Module 2 : Physique – Catégorie de licence B3

1. Aperçu du module

Le module 2 du programme de connaissances de base EASA Part-66 fournit les principes physiques fondamentaux requis pour la maintenance, l'inspection et la certification en toute sécurité des aéronefs. Pour la catégorie B3 (avion léger), ce module couvre les domaines essentiels de la matière, de la mécanique, de la thermodynamique, de l'optique et de la théorie électrique de base. Un ingénieur certifiant doit appliquer ces principes quotidiennement — du calcul du centre de gravité pour le poids et l'équilibre, à la compréhension des pressions des systèmes hydrauliques, de la dilatation thermique des composants et du comportement des instruments pitot-statiques.

Le programme est divisé en domaines clés suivants, chacun avec des niveaux de connaissances définis (1 = aperçu, 2 = connaissances générales, 3 = théorie détaillée) :

2.1 Matière (Niveau 1–2) : États de la matière, densité et propriétés des matériaux.
2.2 Mécanique (Niveau 2–3) : Statique, dynamique, cinématique et cinétique.
2.3 Thermodynamique (Niveau 2) : Température, chaleur, dilatation et lois des gaz.
2.4 Optique (Lumière) (Niveau 1) : Principes de base.
2.5 Mouvement ondulatoire et son (Niveau 1–2) : Principes de base.
2.6 Mécanique des fluides (Niveau 2–3) : Pression, hydraulique et aérodynamique.

Ce matériel d'étude synthétise les connaissances requises pour répondre aux questions d'examen typiques et, plus important encore, pour appliquer ces principes dans un environnement de maintenance.

2. Concepts clés expliqués en détail

2.1 Unités de mesure et conversions

Le Système international d'unités (SI) est la norme pour toute la documentation et les calculs de maintenance aéronautique. Cependant, les outils anciens, les aéronefs de fabrication américaine et certains manuels de maintenance utilisent encore les unités impériales. Un ingénieur certifiant doit maîtriser la conversion entre les systèmes.

Quantité	Unité SI	Alternative aéronautique courante	Facteur de conversion
Force	Newton (N)	Livre-force (lbf)	1 N ≈ 0,2248 lbf
Pression	Pascal (Pa)	bar, psi, mmHg	1 bar = 100 000 Pa ; 1 psi ≈ 6895 Pa
Couple	Newton-mètre (N·m)	Livre-pied (lb-ft)	1 N·m = 0,7376 lb-ft
Volume	Mètre cube (m³)	Litre (L), gallon (gal)	1 L = 0,001 m³ ; 1 gal ≈ 0,003785 m³
Température	Kelvin (K)	Celsius (°C), Fahrenheit (°F)	K = °C + 273,15
Énergie	Joule (J)	Watt-heure (Wh)	1 Wh = 3600 J

Exemple – Conversion de couple : Une spécification de couple de 25 N·m équivaut à 25 × 0,7376 = 18,44 lb-ft. Ceci est essentiel lors de l'utilisation de clés dynamométriques calibrées en unités impériales sur des composants spécifiés en unités SI.

Exemple – Conversion de volume : Un réservoir de carburant de 200 litres a un volume de 200 × 0,001 = 0,2 m³. Cette conversion est utilisée dans les calculs de masse de carburant (masse = densité × volume).

2.2 Matière et propriétés des matériaux

La matière existe dans trois états principaux pertinents pour l'aviation : solide, liquide et gaz. Chaque état possède des propriétés physiques distinctes qui influencent la conception et la maintenance des aéronefs.- Solides : Ils ont une forme et un volume définis. Ils présentent une élasticité (retour à la forme initiale après déformation) et une plasticité (déformation permanente). Les principales propriétés mécaniques comprennent :

Résistance : Capacité à supporter une charge sans rupture (traction, compression, cisaillement).
Dureté : Résistance à l'indentation ou aux rayures.
Ténacité : Capacité à absorber de l'énergie sans se fracturer.
Fragilité : Tendance à se fracturer sans déformation plastique significative.
Ductilité : Capacité à être étiré en fil (par exemple, le cuivre).
Malléabilité : Capacité à être martelé ou laminé en feuilles (par exemple, l'aluminium).
Liquides : Ils ont un volume défini mais prennent la forme de leur contenant. Ils sont incompressibles pour des raisons pratiques, un principe exploité dans les systèmes hydrauliques. Les liquides présentent une viscosité (résistance interne à l'écoulement), qui varie avec la température.
Gaz : Ils n'ont ni forme ni volume définis et sont compressibles. Leur comportement est régi par les lois des gaz (loi de Boyle, loi de Charles et loi générale des gaz).

Propriétés des matériaux en maintenance : Comprendre les propriétés des matériaux est essentiel pour sélectionner les techniques de réparation appropriées. Par exemple, la glace est un solide cristallin avec une résistance à la compression élevée mais une résistance au cisaillement faible. Par conséquent, le dégivrage mécanique (grattage) applique une force de cisaillement pour briser la couche de glace, plutôt que de tenter de l'écraser.

2.3 Statique : Forces, Moments et Équilibre

La statique est l'étude des corps au repos ou se déplaçant à vitesse constante. Un corps est en équilibre lorsque la somme vectorielle de toutes les forces et moments agissant sur lui est nulle.

Force (F) : Une quantité vectorielle mesurée en Newtons (N). Elle a une magnitude, une direction et un point d'application.
Moment (ou Couple, M) : L'effet de rotation d'une force autour d'un point de pivot. M = F × d, où d est la distance perpendiculaire de la ligne d'action de la force au pivot. L'unité SI est le Newton-mètre (N·m).

Exemple – Application du couple : Une force de 100 N appliquée perpendiculairement à un manche de clé dynamométrique de 0,3 m de longueur produit un couple de 100 N × 0,3 m = 30 N·m.

Centre de gravité (CG) : Le point où le poids total d'un objet est considéré comme agissant. Pour un avion, la position du CG est critique pour la stabilité et le contrôle.

Calcul du poids et du centrage : Le CG est calculé en utilisant le principe des moments :

Moment = Masse × Distance depuis la référence (kg·m).
Moment total = Somme de tous les moments individuels.
Position du CG = Moment total / Masse totale.

Exemple – Déplacement du CG : Un avion avec une masse de 1 150 kg et un CG à 2,40 m en arrière de la référence a un moment de 1 150 × 2,40 = 2 760 kg·m. Charger 50 kg de fret à une station à 3,10 m en arrière de la référence ajoute un moment de 50 × 3,10 = 155 kg·m. Le nouveau moment total est de 2 915 kg·m, et la nouvelle masse totale est de 1 200 kg. Le nouveau CG est de 2 915 / 1 200 = 2,43 m en arrière de la référence. Cela doit être vérifié par rapport à l'enveloppe du CG (limites avant et arrière) pour garantir que l'avion reste dans ses limites certifiées.Les lois du mouvement de Newton :

Première loi (Inertie) : Un corps au repos 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.
Deuxième loi (Accélération) : L'accélération d'un corps est directement proportionnelle à la force nette agissant sur lui et inversement proportionnelle à sa masse. F = ma. Également exprimée sous forme d'impulsion : Force = variation de la quantité de mouvement / temps.
Troisième loi (Action-Réaction) : Pour chaque action, il existe une réaction égale et opposée.

Exemple – Équilibre : Un hélicoptère en vol stationnaire à altitude constante subit une force nette nulle. La portance vers le haut (poussée du rotor) équilibre exactement le poids vers le bas. De même, un hélicoptère descendant à vitesse constante est en équilibre ; les forces vers le haut (poussée du rotor) égalent les forces vers le bas (poids).

Exemple – Force résultante : Un moteur produisant 2 000 N de poussée contre une traînée totale de 1 500 N entraîne une force nette vers l'avant de 500 N.

Exemple – Force d'impact (Impulsion-Quantité de mouvement) : Un oiseau de masse 0,5 kg décéléré de 100 m/s à 0 m/s en 0,01 seconde subit une force de F = (m × Δv) / t = (0,5 × 100) / 0,01 = 5 000 N. Ce principe est utilisé pour évaluer les dommages d'impact sur des composants tels que les aubes de compresseur.

2.4 Cinématique : Mouvement linéaire et rotationnel

La cinématique décrit le mouvement sans considérer ses causes.

Vitesse linéaire (v) : Taux de variation du déplacement, mesuré en mètres par seconde (m/s).
Vitesse angulaire (ω) : Taux de variation du déplacement angulaire, mesuré en radians par seconde (rad/s).
Relation : Pour un point situé à un rayon r du centre de rotation, la vitesse linéaire est v = ω × r.

Exemple – Vitesse en bout de pale : Une pale de rotor d'hélicoptère de 5 m de longueur tournant à 300 tr/min. Tout d'abord, convertissez les tr/min en rad/s : ω = 300 × (2π / 60) = 31,42 rad/s. Ensuite, la vitesse en bout de pale v = 31,42 × 5 = 157,1 m/s. Cela peut également être calculé en trouvant la circonférence (2πr = 31,4 m) et en la multipliant par les révolutions par seconde (5 tr/s), ce qui donne 157 m/s. La vitesse en bout de pale est un paramètre critique pour les performances et le bruit du rotor.

Énergie cinétique rotationnelle : Un corps en rotation stocke de l'énergie cinétique donnée par E = ½ I ω², où I est le moment d'inertie (kg·m²). Cette énergie est proportionnelle au carré de la vitesse angulaire.

Exemple – Énergie d'autorotation : Si la vitesse du rotor diminue de 400 tr/min à 350 tr/min, le rapport de l'énergie finale à l'énergie initiale est (350/400)² = 0,766. Cela représente une diminution de 23,4 % de l'énergie cinétique rotationnelle stockée. C'est une considération cruciale pendant l'autorotation, où le pilote gère cette énergie stockée pour contrôler le taux de descente et l'arrondi.

2.5 Mécanique des fluides : Pression, hydraulique et aérodynamique

La pression (P) est définie comme la force par unité de surface : P = F / A, mesurée en Pascals (Pa) où 1 Pa = 1 N/m². En aviation, la pression est souvent exprimée en bar (1 bar = 100 000 Pa) ou en psi.

Exemple – Pression hydraulique : Une force de 5 000 N appliquée sur un piston d'une surface de 20 cm² (0,002 m²) produit une pression de 5 000 / 0,002 = 2 500 000 Pa = 25 bar.

Loi de Pascal : La pression appliquée à un fluide enfermé est transmise intégralement à chaque partie du fluide et aux parois du récipient qui le contient. C'est le principe de la multiplication hydraulique.Exemple – Multiplication hydraulique : Une force de 50 N sur un petit piston d'une surface de 0,002 m² crée une pression de 25 000 Pa. Cette pression agit sur un piston plus grand d'une surface de 0,1 m², produisant une force de 25 000 × 0,1 = 2 500 N. Cela permet à une petite force d'entrée de soulever une charge lourde.

Puissance hydraulique : La puissance délivrée par une pompe hydraulique est le produit de la pression et du débit : P = p × Q, où p est la pression en Pascals et Q est le débit en mètres cubes par seconde (m³/s).

Exemple – Puissance de la pompe : Une pompe délivrant 3 000 psi (20 685 000 Pa) à un débit de 5 gallons par minute (0,0003154 m³/s) délivre approximativement 20 685 000 × 0,0003154 = 6 524 W ≈ 6,5 kW.

Pression atmosphérique et systèmes pitot-statiques : Le système pitot-statique mesure la pression dynamique pour l'indication de la vitesse anémométrique. Un tube de Pitot mesure la pression totale (pitot), tandis que les prises statiques mesurent la pression ambiante (statique). L'indicateur de vitesse anémométrique (ASI) affiche la différence (pression dynamique).

Tube de Pitot obstrué : Si le tube de Pitot est obstrué mais que le trou de drainage est dégagé, la pression emprisonnée sert de référence. Lorsque l'aéronef monte, la pression statique diminue, mais la pression pitot emprisonnée reste élevée, ce qui fait que l'ASI surestime (indique une valeur trop élevée).
Prise statique obstruée : Si la prise statique est obstruée mais que le tube de Pitot est dégagé, la pression statique emprisonnée reste à la valeur au moment de l'obstruction. Pendant une montée, la pression statique à l'intérieur de l'instrument est trop élevée, ce qui réduit la pression différentielle et fait que l'ASI sous-estime (indique une valeur trop faible). Pendant une descente, l'inverse se produit et l'ASI surestime (indique une valeur trop élevée).

Pressurisation de la cabine : La différence de pression entre la cabine et l'atmosphère extérieure est essentielle pour l'intégrité structurelle. Par exemple, une pression de cabine de 100 kPa à une pression extérieure de 80 kPa entraîne une pression différentielle de 20 kPa.

2.6 Thermodynamique : Température, chaleur et dilatation

La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des particules d'une substance. Elle est mesurée en Kelvin (K), en Celsius (°C) ou en Fahrenheit (°F). L'échelle Kelvin est une échelle absolue, 0 K étant le zéro absolu.

Conversion : K = °C + 273,15.

Exemple : Une température ambiante de 15 °C équivaut à 15 + 273,15 = 288,15 K, ce qui est arrondi à 288 K. Ceci est essentiel pour les calculs de performance moteur, car les performances des turbines à gaz sont référencées aux conditions de l'Atmosphère Standard Internationale (ISA).

Dilatation thermique : La plupart des matériaux se dilatent lorsqu'ils sont chauffés et se contractent lorsqu'ils sont refroidis. Le changement de longueur (ΔL) d'un solide est donné par :

ΔL = α × L₀ × ΔT

Où :

α = coefficient de dilatation linéaire (par Kelvin ou par °C).
L₀ = longueur d'origine (m).
ΔT = changement de température (K ou °C).

Exemple – Poutre de queue en aluminium : Une poutre de queue en aluminium (α = 23 × 10⁻⁶ /°C) d'une longueur de 4,5 m, subissant une élévation de température de 15 °C à 45 °C (ΔT = 30 °C), se dilatera de ΔL = 23 × 10⁻⁶ × 4,5 × 30 = 0,003105 m = 3,1 mm. Cette dilatation doit être prise en compte dans les tensions des câbles de commande et les joints structurels.

Exemple – Changement en pourcentage : Une pale de rotor subissant une baisse de température de 40 K se contractera d'une quantité fractionnaire ΔL/L = α × ΔT = 23 × 10⁻⁶ × 40 = 0,00092, soit 0,092 %.Expansion des liquides : Les liquides se dilatent également lorsqu'ils sont chauffés. Les réservoirs de fluide hydraulique doivent disposer d'un espace d'expansion suffisant pour absorber l'augmentation de volume lorsque le système est chaud. Un réservoir froid complètement plein peut entraîner une pression excessive et une défaillance du système lorsque le fluide chauffe.

Combustion et fonctionnement des turbines à gaz : Dans un moteur à turbine à gaz, la température des gaz d'échappement (EGT) est un indicateur clé de performance. Un mélange carburant/air pauvre (excès d'air) brûle plus chaud, entraînant une EGT plus élevée. Un mélange riche (excès de carburant) a un effet de refroidissement dû à la chaleur latente de vaporisation du carburant en excès, ce qui entraîne une EGT plus basse. Une EGT plus élevée que la normale pour un réglage de puissance donné est un symptôme classique d'une condition pauvre.

2.7 Fondamentaux de l'électricité

La théorie électrique de base fait partie du Module 2. Les relations clés sont définies par la loi d'Ohm et l'équation de puissance.

Loi d'Ohm : V = I × R, où V est la tension (volts), I est le courant (ampères) et R est la résistance (ohms).
Puissance électrique : P = V × I = I² × R = V² / R, mesurée en watts (W).

Exemple – Feu de navigation : Un feu de navigation en courant continu de 28 V avec une résistance de 4 ohms dissipe une puissance P = V² / R = (28)² / 4 = 784 / 4 = 196 W. Alternativement, le courant est I = V / R = 7 A, et la puissance est P = V × I = 28 × 7 = 196 W.

3. Formules et procédures importantes

Concept	Formule	Unités	Application
Force (2e loi de Newton)	F = m × a	N	Calcul de la poussée, de la traînée, des forces d'impact
Moment / Couple	M = F × d	N·m	Réglages de clé dynamométrique, poids et centrage
Centre de gravité	CG = Moment total / Masse totale	m	Calculs de poids et centrage
Pression	P = F / A	Pa (N/m²)	Systèmes hydrauliques, systèmes pneumatiques
Vitesse linéaire (rotationnelle)	v = ω × r	m/s	Vitesse en bout de pale, vitesse de roue
Vitesse angulaire	ω = 2π × tr/min / 60	rad/s	Conversion de tr/min en rad/s
Énergie cinétique de rotation	E = ½ I ω²	J	Gestion de l'énergie en autorotation
Dilatation thermique linéaire	ΔL = α × L₀ × ΔT	m	Contrainte thermique, jeux, tension des câbles de commande
Puissance hydraulique	P = p × Q	W	Dimensionnement des pompes, performance du système
Puissance électrique	P = V × I = V² / R	W	Calculs de charge électrique
Conversion de température	K = °C + 273,15	K	Calculs de performance moteur
Conversion de volume	1 L = 0,001 m³	m³	Calculs de carburant
Conversion de couple	1 N·m = 0,7376 lb-pi	lb-pi	Outillage et manuels anciens

4. Relations courantes entre les concepts

Pression, force et surface : La même pression peut produire différentes forces selon la surface sur laquelle elle agit. C'est la base de la multiplication de force hydraulique.
Couple, force et distance : Le même couple peut être obtenu avec une petite force à une longue distance ou une grande force à une courte distance. C'est pourquoi la longueur de la clé dynamométrique est importante.
Dilatation thermique et propriétés des matériaux : Le coefficient de dilatation linéaire (α) est une propriété du matériau. Différents matériaux (aluminium, acier, composites) se dilatent à des vitesses différentes, c'est pourquoi les joints de métaux dissemblables nécessitent une attention particulière à la contrainte thermique.
Cinématique et cinétique : La cinématique décrit le mouvement (vitesse, accélération), tandis que la cinétique relie le mouvement à ses causes (force, couple). Par exemple, la vitesse en bout de pale (cinématique) détermine la force centrifuge sur la pale (cinétique).
Lois des gaz et performance moteur : La température, la pression et le volume des gaz sont interdépendants.d. Les changements de température ambiante et de pression affectent les performances du moteur et les indications de vitesse anémométrique.
Les lois de Newton et le vol : La première loi de Newton explique l'équilibre (vol stationnaire, descente constante), la deuxième loi explique l'accélération (décollage, montée), et la troisième loi explique la génération de poussée (action-réaction).

5. Points d'examen typiques à retenir

Pour l'examen du Module 2 de la Part-66 EASA (catégorie B3), les candidats doivent se concentrer sur les domaines suivants, qui sont fréquemment testés :

Conversions d'unités : Être à l'aise pour convertir entre les unités SI et impériales, en particulier pour le couple (N·m ↔ lb-pi), la pression (Pa ↔ bar ↔ psi), et le volume (litres ↔ m³).
Calculs du centre de gravité : Être capable de calculer le nouveau CG après ajout, retrait ou déplacement de masse. Comprendre le concept de l'enveloppe du CG et ses limites.
Couple et moments : Comprendre le calcul du couple (M = F × d) et son application dans le poids et centrage et l'utilisation de la clé dynamométrique.
Pression et loi de Pascal : Être capable de calculer la pression à partir de la force et de la surface, et comprendre la multiplication de force hydraulique.
Mouvement de rotation : Être capable de convertir le tr/min en rad/s et de calculer la vitesse linéaire à un rayon donné (par exemple, la vitesse en bout de pale du rotor).
Dilatation thermique : Être capable de calculer la dilatation linéaire (ΔL = α × L₀ × ΔT) et comprendre ses implications pratiques pour les jeux et la conception des systèmes (par exemple, l'espace d'expansion du réservoir hydraulique).
Les lois de Newton : Comprendre le concept d'équilibre (force nette = zéro) pour un mouvement à vitesse constante, et être capable de calculer les forces résultantes.
Erreurs du système Pitot-statique : Comprendre les effets des tubes Pitot et des prises statiques obstrués sur les indications de vitesse anémométrique lors des montées et des descentes.
Énergie cinétique de rotation : Comprendre la relation quadratique entre la vitesse angulaire et l'énergie stockée (E = ½ I ω²), en particulier pour l'autorotation.
Puissance électrique : Être capable de calculer la puissance en utilisant la loi d'Ohm et l'équation de puissance.
Thermodynamique (TEG) : Comprendre la relation entre le mélange carburant/air et la température des gaz d'échappement dans les moteurs à turbine à gaz.
Propriétés des matériaux : Comprendre la différence entre la résistance à la traction, à la compression et au cisaillement, et comment cela se rapporte aux pratiques de maintenance (par exemple, le dégivrage).

Module 2: Physics