I) Les principaux modes de fonctionnement

          Un hélicoptère est un appareil complexe respectant le principe de l’aérodynamisme où sont pris en compte un mouvement (le vent relatif, formé par le mouvement de l’hélicoptère lui-même et de celui des pales au travers de l’air) ainsi que l’atmosphère, et dont le mode de fonctionnement résulte d’une interaction entre différents phénomènes et forces. 

Tout d’abord,  parmi les lois du mouvement de Newton, deux d’entres elles sont principalement respectées :

-          La Première loi de Newton, énonçant le principe d’inertie selon lequel  un corps, une fois mis en mouvement, garde toutes les valeurs déterminant son mouvement (sa vitesse, sa direction,…) tant qu’aucune autre force n’interagit.

-          La Troisième loi de Newton, énonçant le principe d’action/réaction : « 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. »

Par ailleurs, cet appareil parvient à se maintenir en l’air grâce au phénomène de sustentation. Celui-ci s’explique par la loi de Bernoulli, dont la formule est la suivante :

Où :

        : pression en un point (en Pa ou N/m²)

        : masse volumique en un point (en kg/m³)

        : vitesse du fluide en un point (en m/s)

        : accélération de la pesanteur (en N/kg ou m/s²)

        : altitude (en m)

 

On observe que lorsque l'on souffle de l'air entre les deux canettes, elles se rapprochent. Ceci montre donc qu'il y a  création d'une dépression lorsque l'air est accélérée. Le principe de Bernoulli " Dans le flux d'un liquide, une accélération se produit simultanément avec la diminution de la pression" est donc bel et bien vérifié.

Cette formule peut se simplifier et devient :

pression dynamique + pression statique = pression totale

Pression statique : Dans un fluide en mouvement, la pression statique est la pression que mesurerait un capteur qui se déplacerait à la vitesse du fluide.

 Pression dynamique : Toujours dans le cas d’un fluide en mouvement, une pression dynamique vient s’ajouter à la pression statique. Celle-ci a pour valeur  1/2  *   *  ²  ( étant la masse volumique et   la vitesse d’écoulement).

Ainsi, la somme de ces deux pressions étant une constante, lorsque l’une augmente, l’autre diminue.

Quand le flux d’air arrive sur l’aile, il se divise en deux flux : l’un passe au-dessus de l’aile (extrados) et l’autre en-dessous (intrados). Les molécules d’air devant se rejoindre en même temps, celles passant au-dessus sont accélérées par le fait que le trajet à parcourir est plus important (lié au profil de la pâle). C’est pourquoi la pression dynamique de l’extrados augmente et sa pression statique diminue (résultat lié au principe de Bernoulli).  On obtient donc :

Pression dynamique de l’extrados  > Pression dynamique de l’intrados

Pression statique de l’extrados  < Pression statique de l’intrados

Il y a donc création d’une dépression à l’extrados et d’une surpression à l’intrados. L’hélicoptère est alors tiré vers le haut, étant à la fois poussé et aspiré : cette force, dirigée de l’intrados vers l’extrados, est appelée la portance. 

Une autre force s’exerce sur l’hélicoptère ; il s’agit du poids (P), force opposée à la portance :

P = m x g

Où:

         P : intensité du poids (en N)

     m : masse de l’hélicoptère (en kg)

     g : intensité de la pesanteur (en N/kg)

Enfin, une autre grandeur fondamentale est la trainée. Cette force, parallèle à la vitesse (à l'écoulement de l'air), s’oppose au mouvement de l’appareil et résiste à son avancement. En effet, il s’agit d’une force de frottement entre les pales et l’air. C’est pourquoi le profil de l’air joue un rôle majeur : plus la pale sera large, plus la surface de frottement sera grande et donc plus la trainée sera grande.  Afin de compenser cette force, le moteur de l’hélicoptère crée une force appelée traction dont l’intensité dépend de la puissance qu’il délivre.

L’hélicoptère est muni d’un rotor principal (composé de 2 à 8 pales) ainsi que d’un rotor arrière placé sur la queue. Celui-ci permet de lutter contre le principe d’action/réaction (qui a lieu entre le rotor et l’air) en exerçant une force perpendiculaire au corps de l’hélicoptère égale à celle du rotor principale. Sans sa présence, l’hélicoptère tournerait donc sur lui-même.

Remarque : Ce rotor anti-couple est remplacé sur certains modèles d’hélicoptère par un couple de rotors contrarotatifs (tournant en sens opposé).

Le pilote dispose de trois commandes principales afin de diriger son hélicoptère :

-          Tout d’abord, le pas collectif (ou pas général) qui lui permet de contrôler l’inclinaison des pales et donc l’angle d’incidence ; c’est ainsi qu’il peut faire varier l’intensité de la portance.  En jouant sur celle-ci, le pilote peut alors décoller, rester en vol stationnaire, ou encore atterrir. En effet, s’il veut décoller, il lui suffit de tirer le pas collectif vers le haut : il augmente ainsi l’angle d’incidence sur toutes les pales du rotor, et donc la portance créée. Celle-ci est alors plus élevée que le poids de l’appareil, celui se soulève donc. A l’inverse, s’il veut atterrir, il crée une portance inférieure à celle du poids de l’appareil. Dans le cas du vol stationnaire (immobilité de l’appareil), ces deux forces opposées (portance et poids) sont égales.

-          Ensuite, le palonnier, actionné par les pieds, qui permet de régler la force exercée par le rotor arrière. Si le pilote souhaite tourner à gauche, il doit faire en sorte que cette force soit inférieure à celle du rotor principale. S’il veut tourner à droite, elle doit être supérieure.

-          Enfin, le pas cyclique, qui contrairement au pas collectif permet de jouer sur l’inclinaison de chacune des pales. Ainsi en inclinant les pales du rotor principal vers l’avant, on crée une force vers l’avant.