux bornes de la résistance interne :

Où $I = \frac{FEM}{R + r}$.### Condensateurs

Un condensateur stocke de l'énergie dans un champ électrique. L'énergie stockée est :

Un condensateur de 100 µF chargé à 28 V stocke 0,0392 J d'énergie. Cette énergie stockée constitue un danger pour la sécurité et doit être déchargée avant toute opération de maintenance.

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2.6 Ondes et Son

Les ondes sont un moyen de transférer de l'énergie sans transférer de matière.

Propriétés des ondes

• Fréquence (f) : Le nombre d'ondes complètes passant par un point par seconde, mesurée en hertz (Hz).
• Longueur d'onde (λ) : La distance entre deux points identiques successifs sur une onde, mesurée en mètres (m).
• Vitesse (v) : La vitesse à laquelle l'onde se propage.

La relation entre ces grandeurs est :

Une onde sonore avec une fréquence de 440 Hz et une longueur d'onde de 0,75 m a une vitesse de 330 m/s.

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2.7 Aérodynamique de l'avion et commandes de vol

Cette section applique les principes de la dynamique des fluides au vol d'un avion.

Forces en vol

Quatre forces agissent sur un avion en vol : la portance, le poids, la poussée et la traînée.

• La portance agit perpendiculairement au flux d'air relatif.
• Le poids agit verticalement vers le bas.
• La poussée agit parallèlement à la trajectoire de vol, dans le sens du mouvement.
• La traînée agit parallèlement à la trajectoire de vol, en s'opposant au mouvement.

Montée stable

Dans une montée stable (vitesse constante), la force nette est nulle. En décomposant les forces parallèlement et perpendiculairement à la trajectoire de vol :

• Parallèlement à la trajectoire de vol : Poussée = Traînée + (Poids × sin(angle de montée)). Par conséquent, Poussée > Traînée.
• Perpendiculairement à la trajectoire de vol : Portance = Poids × cos(angle de montée). Par conséquent, Portance < Poids.

C'est une question d'examen courante, et il est important de comprendre la distinction entre les forces décomposées le long de la trajectoire de vol et celles dans la direction verticale.

Système pitot-statique

Le système pitot-statique fournit les données de pression pour l'anémomètre (ASI), l'altimètre et le variomètre (VSI).

• Le tube pitot mesure la pression totale (statique + dynamique).
• La prise statique mesure la pression statique.
• L'ASI mesure la différence entre les deux (pression dynamique) et la convertit en vitesse anémométrique.
• L'altimètre mesure la pression statique et la convertit en altitude selon le modèle de l'atmosphère standard internationale (ISA).

Défauts du système :

• Si le tube pitot est obstrué (par exemple, par de la glace), l'ASI ne répondra pas aux changements de vitesse anémométrique. Lors d'une montée, la pression statique diminue, ce qui fait que l'ASI se comporte comme un altimètre (il indiquera une augmentation de la vitesse anémométrique).
• Si la prise statique est obstruée, la pression statique à l'intérieur des instruments reste constante. L'ASI indiquera zéro lorsque la pression pitot sera égale à la pression statique piégée, même par vent de face.

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Relations courantes entre les concepts- Pression, Force et Surface : Ces grandeurs sont liées à la fois en statique (contrainte) et en mécanique des fluides (hydraulique). Comprendre cette relation est essentiel pour résoudre de nombreux problèmes.

• Lois des gaz et température absolue : Tous les calculs relatifs aux lois des gaz nécessitent des températures en kelvin. Ne pas convertir depuis les degrés Celsius est une erreur courante.
• Principe de Bernoulli et vitesse anémométrique : La pression dynamique mesurée par le système pitot-statique est directement liée à la vitesse anémométrique. Cela relie la dynamique des fluides à l'aérodynamique.
• Conservation de l'énergie : Le travail, l'énergie cinétique et l'énergie potentielle sont toutes des formes d'énergie. Le principe de conservation de l'énergie relie ces concepts.
• Thermodynamique et performance moteur : Les lois des gaz et les processus thermodynamiques (adiabatique, isentropique) sont utilisés pour analyser les cycles moteur et les rendements des composants.

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Points d'examen typiques à retenir

• Conversions d'unités : Maîtriser les conversions entre psi et Pa, mm et m, et mm² et m².
• Définitions fondamentales : Connaître les définitions des unités SI (newton, pascal, joule) et la différence entre les grandeurs scalaires et vectorielles.
• Lois des gaz : Savoir appliquer les lois de Boyle, de Charles et de Gay-Lussac, en utilisant des pressions absolues et des températures en kelvin.
• Calculs hydrauliques : Savoir calculer la force, la pression et la surface en utilisant le principe de Pascal, et comprendre l'effet des surfaces de piston et de tige sur la force d'un actionneur.
• Contrainte et déformation : Savoir calculer la contrainte, la déformation et l'allongement en utilisant le module de Young, et comprendre le concept de fatigue.
• Loi d'Ohm et circuits en série : Savoir calculer la résistance, le courant et la tension dans des circuits à courant continu simples, y compris l'effet de la résistance interne.
• Principe de Bernoulli : Comprendre la relation entre la vitesse et la pression statique, et son application dans les systèmes pitot-statiques et les venturis.
• Forces en vol : Comprendre l'équilibre des forces en montée stabilisée et la relation entre la poussée, la traînée, la portance et le poids.
• Transfert de chaleur : Savoir calculer l'énergie thermique en utilisant la capacité thermique massique et comprendre les trois modes de transfert de chaleur.
• Mouvement de rotation : Savoir calculer l'énergie cinétique de rotation et le couple.